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节流阀
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节流阀冲刷工况的流场分析及结构优化,节流阀,冲刷,工况,分析,结构,优化
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2016届本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称节流阀冲刷工况的流场分析及结构优化专 业 过程装备与控制工程 专业方向 过程装备与控制工程 班 级 12102211 学 号 1210221116 学生姓名 赫明月 指导教师 林莹 教研室 过程装备与控制教研室 上海应用技术学院机械工程学院2016年 3 月 4 日节流阀冲刷工况的流场分析及结构优化10 1开题依据节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。且通过启闭件(阀瓣)的运动,改变通路截面积, 用以调节流量由于节流阀的流量和压力。节流阀在外形和结构上都与截止阀非常相似，所不同的只是阀瓣的形状和工作行程，因此，节流阀与截止阀的零部件通用程度很高。各种截断阀都可以改变介质通道截面积，但是它们的调节性能不好。当通道面积小而介质流速很大时，会造成密封面的严重冲蚀，并引起阀瓣的振动。因而通常都采用专门结构和启闭件形状的节流阀进行调节。节流阀主要用于调节流量、压力，在选择阀门时必须考虑流量控制范围、压力降及其负荷等，以避免过早失效并确保安全使用。节流阀的阀瓣与阀座密封面受到高速介质的冲蚀作用，因而必须用耐冲蚀和磨损的材料来制造。阀门在国民经济各个部门中有着广泛的应用。在石油、天然气的开采、提炼加工和管道输运系统中，在城市和工企业的给排水中，在船舶、车辆、飞机以及各种流体机械系统中，都大量使用着阀门。因此，阀门是我国实现四个现代化不可缺少的重要机械产品，它与生产建设、国民建设和人民生活都有着密切的联系。阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。在石油、天然气的生产过程中，阀门的使用更是频繁。如节流阀、地下安全阀；用于化工、炼油、地热等高压阀门；用于输油气管道不同口径的高压阀门。通过分类总结，使用阀门的场所主要有以下几个方面：管汇：用于保持油气生产系统压力，控制流量，及节流管汇和压井管汇的压力控制。井口：安装在采油树翼阀上，对油气生产进行控制。分离器的泄压：当作四分之一式快开快关阀使用，以便保持分离器的液面。加热器旁通管：用于二级旁路循环，降低和控制天然气的压力。注水：控制注水量，保持地层压力，提供油气产量。C02作业：精确控制C02的注入量，提供油气产量，具有很好的抗冻性能。气举：保持压力，控制气体注入量，提高产能。在众多的阀门中，节流阀就是其中一种。在塔里木油的压井施工中，这时节流阀是为了提高环空流动阻力而在循环通路的末端人为设置的一个流动障碍，流体流经节流阀时，产生一个适当的流动阻力，这个阻力通过流体传递到井底，以弥补不足的井底压力。当节流阀应用在节流管汇，其作用是控制流量，用于保持整个油气生产系统的压力；节流阀还可用于加热器旁通管的循环，降低和控制天然气压力。在管道输运中，我们希望它给整个输送系统提供压力、流量的控制。为了实现对流体的控制，阀门一般应具备以下性能1：即密封性能、强度性能、调节性能、动作性自和流通性能。对于大多数阀来说，密封问题是首要问题。但对于安装在压并管汇、节流管汇、并口采油树上的节流阀等调节类阀，除了对密封祁强度的基本要求外，其调节性能的优劣具有重要意义。应当指出的是，节流阀不仅是控制流体运动的机械产品，而且也是一种耗能的枫械产品，安装在管路上的大量阀门是泵、压缩机、鼓风机和蒸汽动力消耗的重要组成部分。