隨著石化工業(yè)的快速發(fā)展，流體介質(zhì)的輸送工況呈現(xiàn)出復(fù)雜化、多樣化的趨勢。調(diào)節(jié)閥在管線中起到節(jié)流控制的關(guān)鍵作用。為此，對(duì)閥門結(jié)構(gòu)性能的要求也提到一個(gè)非常重視的程度。為了提高能耗比，流體控制設(shè)備逐步向大型化方向發(fā)展，大口徑高壓差調(diào)節(jié)閥需求也越來越多。目前，在閥門市場領(lǐng)域中，國產(chǎn)大口徑高壓調(diào)節(jié)閥的生產(chǎn)供給遠(yuǎn)不能滿足逐步增長的市場需求，特別是針對(duì)特殊工況的高壓閥，客戶端的目光多轉(zhuǎn)向進(jìn)口閥門。

　　相比一般的調(diào)節(jié)閥，大口徑高壓差調(diào)節(jié)閥具有公稱直徑較大、流量系數(shù)高以及伴隨著較大壓差的特點(diǎn)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為如果降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，不僅不能很好地滿足現(xiàn)場工況需求，而且會(huì)引起較大的噪聲和振蕩，對(duì)環(huán)境造成污染的同時(shí)，閥門的壽命也會(huì)大幅縮短。

　　文中對(duì)本公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一臺(tái)ANSI900、DN300高壓差調(diào)節(jié)閥的實(shí)際工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過不同結(jié)構(gòu)的噪聲衰減情況分析，提出了一種降壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1、高壓調(diào)節(jié)閥簡介

　　ANSI900、DN300調(diào)節(jié)閥參數(shù)：公稱直徑300mm，公稱壓力ANSI900，流量系數(shù)Cv=240，介質(zhì)為天然氣，介質(zhì)溫度40℃;閥前壓力p1=9.35MPa，閥后壓力p2=0.4MPa，壓差值Δp=8.9MPa;閥體材質(zhì)為ASTMA216(WCC)，相當(dāng)于國產(chǎn)材料ZG270-485。

　　計(jì)算參數(shù)：計(jì)算壓力p按閥門公稱壓力，取p=15.0MPa，閥體中腔最大直徑Dn=382mm，許用壓力[σL]=82.0MPa。

2、閥體設(shè)計(jì)

　　2.1、厚度設(shè)計(jì)

　　閥體是閥門中最重要的零件之一，功能如下：①作為工作介質(zhì)的流動(dòng)通道。②承受工作介質(zhì)壓力、溫度、沖蝕和腐蝕。③閥體內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)空間，設(shè)置閥座，以容納啟閉件、閥桿等零件。④閥體端部設(shè)置連接結(jié)構(gòu)，滿足閥門與管道系統(tǒng)安裝使用要求。⑤承受閥門啟閉載荷和在安裝使用過程中因溫度變化、振動(dòng)、水擊等影響所產(chǎn)生的附加載荷。⑥閥門總裝配的基礎(chǔ)。

　　中、高壓閥體閥門壁厚采用以下公式計(jì)算：

　(1)

　　式中，S′B為閥門設(shè)計(jì)厚度;Dn為閥門計(jì)算內(nèi)徑，mm;p為計(jì)算壓力，[σL]為材料在設(shè)計(jì)工況溫度下的許用拉應(yīng)力，MPa;c為附加的裕量，mm。

　　將p=15.0MPa、Dn=382mm、[σL]=82MPa、c=10mm代入式(1)，得到S′B=43mm。設(shè)定SB為閥體實(shí)際厚度，取SB=48mm。

　　2.2 壁厚驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證閥體在極限條件下的強(qiáng)度，用實(shí)際工況壓力來驗(yàn)算整個(gè)閥體內(nèi)腔壁厚。將p1=9.35MPa帶入式(1)，其余參數(shù)不變，得到S≈30mm，小于閥體實(shí)際壁厚SB=48mm。由此確定，理論設(shè)計(jì)的壁厚滿足工況所需強(qiáng)度要求。

　　根據(jù)初步設(shè)計(jì)建立閥體模型，導(dǎo)入CFD軟件。參數(shù)設(shè)置時(shí)將閥體法蘭兩端螺栓孔設(shè)為固定，在整個(gè)內(nèi)腔表面加載靜壓力為9.35MPa的法向壓力進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。

　　閥體剖切面von　Mises(等效應(yīng)力)應(yīng)力云圖見圖1，閥體剖切面URES(合位移)位移云圖見圖2。

圖1 閥體剖切面von　Mises(等效應(yīng)力)應(yīng)力云圖

圖2 閥體剖切面URES(合位移)位移云圖

　　從圖1可以看出，最大應(yīng)力的數(shù)值為171.49MPa，出現(xiàn)在上部主腔和管腔交界處，小于屈服應(yīng)力253.1MPa，安全系數(shù)約為1.48，此數(shù)值小于閥體設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.5，符合要求。

　　從圖2可以看出，最大合位移約為0.18mm，出現(xiàn)在閥體內(nèi)腔底部，該位移量小于0.001DN(0.3mm)，也符合設(shè)計(jì)要求。

　　綜合有限元模擬數(shù)據(jù)可知，初步設(shè)計(jì)的閥體壁厚完全滿足實(shí)際的工作壓力，其強(qiáng)度可靠。

　　3 壓降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬優(yōu)化

　　按實(shí)際工況p1=9.35MPa、p2=0.4MPa、t=40℃進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)理論計(jì)算，初步設(shè)計(jì)為4級(jí)臺(tái)階孔的鼠籠結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 鼠籠降壓結(jié)構(gòu)

