CN103062464A - 供耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件，其中阀芯组件包括：阀芯头部、阀芯内置节流件、阀芯尾部。所述的阀芯内置节流件的水平段插入阀芯头部的中心孔内，阀芯内置节流件的竖立段嵌入阀芯头部与阀芯尾部连接所形成的孔中。所述的阀芯组件，通过阀芯内置节流件形成了介质从阀芯外和阀芯内两个流道的分流传输，可有效降低阀芯受到的空蚀和冲蚀磨损破坏；采用所述阀芯组件的调节阀，其阀后流动分布的对称性更好，可降低阀后管道冲蚀磨损率，在同等传输条件下减小了调节阀尺寸，适用于含固、高压差、负压出口等传输工况，结构简单、易于推广。

Description

供耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件

技术领域

本发明涉及一种耐空蚀和冲蚀磨损阀芯组件，具体地说是涉及一种应用于高压差、负压出口工况高速传输液-固两相或气-液-固三相介质的调节阀使用的阀芯组件。 

背景技术

调节阀又称控制阀，在过程控制系统中由动力操纵，调节流体流量的装置。它用来调节流动介质以补偿负载扰动，从而使得被控制的过程变量(压力、流量、液位等)尽可能靠近需要的设定点，是组成工业过程控制系统的重要环节，广泛应用于煤化工、石油化工、冶金、发电等领域。 

角形阀即角阀，相对其它类型调节阀具有较好的抗冲蚀磨损能力，是含固、高压差、负压出口等传输工况中首选的一种调节阀，并得到了广泛的应用。专利号为US20120161054A1的美国专利公开了一种煤液化系统中使用的角阀。该调节阀在煤液化系统的高压差或负压出口条件下传输液-固两相介质时，节流引起介质的空化使调节阀流道内形成了气-液-固三相介质的高速传输，从而对阀芯、阀座和阀后管道造成了剧烈的破坏，阀门寿命仅为数十天，已成为煤液化系统安全、长周期运行的技术瓶颈。 

通过查阅相关文献，目前应用于含固、高压差、负压出口等液-固两相或气-液-固三相传输工况用调节阀的不足主要在于： 

(1)阀芯、阀座和阀套整体采用硬质合金等耐磨材料，阀芯为实体，在高压差条件下，阀芯在流动不平衡力作用下将产生强烈振荡，由于硬质合金材料脆性大，容易造成阀芯破裂。 

(2)阀座和阀套整体采用硬质合金等耐磨材料，阀芯基体采用合金钢材料且为实体，阀芯表面采用堆焊硬质合金等方式来提高其抗冲蚀磨损和空蚀等破坏的性能。在高压差条件下，阀芯节流表面存在严重的冲蚀磨损；节流表面下游附近区域有节流加速产生的空化区，阀芯顶部附近的流道结构变化产生了逆压梯度，引起传输介质的流动分离，导致了介质高速回流，同时阀芯顶部为介质滞止压力区，该区内压力较高，从而为空蚀提供了条件，阀芯顶部表面受到回流介质的冲蚀磨损和空蚀两种破坏作用，因此，阀芯顶部是最容易失效的位置。当阀芯表面的耐磨材料被破坏后，剩下的基体材料抵抗破坏能力差，大大降低了阀芯的寿命。 

(3)采用优化阀座和实体的阀芯结构来降低冲蚀磨损的方式，在高压差、负压出口工况传输时，阀芯节流表面受到冲蚀磨损不可免，尤其当阀芯顶部存在介质高速回流冲击时，阀芯顶部同时受到空蚀和冲蚀磨损两种破坏，即使阀芯整体采用耐磨材料和合理的结构，介质的回流速度也会随着阀芯顶部的破坏而上升，便加剧了阀芯的破坏，调节阀的寿命仍非常短。 

(4)调节阀在工作过程中存在一定的偏流，阀出口为负压或接近负压场合，阀出口将发生剧烈的空化，形成主要以气-固两相(液相很少)介质的高速传输，导致阀后管道冲蚀磨损非常严重，且呈现明显的局部性。 