因此，阀门的流通性能，如流阻系数、流量系数已成为阀门设计者必须重视的问题。一般工业用节流阀按照工作介质的流向分类，可以分为阀瓣平衡式和阀瓣非平衡式两大类。在石油、天然气钻采行业中的使用较为广泛。节流阀的阀瓣与阀座密封面受到高速介质的冲蚀作用，因而必须用耐冲蚀和磨损的材料来制造。冲刷腐蚀是节流阀中常见的冲刷工况。冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动引起的金属损伤。通常在静止的或低速流动的腐蚀介质中，腐蚀并不严重，而当腐蚀流体高速运动时，破坏了金属表面能够提供保护的表面膜或腐蚀产物膜，表面膜的减薄或去除加速了金属的腐蚀过程，因而冲刷腐蚀是流体的冲刷与腐蚀协同作用的结果。冲蚀是指流体或固体粒子以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成材料表面流失的现象。在输气过程中，不可避免会含有一些固体杂质，且输气管道中气体流速快，高速的气体携带固体颗粒对管壁不断冲击，比其他管道更易造成冲蚀现象，特别是在节流阀处，由于阀口流通截面积减小，速度、压力和固体颗粒的流动轨迹发生改变，常常是发生冲蚀较严重的部位。冲刷腐蚀常发生在近海及海洋工程、油气生产与集输、石油化工、能源、造纸等工业领域的各种管道及过流部件等暴露在运动流体中的各种金属及合金上。冲蚀的金属表面一般呈现沟槽、凹谷、泪滴状及马蹄状，表面光亮且无腐蚀产物积存，与流向有明显的依赖关系，通常是沿着流体的局部流动方向或表面不规则所形成的紊流。在这些地方进入弯管的水流往往呈湍流状态并带有空气泡。湍流的机械作用，气泡冲击作用和气泡中氧的去极化作用造成弯管的严重局部腐蚀、使管壁迅速减薄，甚至穿洞。所以为了防止这种现象的发生可以从节流阀的结构或材料进行优化。2文献综述2.1国内外的研究情况节流阀就是指通过改变流通面积来实现调节流体的流量和压力的手动阀门，并在国内外的各个工程领域都有着广泛的使用性，尤其在石油、天然气开采行业节流阀的作用更是无可替代。从油田钻井、油井测试的高压管路，到油气输送管汇无一不需要节流阀的存在。因此，节流阀成为了我国能源行业不可或缺的重要产品，其性能的好坏将直接影响到油、气开采的效率与安全。节流阀阀体易冲烛的失效形式涉及到了材料的冲烛磨损问题，除了应用试验的方法直接观察出冲烛的部位和失效的形式外，理论的分析也是必不可少的。国内外专家对材料的冲烛机理的研究已有相当长的时间。所谓冲烛磨损就是指含有固体颗粒的流体域流过固体表面做相对运动时，固体表面材料所发生的损耗2。2.1.1国内外对节流阀结构的研究 A.多孔板型节流阀国外各大公司，如Cameron公司、EEC司、FMC公司、WOM公司等在解决节流阀零部件使用可靠性方面取得了重大突破，如Cameron公司将筒形阀板阀座改进为两块圆盘转动孔错位方式，防止了阀板震动，提高了节流效果，减少了冲蚀磨损。又如EEC公司嵌装硬质合金套在结实的阀板上，避免了震断阀杆等现象。国外在平板阀降低开关力矩方面，阀板浮动密封，防止阀腔带压，并采用记忆合金材料，可多次保证密封(EEC公司开关阀板1500次)性能良好，解决了低压密封技术关键。国内外对节流阀的研究和产品开发都投入了大量的精力。美国的MASCO公司(在中国主要从事钻井、采油、地面设备及建设等项目)设计了MOV一多孔阀板型节流阀(Multi Orifice Valve)。多孔阀板型节流阀是三种基本型节流阀中可靠性最高，性能最好的一种(相对于控制式节流阀及阀杆阀座式节流阙)。MOV产品采用范围广泛，尺寸从“1”到”6”，其制造标准满足API，ANSI和NACE的要求。MOV产品近乎于线性的流体特性，使它非常适用于生产作业3。多孔板形节流阀是一种特殊设计，由一对可调的圆盘(阀板)组成，每个圆盘有一组对孔，对孔的形状有MASCO公司研制的如图1所示的三种结构，两片圆接触面部经过特殊金刚石材料研磨表层处理以确保平面在公差规定的范内。