（机械设计及理论专业论文）闸阀启闭过程磨损机理及流场模拟分析.pdf

哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 摘要 闸阀是油气田井口装置的主要控制部件之一，其性能的优劣直接关系到井e l 装置的 可靠性及钻采施工的安全性。井口闸阀在高温高压工况下，启闭过程存在振动、噪声和 内外泄漏，阀板、阀座和阀体内壁出现不同程度的磨损和腐蚀，以及阀板孔扩大、阀座 磨损和应力裂纹，个别闸阀出现阀体刺穿现象。 本文依据h u t c h i n g s 摩擦学的磨损理论，结合闸阀实际工况，分析了携带悬浮固体 颗粒流体对金属表面的冲蚀机理及金属在h 2 s 、c 0 2 环境中的腐蚀机理，得出了以冲蚀 磨损为主的多种磨损与腐蚀磨损的综合作用是导致闸阀快速磨损主要原因的结论。 建立了连续、不可压缩、常粘管内流体动力学的质量守恒方程和动量守恒方程，以 及闸阀流道的几何模型。在此基础上应用流体动力学数值模拟计算软件f l u e n t ，采用 基于雷诺平均法的标准k 一占两方程涡粘模型，对模型施加了符合实际工况的边界条件进 行数值模拟计算。得到了闸阀内部的速度场和压力场，并与理论计算进行了比较，验证 了数值模拟计算的结论。 最后对闸阀内部流场特性与闸阀快速磨损机理进行分析，得出了小开度下的局部高 速低压是闸阀快速磨损的根本原因。在此基础上，提出了闸阀的结构改进方案，并对改 进后的流场进行了数值模拟计算，计算结果证明结构改进可以一定程度上减小过流截面 的速度以及流体对闸阀的直接冲击。 关键词：闸阀；流体动力学；数值模拟；f l u e n t ；流场 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s i r a u l g a t ev a l v ei st h em a j o rc o n t r o lu n i to ft h eo i l g a sw e l l h e a de q u i p m e n t a n di t s p e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e d t ot h er e l i a b i l i t yo fw e l l h e a de q u i p m e n ta n dt h es a f e t yo f d r i l l i n ga n dc o n s t r u c t i o n p h e n o m e n a s u c ha sv i b r a t i o n ，n o i s ea n di n t e r n a la n de x t e r n a l l e a k a g eo c c u rd u r i n gt h eo p e n i n ga n dc l o s i n gp r o c e s so fw e l l h e a dg a t ev a l v eu n d e rh i g h t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e w e a ra n dc o r r o s i o nw i t hv a r i o u sd e g r e e so fa p p e a ro nt h ev a l v e p l a t e ，v a l v es e a t sa n dt h ei n n e rs u r f a c eo f t h ev a l v eb o d y m a n yp h e n o m e n aa st h ee x p a n s i o n o ft h ev a l v ep l a t eh o l e ，v a l v es e a tw e a l a n ds t r e s sc r a c ka l s oe x i s t s ，e v e nt h ev a l v eb o d y p i e r c i n gi ns o m ei n d i v i d u a lc i r c u m s t a n c e c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ld r i l l i n gc o n d i t i o n s ，t h ee r o s i o nm e c h a n i s mo ft h e m e t a l s u r f a c ei nt h ef l u i dc a r r y i n gs u s p e n d e ds o l i dp a r t i c l e sa n dw e a rm e c h a n i s mo f t h em e t a li n h 2 s ，c 0 2e n v i r o n m e n tw a sa n a l y z e du s i n gt h et h e o r yo ff r i c t i o nh u t c h i n g s t h ea n a l y t i c a l r e s u i t ss h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o