方心形流道金属密封耐磨球阀振动特性理论研究的研究

摘要：

在煤化工中，输送高温、高压、大流量和含有固体颗粒的介质的管道中阀门的工作条件最差。目前，煤炭液化装置使用的金属密封耐磨球阀大部分为进口产品。进口产品虽然技术比较成熟，但质量参差不齐。此外，此类阀门价格昂贵，供货周期长，难以满足市场需求。但我国此类阀门的抗振性、耐磨性和密封性能无法得到保证，亟待解决。针对这一重要课题，本文以煤化工金属密封耐磨球阀国产化为背景，深入探究该类型阀门的核心部件结构，并进行结构优化，以解决该类阀门的核心部件结构问题。金属密封球阀高频振动等技术问题，实现该类型阀门的国产化。

本文首先分析了金属密封耐磨球阀的振动机理，并建立了数学模型。在理论的指导下，经过计算，得到了固有频率和共振条件的公式。分析了金属密封耐磨球阀的结构参数和流量参数对其固有频率的影响，通过调整结构尺寸和改变固有频率来优化金属密封耐磨球阀的结构。频率，以防止共振。根据煤化工工况要求，自主设计了中心方形流道金属密封耐磨球阀。

阀球和阀座采用独特的360°逐级镜面研磨技术，可以在阀球和阀座之间形成镜面真空状态，其密封性能仍能得到保证。频繁切换。 此外，阀球和阀座采用金刚石喷涂技术，可显着提高其硬度和耐腐蚀性。通过对金属密封耐磨球阀关键结构的优化设计，强度校核和抗振校核，确定了阀门结构尺寸，以及阀门的使用性能和阀门的连续稳定运行。煤化工厂得到保障。通过数值模拟发现，在相同条件下，本课题设计的方形心形流道金属密封耐磨球阀的阀球和阀座关键部位受到的冲击力更大。比普通圆形流道的金属密封更耐腐蚀。球阀减少，耐磨性提高，使用寿命大大延长。

另外，通过对振动特性的数值模拟，得出流体固有频率的分析值不满足阀门共振条件，进一步验证了阀门振动特性理论研究的正确性整体高温球阀，并减少了高频振动对阀门的影响和危害，提高了阀门的性能。最后进行压力试验和模拟工况试验。实验结果表明，所设计的阀门在煤化工耐磨工况下动作灵活，无卡阻现象。阀球阀座密封副的密封性能和阀杆柔性石墨环组合盘根的密封性能优良。喷涂层具有良好的耐冲刷性和耐磨性，在耐磨条件下不脱落。且阀门在管道系统中运行平稳三个月无共振，满足本文自主研发的高性能阀门的设计要求。

关键词：金属密封耐磨球阀，振动，结构优化，数值模拟

第一章介绍

1.1 项目背景及其意义

1.1.1 题目的背景和来源

能源是衡量一个国家实力的标准之一。近年来，我国能源消耗日益增加，国外进口增加，对我国经济发展造成巨大压力。随着我国国民经济持续快速发展，能源化工产品需求持续增长，其中煤化工和石油化工在能源化工中占有重要地位。煤液化是21世纪我国煤化工发展的一项新技术。煤炭液化项目对我国经济发展和国防建设具有重要意义。煤炭液化技术一方面提高了我国煤炭的综合、高效、清洁利用，另一方面推动了国内严苛条件下阀门的优化设计、生产和制造，也提高了我国煤炭的综合利用效率。专业装备制造能力，加快发展特种金属材料产业。发展。

煤化工的生产设备主要由反应器、加热炉、塔、罐、蒸馏器和管道系统组成。阀门是重要的控制设备之一。一旦阀门出现故障，就会引发火灾、爆炸等安全事故，造成巨大的经济损失。近年来，金属密封耐磨球阀技术发展迅速，广泛应用于大型煤化工设备，包括煤制油、煤制烯烃等装置。在一些特殊工况和介质场合，如煤化工气化装置上锁斗阀的耐磨工况。