当一个圆盘相对于另一个圆盘转动一定度,过流通道由全闭变为全开,从而控制流体通过的流阻,达到节流效果。通过圆盘的不同压力将两片圆盘压紧,不会有任何一个部件发生振动不会产生共振或疲劳失效,这是该种阀的最突出的优点。图2.1多孔阀板型节流阀由文献4对圆孔的阀板旋转不同的角度及改变孔板式节流阀开度大小与优化前进行模拟数据对比可知：( 1)由于最大应力发生在阀板接触面间的节流孔缘位置，为了降低最大应力, 应该对阀板接触面上的节流孔孔缘进行适当的倒角。( 2)阀板的接触面要进行研磨处理, 降低阀板间的摩擦因数，减小阀板转动所需的操作力，提高孔板式节流阀开度调节的轻便性。( 3)由于流线分布不太理想，应该通过改善流道情况来调节流线的分布。可以把下阀板的厚度增加并且缩小下阀板的节流孔孔径,使得下阀板的节流孔变长，当流体通过节流口后首先冲向下阀板的节流孔壁而不会冲向下阀腔的腔壁，避免对下阀腔腔壁造成冲蚀破坏。下阀板节流孔孔壁较厚，不容易被冲蚀穿透，而且下阀板被冲蚀破坏后更换也比较方便, 不至于导致整个节流阀报废。通过以上的改进，孔板式节流阀不仅保留了调压性能良好，两阀板不产生振动的优点，而且通过改善流道形状，可以避免流体对腔壁的冲蚀破坏，能够满足高压地层井控作业安全生产的要求。 B.锥形阀 日本的CFD技术已经达到了实用阶段5，如为减少气蚀和冲蚀，日本设计了两级平板式节流阀口的形式：欧洲的芬兰采用了两级锥阀式节流阀口6。华中科技大学液压气动集输研究中心避lO年采一直在从事海、淡水液压传动技术及基础理论的研究，在海、淡水节流阀研究方面取德了初步成果，1997年研制出压力7MPa、流量100Lmin的溢流阀和节流阀；1998年研制出压力14MPa、流量10Lmin的溢流阀和节流阀，目前正在进行不同类型阀口的流量一压力特性、气蚀特性等方面的基础研究工作。 锥形阀由于其密封性好、过滤能力强、响应快、抗污染能力强，现在已获得了广泛的应用。锥形阀在使用过程中，根据流体流入的方向不同可分为内流式和外流式。在锥形阀中在遇到尖锐的突出物时会引起高速流区造成流动的能量损失7。在节流阀开度较小时，节流产生的压降大，造成上流腔内的压力也大，而且流体阀口收缩时速度很快，此时的阀芯受力情况较恶劣,阀芯处的冲刷腐蚀较为严重。改变阀芯原始形状，应力随远离阀芯的根部而降低，阀芯中部由于流体的直接冲刷应力值有所回升，抗冲蚀能力提高5。图2.2锥形阀结构简图国内在复杂情况下超高压油气井压力控制工艺技术研究方面主要进行的是压井设备、工具的研制。燕山大学液压研究所的高殿荣对流体传动与控制系统中广泛使用的锥阀流场研究颇多8，对如图3所示的外流式锥阀结构，用伽辽金有限元法对液压锥阀在不同的开口度、不同的阀芯结构、不同的阀座尺寸下的内流场进行数值计算，并用DPIV技术对锥阀内流场进行试验可视化研究。其研究结果对阀口处的噪声和降低能耗具有指导意义，其方法值得借鉴。图2.3外流式锥阀结构 C.滑阀对滑阀的三维模型进行了仿真研究，指出滑阀阀体在流量、压差均很大的情况下，在阀体内的流动区域处一般会形成汽化，如果气泡破裂很可能会对阀体的壁面形成气烛作用。为了研究滑阀内部的两相流流动情况，作者釆用了动态模拟仿真软件，在分析结果中得到了阀体内部流场的压力分布规律。气相流体积分布图以及速度分布规律图。为滑阀的阀腔形状优化，防止气烛的发生有较大的引导价值。图2.4柱塞式滑阀结构简图 C.柱塞式节流阀观察图2.5，节流阀为柱塞式节流阀 ,柱塞总成和外笼套为其节流部件。 节流部件和阀体一起决定了节流阀内部的流道形状。 节流部件也是节流阀中的冲蚀最严重的部件 ,需要定期更换。活塞与阀体之间的密封不是完全密封之间的冲刷腐蚀较为严重，所以内笼套与阀套之间的间隔要取得适当 ,当间隔小于一定值时 ,能有效地阻止内笼套表面犁沟状冲的形成,通过优化前后的对比可以看出利于笼套的均匀冲蚀 ,进而可以延长笼套的使用寿命9。1. 小阀瓣 2.活塞 3.滚珠 4.