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摘要:

在煤化工中,輸送高溫、高壓、大流量和含有固體顆粒的介質的管道中閥門的工作條件最差。目前,煤炭液化裝置使用的金屬密封耐磨球閥大部分為進口產品。進口產品雖然技術比較成熟,但質量參差不齊。此外,此類閥門價格昂貴,供貨周期長,難以滿足市場需求。但我國此類閥門的抗振性、耐磨性和密封性能無法得到保證,亟待解決。針對這一重要課題,本文以煤化工金屬密封耐磨球閥國產化為背景,深入探究該類型閥門的核心部件結構,并進行結構優化,以解決該類閥門的核心部件結構問題。金屬密封球閥高頻振動等技術問題,實現該類型閥門的國產化。

本文首先分析了金屬密封耐磨球閥的振動機理,并建立了數學模型。在理論的指導下,經過計算,得到了固有頻率和共振條件的公式。分析了金屬密封耐磨球閥的結構參數和流量參數對其固有頻率的影響,通過調整結構尺寸和改變固有頻率來優化金屬密封耐磨球閥的結構。頻率,以防止共振。根據煤化工工況要求,自主設計了中心方形流道金屬密封耐磨球閥。

閥球和閥座采用獨特的360°逐級鏡面研磨技術,可以在閥球和閥座之間形成鏡面真空狀態,其密封性能仍能得到保證。頻繁切換。 此外,閥球和閥座采用金剛石噴涂技術,可顯著提高其硬度和耐腐蝕性。通過對金屬密封耐磨球閥關鍵結構的優化設計,強度校核和抗振校核,確定了閥門結構尺寸,以及閥門的使用性能和閥門的連續穩定運行。煤化工廠得到保障。通過數值模擬發現,在相同條件下,本課題設計的方形心形流道金屬密封耐磨球閥的閥球和閥座關鍵部位受到的沖擊力更大。比普通圓形流道的金屬密封更耐腐蝕。球閥減少,耐磨性提高,使用壽命大大延長。

另外,通過對振動特性的數值模擬,得出流體固有頻率的分析值不滿足閥門共振條件,進一步驗證了閥門振動特性理論研究的正確性整體高溫球閥,并減少了高頻振動對閥門的影響和危害,提高了閥門的性能。最后進行壓力試驗和模擬工況試驗。實驗結果表明,所設計的閥門在煤化工耐磨工況下動作靈活,無卡阻現象。閥球閥座密封副的密封性能和閥桿柔性石墨環組合盤根的密封性能優良。噴涂層具有良好的耐沖刷性和耐磨性,在耐磨條件下不脫落。且閥門在管道系統中運行平穩三個月無共振,滿足本文自主研發的高性能閥門的設計要求。

關鍵詞:金屬密封耐磨球閥,振動,結構優化,數值模擬

第一章介紹

1.1 項目背景及其意義

1.1.1 題目的背景和來源

能源是衡量一個國家實力的標準之一。近年來,我國能源消耗日益增加,國外進口增加,對我國經濟發展造成巨大壓力。隨著我國國民經濟持續快速發展,能源化工產品需求持續增長,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世紀我國煤化工發展的一項新技術。煤炭液化項目對我國經濟發展和國防建設具有重要意義。煤炭液化技術一方面提高了我國煤炭的綜合、高效、清潔利用,另一方面推動了國內嚴苛條件下閥門的優化設計、生產和制造,也提高了我國煤炭的綜合利用效率。專業裝備制造能力,加快發展特種金屬材料產業。發展。

煤化工的生產設備主要由反應器、加熱爐、塔、罐、蒸餾器和管道系統組成。閥門是重要的控制設備之一。一旦閥門出現故障,就會引發火災、爆炸等安全事故,造成巨大的經濟損失。近年來,金屬密封耐磨球閥技術發展迅速,廣泛應用于大型煤化工設備,包括煤制油、煤制烯烴等裝置。在一些特殊工況和介質場合,如煤化工氣化裝置上鎖斗閥的耐磨工況。