该工况下流经阀门的介质混合物成分非常复杂，其中氯离子浓度很高，含有大量固体颗粒介质，因此对阀门的密封性能提出了更高的要求。阀门；颗粒状介质在高温高压下容易进入阀座与阀球之间的密封间隙，导致阀球和阀座运动失灵，导致阀门锁死甚至内漏。不能使用传统阀门，如闸阀、蝶阀和截止阀。对于含有固体颗粒的高温高压介质，金属密封耐磨球阀是目前普遍认可的阀门。这主要是因为该类型阀门具有良好的耐磨性和密封性，质量安全可靠，使用寿命长。此外，金属质​​地坚硬，可有效防止腐蚀发生。

在煤化工中，管道经常输送高温、高压、大流量，并含有固体颗粒、有毒气体等介质。如果阀门产生共振，将对阀门和管道造成巨大的冲击力，从而导致阀门损坏和泄漏。一旦阀门泄漏，整个生产装置将被迫停产，经济效益将受到严重影响。另外，如果有有毒介质的工况，从阀门泄漏的有毒气体会从管道中渗出，导致工作人员窒息死亡。此外，煤化工行业常伴有高温高压。易燃易爆介质泄漏会引起火灾甚至爆炸，造成重大人员伤亡，危及人民生命财产安全。到目前为止，这个技术问题还没有完全解决。因此，有针对性地开发高效、低成本、抗振性和密封性能好的金属密封耐磨球阀是煤化工行业面临的重大课题。

目前，煤液化装置中使用的金属密封耐磨球阀大部分是国外厂家的产品。国外产品虽然很成熟，但进口产品质量参差不齐，质量好的可以用。 5年、10年甚至更长，质量差的连试车都过不去，连口碑好的品牌的质量近年来也逐年下降，而且这种阀门价格昂贵，使用寿命长供应周期。 ，难以满足市场需求。针对这一问题，课题组总结大量文献，结合自身研究成果，对金属密封耐磨球阀结构进行优化，以解决金属密封耐磨球阀高频振动的技术难题。密封球阀，实现此类阀门的国产化。

1.1.2 题目的意义

金属密封耐磨球阀是煤化工、石油化工、能源等领域的重要设备。随着金属密封耐磨球阀技术的发展，其应用领域和应用范围将更加广泛。根据前人研究，基于水声学原理和瞬态流动理论，在传统耐磨球阀的基础上，自主设计了一种新型金属密封耐磨球阀，以减少磨损和损坏。振动引起的。进一步提高了金属密封耐磨球阀的性能。本课题设计的金属密封耐磨球阀结构如图1.1所示。主要结构包括阀盖、左阀座、阀球、阀杆、右阀座和阀体。为了消除共振等因素造成的危害，本文对阀门结构进行了优化。阀道采用扩径结构，增加了流道面积，减少了介质对阀座的冲刷。在保证流量相同的情况下，将阀球的圆形流道改为方形心形流道，增加密封面积。使阀门运行更稳定，延长阀门使用寿命。

图1.1金属密封耐磨球阀结构

图。 1.金属耐磨球阀1

近年来，随着计算机技术和流体力学应用技术的发展，带动了阀门内部流场数值模拟的发展，逐渐形成了理论与实验并行的新研究。方法。由于金属密封耐磨球阀的优化结构与模拟工况和实验参数密切相关，需要通过大量实验来确定，研究进展缓慢。数值模拟的发展改善了这种情况。本文采用ANSYS软件对模拟工况参数进行设置，得到阀门内部流场的变化情况，避免了实验研究中的弯路，节省了研究的时间和精力。

