摘 要:介绍了孔板式调节阀的主要结构和存在的问题,分析了阀门结构改进和优化前后流场特性,论证了阀门结构改进的合理性。
关键字:孔板流量调节器 改进 仿真分析 优化
1 概述
孔板式调节阀在油井口和注气采气等管汇设备中应用广泛,通过在管汇中多级串联,实现逐级节流降压。孔板式调节阀使用工况较为恶劣,阀门前后压差大,且介质中沙粒会对阀门产生冲刷,严重影响阀门的使用寿命。通过对孔板式调节阀存在的问题进行分析和改进,提高了产品的使用寿命。
2 性能分析
2.1 结构特点
孔板式调节阀(图1)阀瓣的流通截面形状为扇形,阀瓣分为上、下两部分。固定下阀瓣,旋转上阀瓣,可以调整流通面积,实现对流量的控制和调节。阀瓣采用特殊碳化钨模制,具有较强的抗冲刷能力。
1.阀体2.耐磨套3.下阀座套
4.阀瓣5.拨叉6.阀盖7.阀杆
图1 孔板式调节阀
2.2 存在问题
孔板式调节阀交付使用几年后,在阀门出口端出现了严重的冲刷磨损(图2),影响了阀门的正常使用。经分析,介质中泥沙含量较多,在经阀瓣节流后流速较大,对壁面产生了冲刷。虽然阀瓣未发现明显磨损,但在出口端产生单侧冲刷,且对耐磨套和法兰密封面结构影响明显。
图2 孔板式调节阀出口端损坏
2.3 流场特性
针对阀门损坏情况,运用Fluent软件进行流场分析。设置边界条件时忽略流体介质重力和热传导的影响。在阀门进口端设置压力边界条件,压力值为26MPa,出口端设定为自由出流,并以进口端作为初始化条件进行计算。
经Fluent软件计算,得到了孔板式调节阀流场分布(图3)。由于流体沿着出口端一侧壁面连续冲刷,且流速达250m/s,在该速度下含沙介质对阀门壁面冲刷严重。在另一侧,流体并未对壁面发生冲刷。流场分析结果与实际现场情况相符。从流场分析中可以得到,阀门出口端流体分布不均匀,介质经阀瓣后流动明显偏向一侧,且沿壁面的流速较大,冲刷范围较大,缩短了阀门的使用寿命。
图3 孔板式调节阀速度云图
3 结构改进
经流场分析,阀门出口端一侧受到严重冲刷,与阀瓣流通结构为单侧开孔和开孔位置紧贴壁面有关。因此,将原有阀瓣的单侧扇形通道改为对称扇形通道,且通道位置向中心移动(图4)。将原扩口型耐磨套修改为阶梯型,使介质流动有向中收拢的趋势,减小对壁面的冲刷。考虑到介质通过阀瓣后产生射流,流速较大且流动紊乱,若直接冲刷壁面,会严重影响阀门的正常使用,因此在出口端安装均流罩(图5),均流罩上设有均布的小孔,可以使流场分布更合理、流态更均匀。均流罩设置在下阀座套与耐磨套之间,使介质流动向中心集中,减小对出口端的冲刷,延长阀门使用寿命。
图4 阀瓣结构
图5 均流罩
采用solidworks对改进后孔板式调节阀流道模型建模,再将模型导入Fluent软件,设置保持不变。经分析得到了孔板式调节阀流场分布(图6)。沿X方向,速度流场未出现较大波动,介质在经过均流罩后流速明显减小,未出现单侧壁面冲刷,流场分布均匀合理,而且沿壁面的流速也明显较小,有效地减低了介质对壁面的冲刷,保护了出口端法兰密封面。介质在阀芯处和均流罩处的流速较大,但与原有结构相比流速有所减小,且阀芯和均流罩材料均采用碳化钨,根据实际现场使用情况分析不会出现明显磨损。在Y方向,速度流场未出现波动,介质在经过均流罩后流态分布均匀合理,与原有结构相比有明显改善。采用新结构,可以有效地降低介质对壁面的冲刷,延长阀门的使用寿命。
图6 流场分布
4 结语
改进后的孔板节流阀结构更合理,流场冲刷作用减小,延长了阀门的使用寿命。
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