該工況下流經閥門的介質混合物成分非常復雜,其中氯離子濃度很高,含有大量固體顆粒介質,因此對閥門的密封性能提出了更高的要求。閥門;顆粒狀介質在高溫高壓下容易進入閥座與閥球之間的密封間隙,導致閥球和閥座運動失靈,導致閥門鎖死甚至內漏。不能使用傳統閥門,如閘閥蝶閥截止閥。對于含有固體顆粒的高溫高壓介質,金屬密封耐磨球閥是目前普遍認可的閥門。這主要是因為該類型閥門具有良好的耐磨性和密封性,質量安全可靠,使用壽命長。此外,金屬質​​地堅硬,可有效防止腐蝕發生。

在煤化工中,管道經常輸送高溫、高壓、大流量,并含有固體顆粒、有毒氣體等介質。如果閥門產生共振,將對閥門和管道造成巨大的沖擊力,從而導致閥門損壞和泄漏。一旦閥門泄漏,整個生產裝置將被迫停產,經濟效益將受到嚴重影響。另外,如果有有毒介質的工況,從閥門泄漏的有毒氣體會從管道中滲出,導致工作人員窒息死亡。此外,煤化工行業常伴有高溫高壓。易燃易爆介質泄漏會引起火災甚至爆炸,造成重大人員傷亡,危及人民生命財產安全。到目前為止,這個技術問題還沒有完全解決。因此,有針對性地開發高效、低成本、抗振性和密封性能好的金屬密封耐磨球閥是煤化工行業面臨的重大課題。

目前,煤液化裝置中使用的金屬密封耐磨球閥大部分是國外廠家的產品。國外產品雖然很成熟,但進口產品質量參差不齊,質量好的可以用。 5年、10年甚至更長,質量差的連試車都過不去,連口碑好的品牌的質量近年來也逐年下降,而且這種閥門價格昂貴,使用壽命長供應周期。 ,難以滿足市場需求。針對這一問題,課題組總結大量文獻,結合自身研究成果,對金屬密封耐磨球閥結構進行優化,以解決金屬密封耐磨球閥高頻振動的技術難題。密封球閥,實現此類閥門的國產化。

1.1.2 題目的意義

金屬密封耐磨球閥是煤化工、石油化工、能源等領域的重要設備。隨著金屬密封耐磨球閥技術的發展,其應用領域和應用范圍將更加廣泛。根據前人研究,基于水聲學原理和瞬態流動理論,在傳統耐磨球閥的基礎上,自主設計了一種新型金屬密封耐磨球閥,以減少磨損和損壞。振動引起的。進一步提高了金屬密封耐磨球閥的性能。本課題設計的金屬密封耐磨球閥結構如圖1.1所示。主要結構包括閥蓋、左閥座、閥球、閥桿、右閥座和閥體。為了消除共振等因素造成的危害,本文對閥門結構進行了優化。閥道采用擴徑結構,增加了流道面積,減少了介質對閥座的沖刷。在保證流量相同的情況下,將閥球的圓形流道改為方形心形流道,增加密封面積。使閥門運行更穩定,延長閥門使用壽命。

煤化工金屬密封耐磨球閥高頻振動機理研究及結構

圖1.1金屬密封耐磨球閥結構

圖。 1.金屬耐磨球閥1

近年來,隨著計算機技術和流體力學應用技術的發展,帶動了閥門內部流場數值模擬的發展,逐漸形成了理論與實驗并行的新研究。方法。由于金屬密封耐磨球閥的優化結構與模擬工況和實驗參數密切相關,需要通過大量實驗來確定,研究進展緩慢。數值模擬的發展改善了這種情況。本文采用ANSYS軟件對模擬工況參數進行設置,得到閥門內部流場的變化情況,避免了實驗研究中的彎路,節省了研究的時間和精力。

本課題以有限元分析為解決方案,通過比較流場狀態、壓力、速度等參數,得到閥芯的壓力和磨損情況。通過對比分析,優化了閥門結構,并通過仿真工況試驗驗證了仿真的可靠性。本文的研究成果有望提高金屬密封耐磨球閥的抗振性、耐磨性和密封性能,延長閥門的使用壽命,降低閥門的研究和測試成本,優化其結構設計、表面噴涂技術和預緊力的應用。也可為其他閥門密封設計和失效預測提供理論依據。