n so ft h ev a r i e t yo f w e a ra n dc o r r o s i o nw e a rl e a dt ot h er a p i d w e a ro ft h eg a t ev a l v e t h ef l u i dd y n a m i c sm a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o na n dm o m e n t u me q u a t i o n i nt h e c o n t i n u o u s ，i n c o m p r e s s i b l e ，c o n s t a n tv i s c o s i t yp i p ew a sb u i l t ，a n dt h eg e o m e t r i c a lm o d e lo f t h eg a t ev a l v ef l o wc h a n n e lw a sa l s ob u i l t b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf l u e n t t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ew a su s e d t oc o m p l e t et h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h ek 一占t w o e q u a t i o ne d d yv i s c o s i t ym o d e l sb a s e do nt h ea v e r a g er e y n o l d sw a s c h o s e nt o c a r r yo u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s a c c o r dw i t ht h ea c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o n st h eg a t ev a l v ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ef i e l do f t h eg a t ev a l v ew a so b t a i n e d p r e v i o u st h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ea c c o r d a n tw i t ht h ep r e s e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s i ts h o w st h a tt h e n u m e r i c a la n a l y s e sa r er e l i a b l e f i n a l l y , t h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n dt h er a p i dw e a rm e c h a n i s mo ft h eg a t ev a l v e w e r e a n a l y z e d t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a lh i g h - s p e e dl o w - v o l t a g ei s t h er o o tc a u s e o ft h eg a t ev a l v e ，sr a p i dw e a r b a s e do na n a l y s i s ，t h eg a t ev a l v es t r u c t u r ew a si m p r o v e d t h e f l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei m p r o v e ds t r u c t u r ew a sc a r r i e do u t i t sr e s u l tv a l i d a t e s t h a tt h ei m p r o v e ds t r u c t u r ec a nr e d u c et h ed i r e c ti m p a c to ft h ef l u i ds p e e do f t h eo v e r - c u r r e n t c r o s s s e c t i o no nt h eg a t ev a l v et oac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：g a t ev a l v e ；f l u i dd y n a m i c s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l u e n t ；f l o wf i e l d 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究课题的背景及意义 中国是世界上油气资源较为丰富的国家之一。