因此，针对含固、高压差、负压出口等传输工况用调节阀，迫切需要设计一种结构简单，阀芯耐空蚀和冲蚀磨损性能好，而且阀后介质流动对称性好的阀芯组件。 

发明内容

针对国内外常规调节阀存在的不足，本发明的目的在于提供一种应用于含固、高压差、负压出口等传输工况的阀芯组件。 

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是： 

所述的阀芯组件包括阀芯头部、阀芯内置节流件、阀芯尾部；其中阀芯内置节流件的水平段插入阀芯头部的中心孔内，阀芯内置节流件的竖立段嵌入阀芯头部与阀芯尾部连接所形成的孔中，从而使调节阀在工作过程中形成了分别以阀芯头部表面与阀座之间、阀芯内置节流件内的两个传输通道。 

所述的阀芯头部包括阀芯表层和阀芯头部基体，其中阀芯表层为硬质合金材料，阀芯头部基体为合金钢材料，阀芯表层由阀芯节流区表面和阀芯密封面两个外表面组成，阀芯头部基体的开设有阀芯中心孔和阀芯侧孔，位于阀芯头部基体对称中心的阀芯中心孔与阀芯侧孔与垂直相贯，相贯处为倒圆过渡，阀芯侧孔为半圆通孔。 

所述的阀芯内置节流件包括阀芯顶部表面、节流件锥面、节流件外倒圆、节流件圆柱表面、节流件中心直孔、节流件内倒圆、节流件竖孔，其中节流件锥面与节流件圆柱表面垂直相贯，并由节流件外倒圆光滑过渡，节流件中心直孔与节流件竖孔相贯于节流件内倒圆，阀芯内置节流件为硬质合金材料。 

所述的节流件顶部表面与阀芯节流区表面为光滑连续过渡。 

所述的阀芯尾部的左侧开设有一个与阀芯侧孔半径相同的阀芯尾部侧孔，阀芯尾部侧孔为半圆通孔。 

本发明的有益效果是： 

本发明提出的阀芯组件，通阀芯内置节流件实现了介质的分流传输，同等流量传输条件下，减少了冲击阀芯和阀座表面的固体颗粒流量，从而降低子节流加速引起的阀芯和阀座的冲蚀磨损；由于阀芯内置节流件传输介质的射流作用，可显著减小阀芯顶部附近介质回流区的面积和回流速度，故可有效降低介质回流所引起的冲蚀磨损和空蚀破坏；另外，阀芯内置节流件传输产生的分流和射流作用，使阀后流动对称性更好，阀后管道的冲蚀磨损更均匀，并降低了磨损率，而且在同等传输条件下，减小了调节阀尺寸，从而可降低制造、运输、维修等成本。本发明适用于高温、高压差、高含固量、负压出口等非常规条件下的多相介质传输用调节阀，结构简单、易于推广。 

附图说明

图1是本发明的阀芯组件的结构示意图。 

图2是图1所示阀芯组件的俯视图。 

图3是图1中阀芯头部的剖视图。 

图4是图1中阀芯内置节流件的剖视图。 

图中：1、阀芯头部；2、阀芯内置节流件；3、阀芯尾部；4、阀芯表层；5、阀芯头部基体；6、阀芯节流区表面；7、阀密封面；8阀芯中心孔；9a、阀芯侧孔；9b、阀芯尾部侧孔；10、倒圆；11、节流件顶部表面；12、节流件锥面；13、节流件外倒圆；14、节流件圆柱表面；15、节流件中心直孔；16、节流件内倒圆；17、节流件竖孔。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。 

如图1所示，本发明的阀芯组件包括阀芯头部1、阀芯内置节流件2和阀芯尾部3；其阀芯内置节流件2的水平段插入阀芯头部1的中心孔内，阀芯内置节流件的竖立段嵌入阀芯头部1与阀芯尾部3连接所形成的孔中，本实施例所述的连接为焊接，从而使调节阀在工作过程中形成了分别以阀芯头部表面与阀座之间、阀芯内置节流件2内的两个传输通道。 

如图2和图3所示，阀芯头部1包括阀芯表层4和阀芯头部基体5，阀芯表层4采用硬质合金材料，阀芯头部基体5采用合金钢材料，以确保阀芯表层具有良好的耐冲蚀磨损能力，同时阀芯基体具有较好的塑性以确保阀芯组件在流动不平衡力作用下能正常工作。阀芯表层4分为阀芯节流区表面6和阀芯密封面7两个表面，此两表面和阀座之间形成了阀芯的外部流道。阀芯头部基体5上开设有阀芯中心孔8和阀芯侧孔9a，位于阀芯头部基体5对称中心的阀芯中心孔8与阀芯侧孔9a与垂直相贯于倒圆10，阀芯侧孔9a为半圆通孔。 