活塞套 5.阀杆 2. 6.阀体 7.螺母 8.滚珠 9.大阀瓣图2.5先导平衡柱塞式节流阀 D.楔形阀 由于在锥形阀容易发生阀杆振动，甚至振断等事故。油田现场开始取向于使用阀芯端面形状为楔形面。然而楔形面沿轴向处以及端处泥浆的流速最大，对楔形面产生的冲击作用也就最大，楔形面也就最容易产生冲蚀，进而发生损坏失效13。对其楔形面进行优化，对比分析楔形节流阀优化前后的效果，对优化前和优化后楔形节流阀速度场和压力场进行了三维紊流数值模拟。通过对比分析进一步验证优化后的结构是否可行的，优化前后对比。优化后的节流阀阀芯结构是将一个直斜坡优化为两个斜坡面过流速度峰值的降低使得阀芯表面冲刷磨损失效得到了有效缓解10。 E.针形节流阀 针形节流阀在使用过程中与平板安全阀配套使用,当天然气混合流体高速通过节流阀时，节流阀的出口和入口端面、阀腔内壁会受到不同程度的冲虫。长时间的冲击后，阀体壁面上则形成四坑，甚至有颗粒杂质嵌进材料，严重者还会直接导致阀体刺穿，造成节流阀失效2。如图2.6，当液体的流速达到一定值时，将会带起井底的固体颗粒一同以高速度进入节流阀。节流阀的出口和入口端面、阀腔内壁会受到不同程度的冲蚀。前端阀体（靠近阀体出口端）磨损较轻，背端阀体冲烛情况较为严重，并且下阀体冲蚀尤为显著。通过改变其内部结构使液体入射角度发生改变对其优化前后进行三维模拟进行比较分析15。 图2.6阀体冲蚀国内外发展趋势是：从机理上争取采用平衡式受力，改进流道结构，改善流场分布方面入手，优化节流口的形式，使节流阀的压力、流量控制更好地服务于现场操作。222国内外对阀门流动与冲蚀研究数值模拟 Tetsuhiro TSUKIJI11对液压阀内的流场分布规律应用润量法进行了数值模拟，作者在该论文中主要研宄了两个内容，一是滑阀的二维流动现象，另一种是锥阀在三维轴向的流动规律。对于滑阀的研宄，主要是对重复地幵启和关闭阀芯运动时的流场进行了数值模拟。对锥阀的研宄，主要是给定以正弦变化规律下的流量为边界条件分析了锥阀阀体内部流体流量的变化频率、幅值大小随着阀内流体流动状态的关系。 Shigeru OSHIMA,Timo LEINO等12针对锥形节流阀的外流和内流两种不同结构形式采用实验的方法进行了研宄，并对水压锥阀与油液锥阀的研宄结果做了比较分析。在假设其他条件一定的情况下，得出了节流口处不同压差条件下质量流率变化曲线图、流量系数变化曲线图以及阀芯上压力的分布图等。北京大学倪晋仁和清华大学王光谦等13指出，在对固液两相流进行研究，当固体颗粒的浓度低到可以忽略其连续性时，对其流动的研究存在一套固定的理论，但是，一旦颗粒浓度大到可以视为连续体时，仅仅通过在低颗粒浓度研究理论上进行修正得到的研究结果与实际结果有差别。为区别于低颗粒浓度下的固液两相流的流动原理，作者展开了对高流体浓度固液两相流运动机理的分析。提出在描述多相流中的固体颗粒相流动时可以采用动理论方法，并且对该方法的使用情况做了概括，得到了低、高两种流体浓度情形下固体颗粒流速的分布函数以及他们之间的关系。西南石油大学李悦钦，李友和中石油塔里木油田公司战晓溪等14在年对在高压条件下工作的节流阀的工况条件进行了研宄，计算了节流阀工作过程中流体的临界速度和对阀体壁面的冲烛速度。并且对节流阀的冲虫机理进行了研究，得出了影响节流阀冲烛的相关因素和冲烛类型，描述了节流阀失效的机理。该论文表明，从节流阀磨损的根本机理出发，当流经节流阀的气体密度增加以及气体进入节流阀入口的冲击速度增大时以及液体的形态不同中间夹杂的颗粒的大小不同都对节流阀的冲刷腐蚀有不同的影响，进行比较在不同工况下的模拟视图，可以判断出相流研究和固液两相流对节流阀的冲蚀程度是不同的。 总之，国外对于节流阀的冲蚀磨损在理论上做了很好的研宄，为更好的阐述节流阀的冲烛机理提供了依据，同时也为软件分析奠定了基础。 许多专家针对不同的节流阀结构进行了研究，并且基于分析的前提下对节流阀进行了结构优化设计，对优化后的结构抗冲烛磨损程度做一个比较，为优化后的好处带来依据。