煤化工严苛工况阀门多相流冲蚀磨损-气蚀机理及预测方法研究

摘要

本文以煤化工严苛工况阀门内多相流冲蚀磨损-气蚀失效为研究对象，旨在明确复杂流动条件下阀内件的失效机理及损伤过程，并建立含气液相变的多相流冲蚀磨损-气蚀预测方法。通过工艺过程、运行状态分析、受损表面微观形貌测试，基本明确了热高分液控阀和高压黑水角阀的失效机理;通过阀门空化-空蚀实验和高温冲蚀磨损实验，研究阀门气蚀和冲蚀磨损机理，并对空化模型和颗粒冲蚀磨损模型进行修正;构建了含气液相变的多相流冲蚀磨损-气蚀数学模型，并提出阀内流动核心区域、冲蚀磨损和气蚀的表征参数;在验证数学模型和计算方法准确性的基础上，分别开展热高分液控阀和高压黑水角阀的冲蚀磨损-气蚀预测研究，获得了阀门在不同运行阶段的失效机理。与失效案例进行对比，验证了计算结果的可靠性;提出并验证了阀门流道结构的改进方案。主要研究工作如下:
　　1.煤化工阀门操作工艺及失效分析。通过工艺过程计算，获得了热高分液控阀和高压黑水角阀内多相流介质的物性参数。明确了阀门在不同运行阶段的开度变化、阀芯结构变化和失效特征。结合操作工艺、宏观和微观损伤形貌分析，基本明确了上述两种阀门的失效机理。研究成果为后续实验方案的设计、数值模型的构建、边界条件的确定及计算结果的验证奠定了基础。
　　2.阀门空化-空蚀实验、高温冲蚀磨损实验及失效机理研究。在空化实验中，获得了不同阀门开度和来流条件下阀内的非稳态空化流动特征及云空化的时-空演化机制，发现阀内非稳态空化流动结构会直接影响空蚀的区域和强度;在空蚀实验中，获得了不同开度下阀芯及阀座壁面处的空蚀损伤规律;在冲蚀磨损实验中，获得了阀门基材和表面涂层在不同冲蚀条件下的高温磨损规律。通过实验数据分析，明确了阀内的空蚀机理、阀内件表面涂层及基材的冲蚀磨损机理，为数学模型的修正提供基础数据。
　　3.构建多相流冲蚀磨损-空蚀的数学模型和计算方法。以大涡模拟方法为基础，采用流体体积分数(VOF)模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型、颗粒运动模型、冲击-反弹恢复系数模型和冲蚀磨损模型，构建多相流冲蚀磨损-空蚀的数学模型。利用阀门空化流动和高温冲蚀磨损实验数据，分别对空化模型和冲蚀磨损模型中的关键参数进行修正。分别采用旋流强度、磨损率和凝结速率对流动核心区域、冲蚀磨损和空蚀的强度进行表征，结合阀门空化-空蚀实验数据和现场失效案例，对上述参数进行验证。
　　4.热高分液控阀冲蚀磨损-气蚀的数值计算。对热高分液控阀在运行初期及其不同损伤阶段的冲蚀磨损-气蚀开展数值计算，获得上述各阶段阀内的空化流动特征及冲蚀磨损规律，揭示了阀芯在冲蚀磨损-空蚀协同作用下的失效机理。结合阀门实际失效区域和损伤过程，验证了计算结果的准确性，并提出了减小阀芯顶部球体半径的改进方案。
　　5.高压黑水角阀冲蚀磨损-气蚀的数值计算。对高压黑水角阀在运行初期及其不同损伤阶段的闪蒸过程及冲蚀磨损开展数值计算，明确了上述各阶段介质的气液相变及冲蚀磨损规律，揭示了阀内件的冲蚀磨损机理。在验证计算结果准确性的基础上，提出了提高阀门开度、增加阀门出口管道扩张角度、采用哑铃型的阀芯结构可有效抑制阀内件的冲蚀磨损。通过现场试运行，验证了上述改进方案的可靠性。
　　本文的创新性工作在于:利用阀门空化流动实验数据和高温冲蚀磨损实验数据，对空化模型和冲蚀磨损模型进行修正，并验证了计算模型和方法的准确性;研究阀芯结构的改变对冲蚀磨损-气蚀规律的影响，获得阀门在不同运行阶段的失效机理，提出并验证了阀芯及流道结构的改进方案;采用凝结速率表征阀内的空蚀损伤，结合空蚀实验数据，验证了表征参数的准确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 多相流冲蚀磨损研究