本课题以有限元分析为解决方案，通过比较流场状态、压力、速度等参数，得到阀芯的压力和磨损情况。通过对比分析，优化了阀门结构，并通过仿真工况试验验证了仿真的可靠性。本文的研究成果有望提高金属密封耐磨球阀的抗振性、耐磨性和密封性能，延长阀门的使用寿命，降低阀门的研究和测试成本，优化其结构设计、表面喷涂技术和预紧力的应用。也可为其他阀门密封设计和失效预测提供理论依据。

本课题的理论意义在于以性能最优为目标的金属密封耐磨球阀的设计。该阀门的结构为该类阀门的国产化提供了理论依据，具有一定的实际应用价值。其社会意义在于如果能够解决技术问题并实现工业化应用，将大大提高该类阀门的性能，节省化工设备成本，设备长期稳定运行，从而实现可持续发展的目标。

1.2国内外研究趋势及水平

1.2.1 球阀简介

1950 年代出现的一种新型阀门。在短短的几十年里，球阀已经发展成为一个主要的阀门类。由于结构简单、体积小、重量轻、密封性能强、安装空间小、成本低，球阀在各个领域的应用得到了迅速的发展。特别是在美国、德国、法国等工业发达的国家，球阀的使用更为广泛，其技术不断升级，需求进一步扩大，用于高温等恶劣工况，高压，大直径和耐磨性。发展。其产品的可靠性和性能指标已达到先进水平，已逐步取代部分闸阀、截止阀和节流阀。广泛使用。

球阀，顾名思义，启闭部分是一个由阀杆带动的球体，通过旋转90度实现启闭。球面与通道开口的比例应相同，即当球体旋转90度时，所有球面应存在于入口和出口处，从而截断流动。球阀主要用于截断、分配和改变管道中介质的流向。一般认为球阀最适合用作截止阀。随着近几年的发展，球阀被设计成一种具有节流和流量控制的调节阀，应用更为广泛。按球阀的结构可分为固定球阀和浮动球阀，如图1.2、图1.3。在固定球阀中，阀杆和下固定轴支撑阀球，使三者在同一中心线上。

这种阀的优点是在90度切换时不受压力影响，使阀球横向移动。此外，固定球阀扭矩小，阀座变形小，密封性能稳定，使用寿命长，因此固定球阀可用于高温、高压、大口径工况。固定球阀在启闭过程中，阀前流体压力对阀球产生的力全部传递给轴承，不会造成阀球和阀座卡死，并被广泛使用。浮动球阀主要由阀杆、阀座、阀球、阀体和阀盖组成。由于该类阀门的阀球只与阀杆连接，不与下固定轴连接，因此阀球与阀座靠介质压力配合实现密封。因此，浮动球阀的工作范围是有限的。由于球的直径随着阀孔的增大而增大，所以阀球的重量过重，由于流体产生的压力不均匀而使浮动球阀泄漏。因此，浮动球阀只适用于阀门口径不超过150mm的工作范围。

图1.2 固定球阀结构

图。 1.2固定球阀图。

图1.3浮动球阀结构

1.球阀3

1.2.2 国内外金属密封耐磨球阀相关研究趋势及水平

为了满足高温、高压、强腐蚀、强磨损、固体颗粒等要求，近年来金属密封耐磨球阀的相关技术发展迅速，特别是在发达国家如美国，球阀的密封形式和结构不断创新，如应用煤化工输送管道上的全焊接固定球阀；用于催化裂化装置的升降杆式球阀，金属密封耐磨球阀的技术达到了一个新的水平。金属密封耐磨球阀的特点是工作温度范围宽，用于密封的各种金属的热膨胀系数很低，可以很好地保证高温下的性能。常用的金属密封阀座和阀球一般都采用硬度比较高的材料，表面喷涂的技术要求也非常严格，并且保证阀球的加工精度和圆度处于真空状态-紧的状态。目前国外金属密封耐磨球阀的技术水平比较成熟，但也存在不少缺陷。其中，国外品牌主要有德国阀门、美国阿格斯、莫加斯阀门等。