　　采用CFD軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，該算例中選用大渦(LES)模型。為簡化模型，減少數(shù)值計(jì)算時(shí)間，選取一半模型進(jìn)行模擬(若需計(jì)算閥門流量系數(shù)，按一半模型模擬后，結(jié)果乘以2可得)，并將對(duì)稱面設(shè)為Symmetry邊界條件，管道壁面默認(rèn)為無滑移固壁Wall邊界條件。

　　采用LES湍流模型計(jì)算脈動(dòng)壓力，其中壓力-速度耦合方式均取為PISO，壓力的離散格式取為PRESTO!，動(dòng)量方程的離散格式取為BCD。

　　經(jīng)過分析計(jì)算，得到未加節(jié)流孔板對(duì)稱面壓力分布矢量圖，見圖4。

圖4 未加節(jié)流孔板對(duì)稱面壓力分布矢量圖

　　從圖4中可以看出，套筒內(nèi)外壓降較大，壓力梯度變化明顯，4級(jí)節(jié)流孔處有7.0MPa壓差，由此導(dǎo)致節(jié)流孔處介質(zhì)流動(dòng)馬赫數(shù)較大，產(chǎn)生很大噪音，并在節(jié)流后的閥體中腔形成較大的渦流，也由此產(chǎn)生了較大的噪音。為此，控制渦流強(qiáng)度是降低噪音的直接手段。

　　為改善流場的分布，加大流阻系數(shù)，在閥門出口端加一個(gè)多孔節(jié)流板，采用如上同樣的參數(shù)設(shè)置，數(shù)值計(jì)算后的加節(jié)流孔板后對(duì)稱面壓力分布矢量圖見圖5。

圖5 加節(jié)流孔板后對(duì)稱面壓力分布矢量圖

　　從圖5中可以看出：①在閥門出口增加節(jié)流孔板后，節(jié)流孔板處承擔(dān)了一部分壓降。節(jié)流板前α處靜壓力為2.73MPa，節(jié)流板后b處靜壓力為0.85MPa，實(shí)現(xiàn)1.9MPa左右壓降。②閥中心節(jié)流處壓降梯度緩解，4級(jí)臺(tái)階孔分擔(dān)5.0MPa壓降，這也使節(jié)流孔出口流速降低。③介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流孔板，梳流的作用減少了渦的數(shù)量與強(qiáng)度。

　　由此可見，節(jié)流孔板對(duì)于改善高壓差流場有明顯的效果。

4、噪聲預(yù)測

　　當(dāng)氣體或蒸汽流過節(jié)流孔時(shí)，產(chǎn)生渦旋脫離聲，其中在節(jié)流面最小處可能達(dá)到或超過聲速，易形成沖擊波、噴射流、渦旋流的凌亂流體及巨大沖擊力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞管道。當(dāng)氣體介質(zhì)流動(dòng)受阻時(shí)，高速氣體的迅速膨脹和突然減速以及流動(dòng)氣體方向的改變等都能造成紊流現(xiàn)象，大部分的能量能夠轉(zhuǎn)變成不損害閥門的氣體動(dòng)力噪聲。

　　模擬計(jì)算時(shí)，通過在軸向方向設(shè)置8個(gè)不同的點(diǎn)，來探測氣流噪聲強(qiáng)弱分布趨勢。沿著管道中心，從進(jìn)口到出口依次設(shè)置(原點(diǎn)位于閥芯中心與管道中心交點(diǎn)位置，“-”表示設(shè)置點(diǎn)在介質(zhì)流出方向)：x1=0.69m、x2=0.193m、x3=0.125m、x4=0、x5=-0.125m、x6=-0.193m、x7=-0.511m、x8=-0.726m。

　　經(jīng)過模擬計(jì)算，可以得到沿x軸截面分布的8個(gè)不同點(diǎn)的聲壓級(jí)檢測結(jié)果。出口無節(jié)流孔板和增加節(jié)流孔板時(shí)，最小開度下軸向設(shè)置點(diǎn)聲壓級(jí)分布曲線圖見圖6。

圖6 最小開度下閥門軸向設(shè)置點(diǎn)聲壓級(jí)分布曲線圖

　　從圖6中可以看出：①閥門中心產(chǎn)生的聲壓級(jí)在增加節(jié)流孔板后降低了約16dB。在保證流量系數(shù)的條件下，增加節(jié)流孔板后加大了閥門的流阻系數(shù)，就使得閥門的開度提高，增大節(jié)流面積，有效降低了閥門中心處節(jié)流孔的速度。②節(jié)流孔板處承擔(dān)了一部分壓降，閥門中心節(jié)流處的壓降有所緩和，閥門振動(dòng)強(qiáng)度也相應(yīng)減弱，這在中心聲壓級(jí)的變化上得以體現(xiàn)。③噪聲再經(jīng)閥體壁厚的隔離作用和空間位置的輻射后，對(duì)工作人員的噪聲污染也大幅降低了。

5、結(jié)語

　　閥門的降壓效果與其阻尼大小是成正比的。當(dāng)壓差過高時(shí)，通過適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)的阻尼或采用分級(jí)降壓的理論，可實(shí)現(xiàn)壓降及介質(zhì)流速的減小，從而達(dá)到改善流場分布、降低振動(dòng)強(qiáng)度以及削減噪音的節(jié)能目的。

　　增大阻尼的方式有很多種，如增加節(jié)流孔板、采用多層套筒結(jié)構(gòu)等。

　　在保證節(jié)流面積的前提下，減小節(jié)流孔徑，能起到很好的降噪效果。

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