据第十四届世界石油大会评估，我国 的石油和天然气资源均在世界前十之列，其中天然气资源总储量是世界天然气储量的 1 2 。根据九十年代中期的全国二次资源评估，全国的石油总储量为9 4 0 亿吨，陆上储 量为7 3 8 ，海上储量为2 6 2 ：天然气总储量为3 8 1 4 万亿立方米，其陆上和海上分 别占7 8 1 和2 1 5 。2 0 0 4 - 2 0 0 6 年间，中石油和中石化先后在四川盆地的东北部发 现了普光、龙岗和元坝三大海相气田，据初步估计，其总储量达万亿立方米以上。从上 个世纪九十年代开始，随着全球能源需求模式的改变，以及我国新兴工业化道路发展模 式对石油天然气能源需求的增长，我国油气田勘探、开采、储运和化工处理技术进入了 新的发展阶段，相关油气钻采、加工、输运设备也向着高可靠性、高适应性和产品多样 性的方向发展，其产品的高参数化、系列化、智能化和自动化水平也越来越高。 采油( 气) 田井口装置主要包括套管头、油管头和采油树，是控制油( 气) 井生产 的重要设备，主要起开关、引导、连接、测压、洗井、压裂酸化等作用，要求产品耐高 压、不泄露、质量稳定可靠。闸阀是采油( 气) 并口装置的重要控制部件之一，其性能 的优劣直接关系到井口装置的可靠性及钻采施工的安全性。 闸阀按照结构形式可分为明杆式和暗杆式；按连接形式可分为法兰式、卡扣式和螺 纹式：按密封形式可分为平行式和斜楔式；按阀板形状分为刀式和平板式；按照控制方 式又可分为手动式、液动式和电动式。无论那种形式，其结构一般都由阀体、阀盖、阀 板、阀座、阀杆等零部件组成。工作原理是通过改变管路断面实现介质的流通与截止圜。 目前国内油气田中使用的闸阀按压力级别可分为1 4 、2 1 、3 5 、7 0 、1 0 5 、1 4 0 m p a 六个 级别。最常用的闸阀是p f f 6 5 3 5 ( p f f2 9 1 6 3 5 ) 和p f f 6 5 7 0 ( p f f29 1 6 7 0 ) 系列平行 式手动平板闸阀。 本文研究的p f f 6 5 3 5 系列平板闸阀，主要用于压并、洗井施工中控制流体的流动 方向，以及流通与截止。通过钻采施工现场调研发现，大部分井口闸阀在启闭过程中， 都会不同程度地出现振动、噪声和内外泄漏的问题。同时，振动、噪声和泄漏还随着压 力的升高以及流体速度的波动而加大。振动不仅可以直接破坏井口装置，还将引起整个 管路的振动，加速密封副和联接件的磨损。泄漏使油气开采安全性降低的同时也会形成 腐蚀性硫化物的污染，另外噪声也是一种污染。 哈尔滨j l ：程大学硕+ 学位论文 c)喇胜磨损d)戍力裂纹 图1 1 闸蒯破损实物图 解体报废闸阀后发现，大部分闸阀的阀板、阀座和阀体内壁都出现不同程度的磨损 和腐蚀，以及阀板导流孔扩大、阀座磨损和应力裂纹，更为严重的则出现阀体刺穿等现 象，如图1 1 所示。 根据p f f 6 5 3 5 系列平板闸阀的p r 2 性能要求，其工作循环应达到2 0 0 以上。而现 场调查统计，当闸阀达到7 0 - 1 0 0 个工作循环后，阀板阀座就出现图1 1 b ) 、c ) 所示的 磨损。本文研究的意义在于寻找导致闸阀在启闭过程中快速磨损的根本原因，并通过结 构改进尽可能减小这种磨损，延长| 甲j 阀使用寿命。 第1 章绪论 1 2 研究课题相关的现状及发展方向 循环洗井、压井过程中，阀内流体主要由洗井污水、原油、压井液、天然气等组成， 并含有少量的h 2 s ( 硫化氢) 、c 0 2 ( 二氧化碳) 和矿物颗粒。无论那种流体介质，通过 阀门的流体动力学问题都可以归结为管内流体动力学的问题。国内外对阀门的研究已有 上百年的历史，主要从机械和流体力学的角度做研究，相比而言，机械方面的研究多于 流体力学方面的研究。而在国内，与阀门有关的流体动力学研究较少，阀门的设计制造 在一定程度上依赖于经验数据，以及国外的技术标准和资料。为了进一步提高阀门的综 合性能，适应国家工业、农业、城市建设等多方面的需要，用计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 的方法分析其流场特性，研究流场分布与阀门结构、制造 工艺、材料选择的关系是十分必要的。 1 2 1 国内研究现状 我国阀门的设计制造始于上个世纪二十年代初期，当时仅限于生产一些自来水龙头 和普通管道阀门，主要特点是品种少、质量差、产量低、生产设备陈旧、工艺技术落后。 受国内战争、经济状况等因素的影响，在近三四十年时间的发展中并没有突破性进展。 ， 真正的自行研制工作是从六十年代末开始的，但由于当时国家处于百废待兴阶段，国内 工业也正处于发展初期，受材料、工艺和设计水平的限制，阀门研制技术水平也没有得 到较大提高。七十年代末八十年代初，伴随改革开放的进程，国家石油、天然气开发步 伐的加快，我国石油机械类产品面临着空前的发展机遇。我国在引进国外先进技术的同 时，大力开展阀门标准化、系列化、通用化的“三化”研制工作，同时还建立健全了阀门 设计、检测与试验机构，完善相应的标准制度，使我国阀门设计水平和制造水平有了长 足的发展。