德国金属密封耐磨球阀，其特点是采用固定式结构，双阀座完成双向密封。但其缺点在于采用定向磨球工艺。一方面，定向研磨阀球的圆度不够。如果开关不到位，容易造成阀门局部泄漏；另一方面，阀球的圆度不够。在快速切换过程中，如果阀座预紧力过大，容易造成阀球和阀座的划伤和磨损，导致阀门泄漏。

美国莫加斯金属密封耐磨球阀采用浮动单向密封结构。但它的缺点是在高温下容易变形。由于副阀座处没有密封设计，一旦主阀座与阀体密封面发生变形，将直接造成泄漏，介质从中心腔渗入阀后座位造成擦伤。并且阀座和阀球的硬化层为碳化铬，碳化铬的硬度为60HRC，与煤化工催化剂介质的硬度基本相同，在切换过程中易磨损。

阿格斯金属密封耐磨球阀采用内固定结构设计，可有效减少阀门泄漏点，达到更好的密封性。但其缺点是内固定设计有上下两个定位块。定位块直接影响阀腔的大小。在颗粒状介质的情况下，介质很容易进入阀腔并积聚合资阀门品牌，从而导致阀门卡死，导致整个装置失效。操作，后果很严重。

此外，国内相关技术人员在金属密封耐磨球阀的技术方面做了很多改进和创新。李旺顺、吴海关于金属密封耐磨球阀的相关专利中介绍了一种在高温下使用的金属密封耐磨球阀，结构如图1.4。该阀结构设计简单，主要由阀体、阀盖、阀球、阀座和阀杆组成。阀门的密封性能和使用性能。另外，阀体与阀座之间有一定的间隙，由碟形弹簧提供预紧力，保证阀球在高温下可以自由移动而不锁死。黄兴福、毛竹峰介绍了一种用于煤化工的金属密封耐磨球阀，如图1.5。阀门结构以顶装式结构为主，拆卸方便。阀座与阀球密封面喷涂硬质合金，厚度可达1.5mm，结构致密，密封性能好。

图1.4高温金属密封耐磨球阀结构图

图。 1.4 高金属

耐磨球阀

图片1.5煤化工金属密封耐磨球阀结构

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图。 1.5 煤金属

耐磨球阀

阀门相关技术文献介绍了一种传统的陶瓷耐磨球阀结构。该阀采用浮动结构，主要由阀球、阀座、阀杆和耐磨衬套组成。阀球和阀座采用陶瓷制成，硬度高，耐磨性好，耐腐蚀性好。在含有颗粒介质的情况下，应用效果好。国内很多装置的排灰系统都采用这种陶瓷耐磨球阀，应用广泛。

郑祖辉推出双密封金属密封耐磨球阀。该阀采用典型的固定结构，其特点是金属硬密封面上有环形矩形槽，槽内装有非金属垫片，形成双重密封，实现双重保险，提高了阀门的密封。表现。阀球和阀座密封面采用司太立合金堆焊，硬度可达55HRC。

刘光宇介绍了一种用于泥浆介质工况的金属密封耐磨球阀。阀门采用固定式结构，阀座采用稳定性强的高分子材料。阀球表面喷镍合金，可有效防止介质冲刷造成的磨损，阀体流道内嵌2205双向不锈钢耐磨衬套。具有良好的耐磨性和耐冲刷性，广泛应用于煤化工系统。

卢仁昌等人。推出固定式金属密封耐磨球阀。该阀的结构是阀座端面为环形面，阀座与阀体之间的密封由聚四氟乙烯制成的密封垫片实现，可有效提高密封性能和使用性能密封性能可达到V级以上。此外，阀球采用硬质合金喷涂和氮化处理，耐磨性得到有效提高。综上所述，国内外金属密封耐磨球阀的密封结构多种多样，根据不同的工况和密封要求选择合理的结构，以满足性能要求，保证长期稳定运行设备。