如图4所示，阀芯内置节流件包括节流件顶部表面11、节流件锥面12、节流件外倒圆13、节流件圆柱表面14、节流件中心直孔15、节流件内倒圆16、节流件竖孔17；节流件内倒圆16位于节流件中心直孔15和节流件竖孔17相贯处；阀芯内置节流件2为硬质合金材料，以提高阀芯对称中心部分耐空蚀和冲蚀磨损的性能。 

如图2和图3所示，阀芯中心孔8与阀芯侧孔9a与垂直相贯于倒圆10，阀芯中心孔8与节流件锥面12具有相同的锥度，该锥度为2～5°；阀芯头部1和阀芯尾部3连接后，节流件顶部表面11与阀芯节流区表面6之间为光滑连续过渡，以减弱因流道结构突化引起的流动分离涡，阀芯中心孔8与节流件锥面12配合，并结合阀芯尾部侧孔9b与阀芯侧孔9a形成的圆孔以固定阀芯内置节流件2。 

如图1～图4所示，阀芯节流区表面6、节流件顶部表面11与阀座之形成外流道W，在调节阀工作压差ΔP作用下产生流量Q_W，阀芯内置节流件2的节流件竖孔17进口有两个流道分别为N₁和N₁，流道N₁和N₂与节流件中心直孔15汇合形成内流道N，内流道N在调节阀工作压差ΔP作用下，产生内射流，流量为Q_N，故调节阀的总传输流量为Q＝Q_W+Q_N，实现了阀节阀内介质的分流传输。 

内流道N的分流传输主要有三个方面的作用，第一，因节流件中心直孔15中介质的内射 流作用，降低了在相同的实体阀芯顶部附近介质回流区的面积和速度，从而可减弱介质回流所引起的空蚀和冲蚀磨损两种破坏；第二，同等传输流量条件下，由实体阀芯流道传输流量Q减为本发明阀芯组件外流道的流量Q_W，从而降低了冲击阀芯和阀座表面的固体颗粒流量，降低了阀芯节流表面和阀座的冲蚀磨损率；第三，内射流离开阀芯组件的节流件中心直孔15壁面后呈锥形在阀后流道高速传输，阻碍了外流道W中介质在调节阀节流区下游部分传输的非对称性发展，从而使阀后流动分布对称性更好，降低了阀后管道局部受冲蚀磨损。 

内流道N可分为节流件竖孔17和节流件中心直孔15两段，节流件竖孔17的直径为节流件中心直孔15的1.25～2倍，节流件竖孔17的两个流道N₁和N₁形成的水力直径之和是节流件中心直孔15的2.5倍及以上，内流道N中流量的估算式中，忽略流道N₁和N₁产生的压差，节流件中心直孔15设为阻尼长孔。调节阀工作压差ΔP作用下，内流道N产生的流量Q_N与节流件中心直孔15的直径d间关系为： 

$Q_N=C_q\·\frac{\mathrm{\π}{d}^2}{4}\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}$

式中，C_q为流量系数取0.82，ρ为介质的密度。内流道N中的传输流量Q_N与总传输流量Q之比定义为内流道分流比n(％)，要有效降低阀芯空蚀、冲蚀磨损和阀后管道受到的破坏，需合理地分配内流道分流比n。 

在含固多相流传输中，调节阀的额定开度通常取50％～70％，以降低冲蚀磨损对阀芯和阀座等阀内件的破坏作用。采用阀芯内流道N进行分流传输的方案时，需要确保内、外流道的总传输流量与所控对象的要求相适应，并应保持调节阀的额定开度在50％～70％范围内。阀座尺寸由外流道所传输的介质流量决定，内流道分流作用导致外流道传输介质的流量比总流量少，与实体阀心相比，采用本发明提出的阀芯组件可减小外流道的流通面积，即减小了调节阀的规格尺寸。 