1．2．2 流动空化及空蚀机理研究

1．2．3 阀门冲蚀磨损-气蚀预测研究

1．3 论文研究内容

1．4 本章小结

第二章 煤化工阀门操作工艺及失效分析

2．1 煤化工工艺过程

2．1．1 煤直接液化工艺过程

2．1．2 煤气化制甲醇工艺过程

2．1．3 热高分液控阀的结构、材质及介质物性

2．1．4 高压黑水角阀的结构、材质及介质物性

2．2 热高分液控阀的失效分析

2．2．1 阀门失效情况概述

2．2．2 微观失效形貌分析

2．3 高压黑水角阀失效分析

2．3．1 阀门失效情况概述

2．3．2 微观失效形貌分析

2．4 本章小结

第三章 空蚀和冲蚀磨损实验及机理研究

3．1．1 实验平台及流程

3．1．2 实验设备的性能及控制参数

3．1．3 可视化试验段及模型阀门

3．1．4 空化流动图像处理方法

3．2 阀内空化流动实验研究

3．2．1 阀门开度对空化流动的影响

3．2．2 空化数对空化流动的影响

3．3 阀内空蚀试验研究

3．4 高温冲蚀磨损实验

3．4．1 高温冲蚀磨损实验平台

3．4．2 碳化钨-钴涂层冲蚀磨损实验

3．4．3 WC-Co涂层的高温冲蚀机理

3．4．4 1Cr9Mo钢的冲蚀磨损实验

3．4．5 1Cr9Mo钢的高温冲蚀磨损机理

3．5 本章小结

第四章 多相流冲蚀磨损-气蚀的数学模型和计算方法

4．1 连续相计算模型

4．1．1 多相流计算基本控制方程

4．1．2 湍流模型

4．1．3 多相流模型

4．2 空化模型

4．3 颗粒运动模型和受力分析

4．3．1 颗粒运动模型

4．3．2 流场中颗粒受力分析

4．3．3 湍流扩散对颗粒运动的影响

4．3．4 颗粒的冲击反弹恢复系数模型

4．3．5 多相流空化流动和颗粒冲蚀磨损的数值计算方法

4．4 流动参数表征方法

4．4．2 空蚀损伤的表征参数

4．4．3 材料冲蚀磨损的表征参数

4．5．1 阀内流通能力计算的可靠性验证

4．5．2 空化流动计算的可靠性验证

4．5．3 空蚀计算的可靠性验证

4．5．4 颗粒冲蚀磨损的可靠性验证

4．6 本章小结

第五章 热高分液控阀冲蚀磨损-气蚀的数值计算

5．1．1 多相流介质的空化流动

5．1．2 热高分液控阀冲蚀磨损-气蚀预测

5．2 冲蚀磨损-气蚀预测的验证

5．3 热高分液控阀失效过程分析

5．4 热高分液控阀阀芯结构改进

5．5 本章小结

第六章 高压黑水角阀冲蚀磨损-气蚀的数值计算

6．1．1 阀内多相流介质流动分析

6．1．2 阀内介质的闪蒸过程分析和气蚀预测

6．1．3 高压黑水角阀的冲蚀磨损预测

6．2．1 不同运行阶段阀内多相流动分析

6．2．2 运行过程中的冲蚀磨损-气蚀预测

6．3 高压黑水角阀改造及结构改进

6．3．1 阀门线路改造

6．3．2 阀芯及流道结构改进

6．4 高压黑水角阀改进效果验证

6．5 本章小结

7．1 本文的研究工作总结

7．2 后续研究工作展望

参考文献

符号说明

攻读博士期间的学术成果

致谢