3方案论证节流阀在高压作用下，各种物质混合的流体在节流管汇中高速流动。通过节流阀时，由于过流面积骤然减小，流体流速进一步升高，冲刷腐蚀的程度也在逐渐改变。通过对比仿真的值，可以证明所选模型能够精确地模拟单相液体介质流动特性及含砂介质两相流动的速度、压力等流动特性，并准确地预测了冲蚀轮廓。目前提高节流阀抗冲蚀能力的做法有很多种，但通过优化节流阀的结构提高节流阀自身的抗冲蚀能力显然是最为经济和有效的方法。所以可以利用原有的节流阀进行改进并利用Fluent流场仿真软件，对单相液体介质流动特性及含砂介质两相节流阀流道内流场进行仿真对节流阀内部冲刷工况的流场进行分析研究，在不同条件下和工况下进行比较，并结合CFD仿真进行对比分析，为其提供了可靠的依据。譬如高压孔板式节流阀就是为了安全生产而设计的一种新型节流阀 , 为满足这种节流阀在高压地层工况下实施安全压井作业的需要 , 有必要对其进行流场分析和力学计算, 以提高对孔板式节流阀工作性能的认识，可以通过改变孔的大小、排列方式及排布密度来进行比较优化后的结构对冲蚀现象是否有改变，找到最合适的结构。4毕业设计（论文）内容掌握节流阀的结构与工作原理，对阀门流通通道进行三维建模。根据典型节流阀的设计图，利用流体力学软件，分析研究单相液体介质流动特性及含砂介质两相流动特性。结合CFD软件进行了数值模拟研究，建立了对孔板式节流阀在单相液体与含砂介质的流场计算机仿真模拟，使用solid works建立基本的孔板式节流阀，使用CFD软件分别在单相液体介质和含砂介质两相流得条件下进行流场分析，得出了它们的速度和流场内部场的分布情况，获得诸如速度矢量图、压力云图、流线图等一些关键流动参数，例如进口的压力、进出口压差、液体流量的大小及固液两相流中含沙量的百分比等，比较在不同流体条件下它们的差别，分析含砂介质液体对阀门流体工况的影响。通过对节流阀的流场分析，找到节流阀在不同结构的流场分布规律和特点，弄清了节流阀冲蚀失效机理和改进措施，研究比较其流动特性，分析冲刷工况的特点，在现有的节流阀上改进改进，尽可能避免节流阀冲刷腐蚀问题，对典型的孔板式节流阀内部结构提出改进对策，并进行优化设计。例如可以通过改变孔直径的大小，孔的排布及孔的分布的密度。然后分别再单相和两相流中进行数值模拟，比较流场的不同，再通过改变液体的压差及速度进行比较，最后与最初的模拟结果进行比较，判断改变结构尺寸及位置后流场的冲刷工况是否得到改善，如果得到改善找出最好的优化结构。5创新点与难点多孔阀板式的节流阀,压力损耗偏小,且操作调节的线性关系不好,但该阀对于减小噪声与振动有优势。改变孔板的结构大小可能会有所改变使节流阀内部的冲蚀现象减小。我想通过改变节流阀的通道的弯管角度，使阀体的流体能起到引流的作用，防止了颗粒因加速直接绕过阀芯表面冲击阀体壁面，从而达到减小对节流阀的冲蚀磨损。难点就是入口弯管的角度的选择要和孔板相互配合，需要的工作量和计算方式更加复杂。6工作进度安排12月21日-1月22日：毕业实习，查资料，写开题报告，文献翻译 1月23日3月4日：学习三维建模软件与流体力学软件、可行性分析，搜集流体模拟相关算例资料，完成一个流体模拟算例的调试 3月5日3月11日：设计完整的研究方案与优化思路，开展流体模拟 3月12日3月25日：选取几个典型节流阀结构进行单相液体与含砂介质的流场分析3月26日4月8日：对较优的一结构进行不同工作参数下的仿真研究 4月9日4月22日：在冲刷作用最大的工况下，进行节流结构的优化 4月23日5月13日：分析数据，处理结果 5月14日5月27日：写说明书 5月28日6月4日：交说明书，准备答辩 6月5日6月10日：答辩7参考文献1通用机械研究所.阀门设计与计算(Z).合肥：通用机械研究所,1976,12232蒋
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