普通阀门是数量最多、使用面最广的一种阀门，现在国内研制水平基本上达 到了国外上个世纪后期的水平，但是在产品工艺设计方面技术还不够成熟，与发达国家 仍有一定的差距。对于特殊阀门( 如除灰除渣阀、硬密封球阀、最小流量阀等) 、高参 数阀门( 如高温、高压和耐腐蚀阀) 、以及阀用材料( 如抗硫化氢材料和碳纤维复合材 料等) 、阀门配套电气装置等方面的研制水平与国外的差距较大。 截止2 0 0 5 年，我国阀门企业约5 0 0 0 余家，且主要集中在江浙一带，其中年产值已 经超过4 5 0 亿元p 1 。这些企业通过技术引进与交流、不断提高试验和检测手段，使我国 阀门产品水平在近二十年来得到了相当大的提高。目前，已经达到设计、制造、检测的 3 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 产品种类有十几大类，3 0 0 0 多个型号，4 0 0 0 0 多种规格州。 目前，国内阀门的研究主要集中于以下几个方面：一是阀门的高参数和特殊工况设 计。其研制主要对象就是高温、高压、强腐蚀等特殊环境中使用的阀门，这方面的研究 随着核工业等新兴工业的兴起与发展，将会有很大的发展空间p 1 。二是环保型、节能型 阀门的研制。这方面的研究大部分是从材料入手，主要讨论提高材料的环保性和可重复 利用性。三是阀门用新型材料的开发与应用。高耐磨性材料、抗硫化氢材料和碳纤维复 合材料等都被广泛用于阀门的关键零部件上。国内对此研究的人员较多，有百家争鸣之 势，已基本形成了一套系统的理论体系。四是计算机辅助手段在阀门研制中的运用。随 着计算机仿真、数值运算等能力的日益增强，c a d c a m 、以及c f d 技术手段在阀门设 计与制造中的应用研究越来越热门，其内容主要包括阀门的参数化设计、模块化设计、 阀体内部流场的计算机数值仿真等。 天津大学魏云平在重介质管路中平板闸阀的失效分析与结构分析一文中，通过 对闸阀的失效形式和磨损机理进行分析后认为其失效形式主要有三种；冲蚀磨损、冲击 磨粒磨损和变形磨损，材料去除机制是塑性变形、犁沟和切削p 1 。作者从提高材料的硬 度、强度入手，通过比较常用几种材料的耐磨性，提出在铸钢基体上镶嵌钢玉瓷环的组 合方案，既增加了过流部位的耐磨性又保留了基体的抗冲击性。另一方面，借助于 a n s y s 有限元软件对闸阀进行受力分析，揭示了阀板阀体结构上的不合理性，提出在 阀体进出口上设计大口进小口出的改进，有效解决了原结构存在的堆料问题和应力分布 不合理的问题。华中科技大学万冬冬分析了我国采气井口技术较为落后、无法满足气田 开采需要的现状，对阀体应力状态，材料耐腐蚀性和闸阀密封性能三个方面进行了研究。 通过应力试验分析、表面渗铝工艺分析、密封副擦伤试验研究，在一定程度上解决了阀 体体积过于庞大的问题，提出了提高阀板阀体耐腐蚀性和密封副耐擦伤性的方案唧。 上述作者主要是从材料与结构方向研究阀门的失效形式和优化，而作为c f d 技术 手段在阀门设计制造中的应用还在起步阶段。目前，国内不少学者正致力于阀门内部流 体力学研究，研究水平虽然与国外尤其是欧美发达国家同行之间仍有一定差距，但是通 过广大学者的共同努力与经验积累，已经呈现出良好形势，这一差距也正在同益缩小。 刘华坪等在基于动网格与u d f 技术的阀门流场数值模拟文中，打破了之前静态 模拟的局限性，采用动网格和u d f ( u s e rd e f i n e df u n c t i o n ) 技术，对管路中最为常见 的闸阀等四种阀门进行了动态数值模拟，真实地模拟了阀门启闭过程阀门内部流体的流 动状态和阀体受力状态叫。其模拟结果表明：阀f - l d , 丌度流场极为复杂，在阀门的截断 4 第1 章绪论 部位及下游总是出现复杂的漩涡和回流，造成主流能量的损失。并断定阀板( 芯) 运动 时阀门受力多变的现象必然导致冲击、振动的发生，冲击与振动极易引起阀体的变形与 疲劳破坏。韩宁在应用f l u e n t 研究阀门内部流场一文中突破前人侧重于机械角度研 究阀门的瓶颈，认为阀门内部结构复杂、流场多变，用流体力学的理论分析研究阀门内 部流场更有现实意义和理论价值。作者以f l u e n t 数值模拟计算结果为依据，对调节 阀进行了结构优化设计，得到了控制漩涡、减小涡能损失、改善阀体局部应力状态，提 高阀门使用安全性的目的。西南石油学院刘干针对节流阀在油气田钻采施工现场经常 出现阀杆断裂、阀体刺穿等现象，对阀体内部流场、流固耦合以及结构优化进行了研究。 作者依据流体动力学相关理论，建立c f d 的计算模型，研究了阀内的速度场、压力场、 流线特征和阀体的结构应力特征，并以此为基础提出了节流阀阀芯两段斜面结构的改 进，减小了流体对阀芯、阀体的冲击u2 1 。浙江大学袁新明等用孔隙率定义流场空间，并 采用了基于有限体积法的二维r s 湍流模型对阀门流场进行了模拟，通过阀门流道的 体型优化，解决了过流断面小的问题，有效减小了阀门的阻力系数川。何涛对汽轮机调 节阀进行二维数值模拟计算，分析了调节阀在不同开度下的流动特性，研究了调节阀在 开启过程中流场的变化规律，为阀门的设计提供了理论依据引。王冬梅等通过数值模拟 的方法，对二维的高速蒸汽阀门内部流场进行模拟计算和流动的定性分析，认为造成阀 门的磨损、阀杆破坏的主要原因是流动不稳定导致的异常振动，并在此基础上对阀芯进 行改型，改型后阀门所受的激振力明显减小习。 