调节阀传输液-固或气液固三相介质且为高压差工况时，其失效主要是阀芯节流区表面受到的冲蚀磨损和阀芯顶部因介质回流引起的空蚀和冲蚀磨损，其中阀芯顶部遭受的破坏是关键，此时，阀芯内置节流件2中产生的射流主要起减弱介质回流的作用，故内流道分流比n取10～15％。例如当调节阀进出口压差为16MPa，传输流量为150kg/s，介质密度为680kg/m³时，调节阀按某种实体阀芯计算得出需要阀的口径D＝55mm，按上述的内流道分流比n取10～15％，可得出内流道N的传输流量为15～22.5kg/s，据内流道N产生的流量Q_N与节流件中心直孔15的直径d间关系可计算出d＝10.3～15.4mm。采用本发明提出的阀芯组件替换原实芯阀芯，为了确保相同工况下阀开度不变，节流件中心直孔15的直径d取10.5mm时，阀的口径需相应的改为

取D＝52.5mm。 

调节阀传输液-固或气-液-固三相介质且为负压出口工况时，因剧烈的节流相变作用，阀后管道通常形成了高速气-固两传输，调节阀失效主要是阀芯表面受到的冲蚀磨损，并且阀后 管道因流动不对称性产生的局部冲蚀磨损，此时，内流道N分流作用主要起降低阀芯表面的冲蚀磨损，且更重要的是减弱阀后介质流动不对称性，来降低阀后管道的局部冲蚀磨损及磨损率，故内流道分流比n取20～30％。例如当调节阀进出口压差为1MPa，传输流量为90kg/s，介质密度为800kg/m³时，调节阀按某种实体阀芯计算得出需要阀的口径D＝200mm，按上述的内流道分流比n取20～30％，可得出内流道N的传输流量为18～27kg/s，可计算出d＝33.2～49.8mm。采用本发明提出的阀芯组件替换原实芯阀芯，为了确保相同工况下阀开度不变，取d＝33.5时，阀的口径需相应的改为

取D＝180mm。 

综上所述，本发明提出的阀芯组件在工程过程中，实现了调节阀流道内介质的分流传输，可有效降低阀芯的空蚀和冲蚀磨损破坏；阀芯内流道的射流作用使阀后流动分布对称性更好，从而降低了阀后管道冲蚀磨损率，在同等传输条件下，减小了调节阀尺寸，最终提高了调节阀及阀后管道在含固、高压差、负压出口等传输工况下的使用寿命。 

Claims (5)

1.一种供耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件，其特征在于：包括阀芯头部(1)、阀芯内置节流件(2)、阀芯尾部(3)；其中阀芯内置节流件的水平段插入阀芯头部(1)的中心孔内，阀芯内置节流件的竖立段嵌入阀芯头部(1)与阀芯尾部(3)连接所形成的孔中。

2.如权利要求1所述的一种供耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件，其特征在于：所述的阀芯头部(1)包括阀芯表层(4)和阀芯头部基体(5)，其中阀芯表层(4)为硬质合金材料，阀芯头部基体(5)为合金钢材料，阀芯表层(4)有阀芯节流区表面(6)和阀芯密封面(7)两个外表面，阀芯头部基体(5)上开设有阀芯中心孔(8)和阀芯侧孔(9a)，位于阀芯头部基体(5)对称中心的阀芯中心孔(8)与阀芯侧孔(9a)与垂直相贯于倒圆(10)，阀芯侧孔(9a)为半圆通孔。

3.如权利要求1所述的一种供耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件，其特征在于：所述的阀芯内置节流件(2)包括节流件顶部表面(11)、节流件锥面(12)、节流件外倒圆(13)、节流件圆柱表面(14)、节流件中心直孔(15)、节流件内倒圆(16)和节流件竖孔(17)，其中节流件锥面(12)与节流件圆柱表面(14)垂直相贯于节流件外倒圆(13)，节流件中心直孔(15)与节流件竖孔(17)相贯于节流件内倒圆(16)，阀芯内置节流件(2)为硬质合金材料。

4.如权利要求2或3所述的一种供耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件，其特征在于：所述的节流件顶部表面(11)与阀芯节流区表面(6)为连续光滑过渡。

5.如权利要求1所述的一种供耐空蚀和冲蚀磨损调节阀使用的阀芯组件，其特征在于：所述的阀芯尾部(3)的左侧开设有一个与阀芯侧孔(9a)半径相同的阀芯尾部侧孔(9b)，阀芯尾部侧孔(9b)为半圆通孔。

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