国产金属密封耐磨球阀经过几十年的研发和使用，已经能够满足气化炉、锁渣斗、连续重整、催化裂化等工况的应用要求，但消除共振等关键技术尚未解决。本课题将深入研究金属密封耐磨球阀的结构，解决高频振动等技术难题，实现该类阀门的国产化。

1.2.3 国内外与阀门振动相关的研究趋势和水平

阀门振动在整个管道系统的振动中占相当大的比例。当流体通过阀门的流道时，阀腔内流体介质的流动状态发生剧烈变化。由于阀门的节流和截止功能，流体在阀体内发生剧烈振动和冲击，压力和速度不断变化。从流体动力学的角度来看，流体在阀前具有很高的压力势能。通过阀门通道时，流体速度增加，将势能转化为动能；同时，一部分能量转化为声能，从而产生振动。根据诱发因素的不同，主要分为机械振动、流体动力振动等。

国外研究人员利用流量可视化技术研究了阀门的位移和流量，并在实际工况下进行了改进和观察。阀门周围的湍流通过计算流体动力学模拟求解，假定为具有粘性的不可压缩三维流体。使用模拟系统中的标准 k 湍流模型对脉动压力、流速和阀门位移进行数值模拟分析。通过计算流体动力学计算，将流动可视化结果与阀门振动进行比较，对阀门进行结构优化。

阀门专业人员对截止阀执行模态分析，以计算其固有频率和模态形状。在模态分析的基础上，通过施加激励载荷对阀门进行谐波响应分析。分析曲线与理论振动响应函数曲线一致，阀门在正常工作状态下，对内部振动区域进行了讨论，对其结构进行了优化。

王鑫等人。应用模态试验和有限元数值模拟相结合的分析方法研究阀门的自振特性，指导阀门结构的动态优化设计，并通过水弹性模型试验研究阀门的流激振动特性. 阀门自振频率实验值与计算值吻合较好，振型完全一致；结构优化后，基频明显提高，完全脱离水流脉动的高能区，流激振动响应小，不会造成伤害。许多研究人员分析了低温波纹管阀门振动过程中单点激励下的模态、振动特性和应力，研究了低温阀门在同时密封压力载荷和随机振动激励下的动态特性整体高温球阀，并获得了复杂载荷作用下的结果。通过实验验证了波纹管的应力分布，对低温波纹管阀门的设计具有一定的指导作用。

于晓明等。运用有限元分析方法对产品的振动特性进行分析，探讨了利用三维有限元分析软件对阀门振动特性进行数值模拟的基本思路和流程。同时采用三维有限元计算方法，对阀门总成进行整体计算阀门厂家，对接触面进行处理，解决了计算量与精度的矛盾。

1.3 本课题主要工作

本课题的研究工作主要分为理论分析、结构优化设计、数值模拟和实验验证四个部分。研究了金属密封耐磨球阀。

(1）本课题基于水声原理和瞬态流动理论，建立数学模型研究煤化工金属密封耐磨球阀的高频振动机理。振动机理研究包括：振动特性理论研究、固有频率计算、振动成因及阀门共振条件等。

(2）根据相关阀门标准，对金属密封耐磨球阀的原理和结构进行了研究，设计了方形心形金属密封耐磨球阀，并进行强度校核和抗振校核，确定阀门结构尺寸。此外，研究金属密封耐磨球阀的喷涂工艺和材料选择，以确保阀门的性能和煤化工的持续稳定运行植物。

(3）使用ANSYS软件，选择合适的型号，对普通圆形金属密封耐磨球阀和方形心形金属密封耐磨球阀的内部流场进行数值模拟对其动态特性进行研究，并对振动特性进行数值模拟，得到流体固有频率的分析值，验证振动特性理论研究的正确性，从而减少高频振动对流体的影响。阀门。影响和危害。

(4）Test and the metal- wear- ball valve in this . Carry out test to the valve to its and . test was out to its state under , and its anti- and life were .