1 2 2 国外研究现状 国外对阀门研究工作较为重视，其研究机构多、人员建制全、技术较成熟。阀门的 研制开发主要由两种机构完成，一是阀门行业协会、研究院或国家科研机构，另一种是 石油化工为主的公司企业。阀门的研制和开发工作主要包括新产品的设计、产品的三化 ( 标准化、系列化、通用化) 、产品与新工艺的试验研究，以及产品系列的规划编制等 各项工作。国外从事阀门研究的主要厂家有：日本平田阀门株式会社、美国梅索尼兰 ( m a s o n e i l a n ) 阀门公司、r o c k w e l l 阀门工程研究中心( 美国) 、意大利v a n e s s a 公司 等。这些国外知名阀门研制机构从上个世纪中叶开始，就着重于阀门的数字化设计与制 造、高新材料、产品综合性能、可靠性及标准化的研究工作。北美和欧洲国家在阀门的 研究与制造方面，从上个世纪初期开始就一直占据领先地位，其不仅拥有国际上技术一 流的研究队伍，同时还捌有一批具有现代化技术设备的石油机械公司，已经形成了一套 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 完善的计算理论及行业规范。如美国石油协会的a p i 6 a 标准( 井口装置和采油树设 备规范) 现已被大多数国家所采用，该标准对井口装置和采油树设备相关零部件的设 计、制造和试验都有明确、完整的要求，是目前为止石油机械行业默认的最为权威的通 用标准。 近年来，随着计算机仿真、数值计算能力的日益增强，国外学者更加注重阀门内部 流体的动力学特性研究，并与传统的应力设计方法相结合，使阀门的研制开发技术得到 了新的发展，产品也越来越适应各领域的需要。 e j a l m r a e s 应用标准誓一g 两方程的涡粘模型对蒸汽轮机阀门内部的高雷诺数、可 压缩、常粘性的三维流动进行了c f d 研究，获得了阀门在不同开度下的速度场、压力 场特性，为阀门的结构优化提供了依据副。作者的研究思路方法为本文提供了很有价值 的参考。j 0b a n 等就回转压缩机内部三维流动应用p h o e n i c s 进行了流体动力学仿 真，通过对仿真结果的分析研究，为压缩机内部结构优化提供了数值参考，结构优化后 得到了减小流动损耗、提高压缩机能效系数的目的刀。a b tr a m s c h e k 等应用c f d 技术， 对平板阀中的流场进行了二维简化，采用标准r 一两方程的涡粘模型进行流场的数值 模拟计算，得到了在二维假设条件下的流场特性”叼。 近年来，越来越多的国际学者更加注重于突扩突缩管流动的研究，阀门内部的流场 特性与突扩突缩管的流场特性极为相似，这方面的研究为新型阀门的研制开发提供了极 有价值的参考。a b b o t td e 和k l i n es j 采用试验的方法，对单边和双边突扩槽道中的回 流和分离流进行了研究，指出回流与分离流在突扩下游区的存在川。a j b a k e r 在( f i n i t e e l e m e n ts o l u t i o na l g o r i t h mf o ri n c o m p r e s s i b l ef l u i dd y n a m i c s ) ) 一文中，采用有限元分析 的方法，根据矩形台阶突扩回流区的基本特性划分单元，并进行了数值模拟研究印1 。l k k a i k t s i s 等利用高精度混合谱元法研究了台阶突扩流动，他们认为在台阶突扩下游近壁 处的流动不仅具有三维特性，而且指出三维特性与临界雷诺数的关系，对于分析突扩回 流区和分离流动区流动特性具有重要的参考价值b 。对于低雷诺数下的层流和湍流，d k g a r t l i n g 和m gc a r v a l h o 等对台阶突扩流动进行了试验研究，不仅得出了大量层流流 动的试验资料，并且还指出只有在低雷诺数条件下，层流和紊流才具有分层流动的特性 2 2 - z 3 l 。在众多学者中，b f a r m a l y 等利用空气循环渠道系统研究台阶突扩流动的实验是 一个比较完善又经典的实验，经常被相关学者引用验证数学模型和分析分离流动特性。 在实验中，作者给出了流速分布和回流长度，并分析了雷诺数r e = 7 0 - - - 8 0 0 0 的空气层流、 过渡和紊流区的流动特性弘”。a t a p u c u 等研究了常压下在矩形垂直管道中有锐边插入 物时的两相流压力降b 剐。这种锐边插入物实际上是以突缩接头联接一个突扩接头而形 6 第l 章绪论 成，作者根据锐边插入物的特性将其分为短插入和长插入，并分别研究了其压力降的变 化规律。 1 2 3 阀门相关研究的发展趋势 目前，国内外阀门的研究发展趋势，主要趋向于以下三个方向：一是阀门机械结构 的研究向着新结构、大尺寸方向发展。全球火电、核电、水电、大型石油化工、石油天 然气输运管线、煤液化及冶金等重大工程的新需求使阀门尺寸的日趋新型化和大型化。 如中国西气东输、川气东送的大型输送管线等，与这些大型设备配套的阀门中最大平板 闸阀直径达到2 0 0 0 m m 、最大碟阀通径9 7 5 0 m m 、最大球阀通径3 0 5 0 m m ，这些装置就 阀门单件的重量最高可达1 8 4 吨例。二是阀门材料的研究以高性能的新型、复合材料为 主。