煤化工嚴苛工況閥門多相流沖蝕磨損--氣蝕機理及預(yù)測方法研究.pdf

1、本文以煤化工嚴苛工況閥門內(nèi)多相流沖蝕磨損-氣蝕失效為研究對象，旨在明確復(fù)雜流動條件下閥內(nèi)件的失效機理及損傷過程，并建立含氣液相變的多相流沖蝕磨損-氣蝕預(yù)測方法。通過工藝過程、運行狀態(tài)分析、受損表面微觀形貌測試，基本明確了熱高分液控閥和高壓黑水角閥的失效機理;通過閥門空化-空蝕實驗和高溫沖蝕磨損實驗，研究閥門氣蝕和沖蝕磨損機理，并對空化模型和顆粒沖蝕磨損模型進行修正;構(gòu)建了含氣液相變的多相流沖蝕磨損-氣蝕數(shù)學(xué)模型，并提出閥內(nèi)流動核心區(qū)域、

2、沖蝕磨損和氣蝕的表征參數(shù);在驗證數(shù)學(xué)模型和計算方法準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，分別開展熱高分液控閥和高壓黑水角閥的沖蝕磨損-氣蝕預(yù)測研究，獲得了閥門在不同運行階段的失效機理。與失效案例進行對比，驗證了計算結(jié)果的可靠性;提出并驗證了閥門流道結(jié)構(gòu)的改進方案。主要研究工作如下:
　　1.煤化工閥門操作工藝及失效分析。通過工藝過程計算，獲得了熱高分液控閥和高壓黑水角閥內(nèi)多相流介質(zhì)的物性參數(shù)。明確了閥門在不同運行階段的開度變化、閥芯結(jié)構(gòu)變化和失效特征。

3、結(jié)合操作工藝、宏觀和微觀損傷形貌分析，基本明確了上述兩種閥門的失效機理。研究成果為后續(xù)實驗方案的設(shè)計、數(shù)值模型的構(gòu)建、邊界條件的確定及計算結(jié)果的驗證奠定了基礎(chǔ)。
　　2.閥門空化-空蝕實驗、高溫沖蝕磨損實驗及失效機理研究。在空化實驗中，獲得了不同閥門開度和來流條件下閥內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)空化流動特征及云空化的時-空演化機制，發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)非穩(wěn)態(tài)空化流動結(jié)構(gòu)會直接影響空蝕的區(qū)域和強度;在空蝕實驗中，獲得了不同開度下閥芯及閥座壁面處的空蝕損傷規(guī)律;在

4、沖蝕磨損實驗中，獲得了閥門基材和表面涂層在不同沖蝕條件下的高溫磨損規(guī)律。通過實驗數(shù)據(jù)分析，明確了閥內(nèi)的空蝕機理、閥內(nèi)件表面涂層及基材的沖蝕磨損機理，為數(shù)學(xué)模型的修正提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　3.構(gòu)建多相流沖蝕磨損-空蝕的數(shù)學(xué)模型和計算方法。以大渦模擬方法為基礎(chǔ)，采用流體體積分數(shù)(VOF)模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型、顆粒運動模型、沖擊-反彈恢復(fù)系數(shù)模型和沖蝕磨損模型，構(gòu)建多相流沖蝕磨損-空蝕的數(shù)學(xué)模型。利用閥門

5、空化流動和高溫沖蝕磨損實驗數(shù)據(jù)，分別對空化模型和沖蝕磨損模型中的關(guān)鍵參數(shù)進行修正。分別采用旋流強度、磨損率和凝結(jié)速率對流動核心區(qū)域、沖蝕磨損和空蝕的強度進行表征，結(jié)合閥門空化-空蝕實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場失效案例，對上述參數(shù)進行驗證。
　　4.熱高分液控閥沖蝕磨損-氣蝕的數(shù)值計算。對熱高分液控閥在運行初期及其不同損傷階段的沖蝕磨損-氣蝕開展數(shù)值計算，獲得上述各階段閥內(nèi)的空化流動特征及沖蝕磨損規(guī)律，揭示了閥芯在沖蝕磨損-空蝕協(xié)同作用下的失效機

6、理。結(jié)合閥門實際失效區(qū)域和損傷過程，驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并提出了減小閥芯頂部球體半徑的改進方案。
　　5.高壓黑水角閥沖蝕磨損-氣蝕的數(shù)值計算。對高壓黑水角閥在運行初期及其不同損傷階段的閃蒸過程及沖蝕磨損開展數(shù)值計算，明確了上述各階段介質(zhì)的氣液相變及沖蝕磨損規(guī)律，揭示了閥內(nèi)件的沖蝕磨損機理。在驗證計算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，提出了提高閥門開度、增加閥門出口管道擴張角度、采用啞鈴型的閥芯結(jié)構(gòu)可有效抑制閥內(nèi)件的沖蝕磨損。通過現(xiàn)場試運行