如各种有色新型合金、有机合成材料、纳米材料、高分子材料、无机非金属材料等 在阀门产品中的广泛应用，使阀门的耐磨性、耐腐蚀性、抗冲蚀性、自润滑性以及温度 适应性得到了较大的提高，这是目前开发高性能、高参数阀门的一条重要的技术手段p 1 。 三是对阀门有关的流体动力学研究日趋重视。在数值计算技术研究方面，主要包括基于 各种网格划分技术的新型算法和并行算法、以及涡运动和湍流机理的研究，流体运动控 制方程的离散求解等。在流体动力学仿真技术研究方面，突出流体动力学的分析方法在 实际流体工程中的应用，包括可压缩与不可压缩流体、牛顿与非牛顿流体以及粘性与非 粘性流体的单相或者多相流计算，计算声学、微型机械流动、生物力学、涡轮机械流体 的流体动力学仿真等弘”。 1 3 研究的主要内容及论文组织结构 1 3 1 研究的主要内容 本文根据闸阀实际工况，分析导致闸阀在启闭过程中快速磨损的原因，研究流体在 闸阀过流截面附近的流场特性，分析流场参数与闸阀启闭过程快速磨损之间的关系。通 过结构改进，使阀门流道的形状结构更为合理。主要包括以下四个方面的工作： 1 根据报废闸阀的实际工况参数和磨损形态特征，运用金属摩擦学理论，分析阀门 内壁表面材料的去除机制，重点研究阀门内部流体速度对冲蚀磨损的影响。初步探讨腐 蚀性介质h 2 s 、c 0 2 在阀门内壁表面上腐蚀机理，以及阀门密封副的粘着磨损与三体磨 损机理。并分析闸阀在启闭过程中快速磨损的原因，提出控制闸阀磨损的几种常用方法。 7 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 2 对闸阀内部流体作恒温、单相假设，分析阀内流体的真实运动，建立求解阀门内 部流体运动的基本控制方程连续方程和n a v i e r - s t o k e s 方程，并介绍适合于求解闸 阀内部高雷诺数流动的基于雷诺平均法的标准鬈一s 两方程涡粘模型。分析闸阀内部壁 面附近的流动特性，使用壁面函数法对近壁区域进行处理。 3 使用g a m b i t 工具建立闸阀流道的几何模型，划分求解区域的混合非结构化四 面体网格。将工况参数转化为计算边界条件，用计算流体力学软件f l u e n t 对闸阀内 部流场进行数值模拟计算，并对结果进行可视化后处理。建立基于理论简化的连续方程 和伯努利方程，求解过流截面上的平均速度、体积流量和平均压力，对c f d 数值模拟 计算结果进行验证。研究不同开度下速度场与压力场分布特性，揭示流场分布与阀门快 速磨损的关系。 4 分析闸阀原结构存在的问题，结合阀门内部流场分布特性提出新的结构改进方 案，对结构改进后的流场进行数值模拟计算，对比改进前后的流场特性，说明结构改进 对减小闸阀磨损的作用。 1 3 2 论文的组织结构 论文各章的内容安排如下： 第一章为绪论，主要阐明研究课题的来源及其研究的现实意义，并对研究相关的国 内外研究现状和发展方向进行综述，确定本文的研究方向和内容。 第二章主要对闸阀磨损机理进行分析，研究闸阀内部流场对磨损的影响，探讨闸阀 磨损的常用控制方法，确立本文从流体动力学角度研究闸阀磨损的基本方向。 第三章主要介绍流体动力学的相关基础理论，建立阀门内部流体动力学方程，介绍 基于雷诺平均法的标准r e 两方程涡粘模型，分析闸阀内部近壁处的处理方法。 第四章应用计算流体力学软件f l u e n t ，对闸阀不同开度内部流场进行数值模拟计 算，并用理论计算结果验证，分析速度场与压力场特性。 第五章根据流场分布特性与闸阀快速磨损的关系，提出闸阀结构改进方案，使用 f l u e n t 对改进后的阀门内部流场进行数值模拟，并将改进前后的计算结果进行比较， 验证改进的可行性。 结论与展望，对全文进行总结并下一步工作展望。 8 第2 章闸阀磨损机理分析 第2 章闸阀磨损机理分析 平板闸阀的优点是流阻小，密封面可以自动定位，并且可以用于携带悬浮颗粒的流 体介质。正因为这些优点平板闸阀被广泛用于石油、天然气、化工、煤碳、给排水等工 程领域。其缺点是经常启闭可能使阀板与阀座的密封面磨损，在切断高速和高密度介质 时，会产生剧烈振动。 根据闸阀在钻采现场的实际工况分析，若流体介质的压力过高，或者在低于许用应 力下承受交变应力作用，都有可能造成因阀门零部件的强度不足或达到疲劳极限而破 坏。井口闸阀中的流体主要由水、压井液、石油和天然气组成，流体中普遍含有高硬度 的矿物颗粒，以及少量具有强腐蚀作用的h 2 s 、c 0 2 等成分。虽然在钻采施工中一般都 要求添加缓蚀剂，但缓蚀剂也不能完全避免腐蚀性介质的腐蚀作用。流体携带的矿物颗 粒大部分都具有较高的硬度，并在管道内呈悬浮状态，在高速流体作用下必然形成冲蚀 磨损。另外，闸阀在启闭过程极易形成气蚀和水击现象，气蚀导致局部疲劳损伤，水击 又会形成交变应力，多方面的综合作用造成阀门的磨损。 2 1 阀门的强度校核 不。 以p f f 6 5 3 5 系列闸阀作为研究对象，其相关材料参数和钻采工况参数如表2 1 所 表2 1p f f 6 5 3 5 闸阀材料力学性能和j r 况参数 材料 硬度h b e r e a m p ac r o 2 m p a e g p a p 材料参数 3 5 c r m o1 9 7 2 3 5 _ 5 8 62 4 1 42 0 7 x1 0 o 3 上作温度额定流鼍1 ：作压力试验压力 | c il | m i n m p am p a 工况参数 - 4 0 1 2 02 03 57 0 我国采油( 气) 井口装置的设计制造是以a p is p e c6 a 井口装置和采油树设备规 范为标准，该标准对使用标准材料的连接装置、本体和盖提供了几种设计计算方法田1 。 一种是基于a s m e 锅炉压力容器规范发展起来，与压力容器设计方法相似的设计 方法。它采用最大剪切应力分析法，通过综合选取较小的安全系数，充分发挥材料屈服 极限和强度极限，实际上是基于第三强度理论的设计方法口川。另一种方法是基于v o n m i s e s 变形理论( 即第四强度理论) 的承压装置设计方法，该方法规定容器壁内最高应 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 力处的许用当量应力不得超过材料规定的最小屈服强度。 由于p f f 6 5 3 5 闸阀阀体是承受压力的主要部件之一，将阀体按照压力容器计算相 类似的方法进行简化，可以将其简化为内径d = 1 0 4 m m 、外径d = 1 9 8 m m 两端封闭的筒 体。在筒体壁面上任取一个主单元体分析，求得其三个主应力分别为 q = p - 1 、1 + 七2 ) ( 一2 - 1 ) q = 一l 、+ 叫 以：三 ( 2 2 ) c r 22 西 。z z j 吒= 击( 1 埘) ( 2 - 3 ) 吒= 西1 1 一叫 z 。3 式( 2 1 ) ( 2 3 ) 中p 筒体内部静压力 七简体外径与内径之比 许用应摊舾n 旧刊，n b = 3 0 , n s = 1 5 t 2 9 1 , h 硼5 姗m p a 按第三强度理论进行计算 盯：q 一吒：筹：9 6 6 7 1 5 m p a 【盯】 ( 2 - 4 ) 盯。q 一吒2 西2 丙7 1 上j a s h l z 一4 j 按第四强度理论计算 仃= 三 ( q c r 2 ) 2 + ( 吒一玛) 2 + ( 巳一q ) 2 ：一 3 k 2 p ( 2 5 ) = 一 二j ， = 8 3 7 2 0 0 m p a a 】 显然，按a p is p e c6 a 提供的设计算法，在较小安全系数条件下阀体的强度是足够 的。但是阀门在实际工况条件下，尤其是在启闭过程中，由于阀板导流孔遮挡了部分流 道，流体的运动受到干扰，速度和压力发生较大变化。由流体作用而产生的压力变化是 不能单纯用静压力的计算来解决的，还需要结合流体动力学相关理论进行分析。 2 2 阀门磨损机理分析 闸阀内流体含有h 2 s 、c 0 2 和矿物颗粒等。h 2 s 和c 0 2 对金属具有腐蚀作用，具有 较高硬度的矿物颗粒在高速流体的作用下对内壁形成冲击，阀板与阀座之间在启闭过程 中存在滑动摩擦。腐蚀、冲击、摩擦都会形成磨损。 第2 章闸阀磨损机理分析 2 2 1 冲蚀磨损 图2 1 悬浮颗粒高速撞击表面示意图 表面 流体介质中携带的固体粒子，以一定速度对材料表面进行冲击所造成的材料破坏现 象称为冲蚀磨损p 蝴1 。冲蚀磨损是带固体颗粒的射流、细流和液体中的液滴、液泡破裂 所引起的【3 2 】o 1 悬浮颗粒冲蚀 如图2 1 所示，形状、大小、质量不定的悬浮固体颗粒在流体的作用下作不规则的 运动，对表面撞击而形成冲蚀磨损。在冲蚀过程中，材料表面的接触应力是由流体中具 有动能的悬浮颗粒碰撞表面产生的，因此颗粒的速度、冲击角度和颗粒质量决定了撞击 的能量。 为了分析颗粒速度对撞击能量的影响，先考虑单个颗粒冲击表面产生塑性变形，如 图2 2 所示。 图2 2 单个颗粒撞击表面产生的塑性变形 基于h u t c h i n g s 理论p 2 1 的假设是颗粒不发生变形而表面是完全塑性变形，硬度h 恒 定。在接触之后的，时刻，质量为d m 的颗粒以初始速率l ，使表面凹陷至深度x ，凹陷表 面的截面积为a ( x ) ，使颗粒减速的反作用力末自截面上的塑性压力，因此颗粒的运动 哈尔滨下程大学硕十学位论文 方程可以表示为 一h a ( 加咖窘 ( 2 6 ) 如果颗粒经时间后在深度为处停止，那么阻力功就等于颗粒的初始动能 f 删( 舳= 扣v 2 ( 2 7 ) 或者表示为 d y ：d m v 2 2 日 ( 2 - 8 ) 式中d v 为凹陷区域的体积。 如果考虑到有一批颗粒对表面进行撞击，则对式( 2 8 ) 在时间t = o 至t = f i 内进行 积分可得 v ：m v z( 2 9 ) 2 日 凹陷区域的体积一部分是被去除的材料体积，另一部分是材料产生塑性变形而减小 的体积。设去除材料转化为磨屑的比例常数为k ，则有 y ：七坐( 2 1 0 ) 2 月 将冲蚀率e 表示为去除材料质量与冲蚀颗粒质量之比，则有 e ：j | 型( 2 1 1 ) 2 月 式中p 为材料密度。 式( 2 1 1 ) 是基于理想化模型建立起来的，虽然没有直接反映冲击角度、颗粒形状 和尺寸等的影响作用，但比例系数k 是与这些因素密切相关的( 其值一般介于1 0 l o 1 之间) ，因此具有一般适用性。从式( 2 - 1 1 ) 可以看出，撞击去除的材料越多，冲蚀率 越大，冲蚀率与材料的硬度成反比，与颗粒速度( 流体速度) 的二次方成j 下比。因此在 材料确定的情况下( p 、h 取定值) ，我们更为关注的是颗粒速度、冲击角度对冲蚀的 影响。需要说明的是h u t c h i n g s 指出，在多次冲击中，冲击角是决定延展性材料( 塑性 材料) 冲蚀磨损机理的主要因素p 3 1 ，并给出冲蚀磨损率与冲击角的关系曲线。但对于本 文研究的闸阀，由于管内流体呈现的湍流流态，流体在阀体内相互剪切、碰撞，并形成 1 2 第2 章闸阀磨损机理分析 不规则湍流涡，颗粒在直线运动时还存在旋转运动，对于一批颗粒而言其实际运动方向 并不确定，因此冲击角是在0 - - 9 0 ”之间随机变化的。 为了定量分析阀门开度对冲蚀磨损的影响，设冲蚀比l f ，为阀门部分开启的冲蚀率与 完全开启的冲蚀率之比，即 杪= e s o ( 2 - 1 2 ) 式中e 不完全开启的冲蚀率 e 完全开启的冲蚀率 按照阀门开度的定义，开度= 实际行程全开行程，利用c a d 软件求出不同开度 下的阀门过流截面的截面积。对闸阀作无泄漏假设后可以认为，进出阀门的流量是严格 守恒的，即有 v , 4 = 屹4 ( 2 - 1 3 ) 式中v l 、4 阀门入口平均速度与垂直于平均速度方向截面积 u 、4 阀门过流截面上的平均速度与面积 再根据式( 2 1 2 ) ，可得出不同开度下的冲蚀比如表2 2 所示。 显然，阀门在度为1 0 时，其冲蚀率是完全开启时的7 2 6 倍，并且开度越小冲蚀率 越大，这是造成阀门在启闭过程中过快磨损的主要原因之一。 瓷 表2 2 闸阀不同开度下的冲蚀比 开度 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 枇匕沙7 2 6 6 4 9 49 3 2 1 9 32 8 5 1 6 61 2 3 9 7 56 5 6 6 1 开度6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 冲鼬比沙3 9 4 2 72 5 7 7 11 7 9 6 51 3 1 6 31 2 气蚀 气蚀是由液体中的气穴或气泡形成、增大、爆破产生的。阀门在启闭过程中，流体 与阀门内壁的相对运动形成高速低压区，如果压强低于流体中某种液相的汽化压强，液 体就开始汽化并形成气泡粘附在悬浮颗粒表面。当阀体内的压力发生变化时，气泡迅速 爆破产生较大的局部冲击能量，冲击能量被阀门内壁所吸收并使内壁表面产生塑性变形 或弹性变形，反复的冲击必然使内壁表面疲劳损伤。 3 阀门启闭过程中的水击 阀门肩闭过程中，流体速度的变化必然引起阀门上下游压力的变化，压力变化形成 压力波，压力波冲击阀门内壁表i f l i ，并导致管路的振动，这种现象称为水击。水击现象 哈尔滨一f ：程大学硕士学位论文 压力变化与速度变化密切相关，速度变化越大，压差越大。如果在钻采施工中只考虑液 态水产生的水击，则其水击的大小可以用压力变化前后的压差p 来表示 a p = p v c ( 2 1 2 ) 式中c 为压力波的传播速度。儒科夫斯基给出了管路中压力波的传播速度计算式p 5 1 c ：丝( 1 1 3 ) l ，一；= = = = = = 一 + 等 式中k 液体的体积模量 e 管壁材料的弹性模量 d 管路内径 万管路壁厚 上式中若取施工流量q 。= 2 0 l m i n ，常温下水的体积模量k = 2 0 3 x 1 0 9 p a ，并取管 壁弹性模量e = 2 0 0 x 1 0 9 p a ，可求得p = 8 5 4 m p a 。可见水击在管路中不可忽视，且衡 量水击大小的压差与流体的速度成j 下比。 2 2 2 腐蚀磨损 国外学者对腐蚀的定义包括三种情况：一是由于材料与环境的化学反应而引起的破 坏或变质；二是除了单纯的机械破坏以外的材料的一切破坏；三是冶金的逆过程p 6 1 。而 金属的腐蚀磨损是指在摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损 1 3 7 金属的腐蚀按形态可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀，局部腐蚀是金属材料最为常见的 腐蚀失效形式，其腐蚀速度无法估计，破坏也较 大，至今仍然是腐蚀与防腐科技研究人员的重点 研究对象。在因腐蚀失效破坏的案例统计中，均 匀腐蚀只占1 7 8 ，局部腐蚀占了8 2 2 m 1 。通过 对闸阀实际工况、流体介质的成分组成和磨损情 况分析，阀门零部件的腐蚀形态主要有以下几种。 1 4 囊 第2 章闸阀磨损机理分析 1 均匀腐蚀 均匀腐蚀也称为全面腐蚀，是指金属表面发生的比较均匀的大面积的腐蚀。其显著 特征是只要暴露在腐蚀介质中的表面都会发生腐蚀现象。暴露在空气、石油、天然气、 钻井液等流体中，而流体又没有发生流动的情况，很容易发现阀门内壁及阀板、阀座表 面普遍存在均匀腐蚀。如果流体一直保持流动状态，则较难观察到均匀腐蚀现象。造成 这一现象的原因是内壁的磨损不仅是腐蚀的作用，还包括由于磨擦所引起的磨损作用， 均匀腐蚀所形成的保护层被流体冲刷带走。图2 3 是暴露在石油、天然气中阀板的均匀 腐蚀局部照片。从图中可以看出，其腐蚀是大面积存在并且均匀地分布于阀板整个外表 面。 2 氢损伤 金属由于氢元素的存在或与氢化学反应而形成的机械破坏称为氢损伤。氢损伤中主 要以氢腐蚀形式出现，氢腐蚀是指金属在高温高压环境中服役一定时间后，氢与金属基 体中的某相成分发生反应而形成高压气泡，高压气泡在金属晶界处形核长大，逐渐连接 而形成裂纹，从而使金属强度和韧性急剧下降的过程。阀体、阀座、阀板基体材料为 z g 3 5