本課題的理論意義在于以性能最優為目標的金屬密封耐磨球閥的設計。該閥門的結構為該類閥門的國產化提供了理論依據,具有一定的實際應用價值。其社會意義在于如果能夠解決技術問題并實現工業化應用,將大大提高該類閥門的性能,節省化工設備成本,設備長期穩定運行,從而實現可持續發展的目標。

1.2國內外研究趨勢及水平

1.2.1 球閥簡介

1950 年代出現的一種新型閥門。在短短的幾十年里,球閥已經發展成為一個主要的閥門類。由于結構簡單、體積小、重量輕、密封性能強、安裝空間小、成本低,球閥在各個領域的應用得到了迅速的發展。特別是在美國、德國、法國等工業發達的國家,球閥的使用更為廣泛,其技術不斷升級,需求進一步擴大,用于高溫等惡劣工況,高壓,大直徑和耐磨性。發展。其產品的可靠性和性能指標已達到先進水平,已逐步取代部分閘閥、截止閥和節流閥。廣泛使用。

球閥,顧名思義,啟閉部分是一個由閥桿帶動的球體,通過旋轉90度實現啟閉。球面與通道開口的比例應相同,即當球體旋轉90度時,所有球面應存在于入口和出口處,從而截斷流動。球閥主要用于截斷、分配和改變管道中介質的流向。一般認為球閥最適合用作截止閥。隨著近幾年的發展,球閥被設計成一種具有節流和流量控制的調節閥,應用更為廣泛。按球閥的結構可分為固定球閥和浮動球閥,如圖1.2、圖1.3。在固定球閥中,閥桿和下固定軸支撐閥球,使三者在同一中心線上。

這種閥的優點是在90度切換時不受壓力影響,使閥球橫向移動。此外,固定球閥扭矩小,閥座變形小,密封性能穩定,使用壽命長,因此固定球閥可用于高溫、高壓、大口徑工況。固定球閥在啟閉過程中,閥前流體壓力對閥球產生的力全部傳遞給軸承,不會造成閥球和閥座卡死,并被廣泛使用。浮動球閥主要由閥桿、閥座、閥球、閥體和閥蓋組成。由于該類閥門的閥球只與閥桿連接,不與下固定軸連接,因此閥球與閥座靠介質壓力配合實現密封。因此,浮動球閥的工作范圍是有限的。由于球的直徑隨著閥孔的增大而增大,所以閥球的重量過重,由于流體產生的壓力不均勻而使浮動球閥泄漏。因此,浮動球閥只適用于閥門口徑不超過150mm的工作范圍。

煤化工金屬密封耐磨球閥高頻振動機理研究及結構

圖1.2 固定球閥結構

圖。 1.2固定球閥圖。

煤化工金屬密封耐磨球閥高頻振動機理研究及結構

圖1.3浮動球閥結構

1.球閥3

1.2.2 國內外金屬密封耐磨球閥相關研究趨勢及水平

為了滿足高溫、高壓、強腐蝕、強磨損、固體顆粒等要求,近年來金屬密封耐磨球閥的相關技術發展迅速,特別是在發達國家如美國,球閥的密封形式和結構不斷創新,如應用煤化工輸送管道上的全焊接固定球閥;用于催化裂化裝置的升降桿式球閥,金屬密封耐磨球閥的技術達到了一個新的水平。金屬密封耐磨球閥的特點是工作溫度范圍寬,用于密封的各種金屬的熱膨脹系數很低,可以很好地保證高溫下的性能。常用的金屬密封閥座和閥球一般都采用硬度比較高的材料,表面噴涂的技術要求也非常嚴格,并且保證閥球的加工精度和圓度處于真空狀態-緊的狀態。目前國外金屬密封耐磨球閥的技術水平比較成熟,但也存在不少缺陷。其中,國外品牌主要有德國閥門、美國阿格斯、莫加斯閥門等。

德國金屬密封耐磨球閥,其特點是采用固定式結構,雙閥座完成雙向密封。但其缺點在于采用定向磨球工藝。一方面,定向研磨閥球的圓度不夠。如果開關不到位,容易造成閥門局部泄漏;另一方面,閥球的圓度不夠。在快速切換過程中,如果閥座預緊力過大,容易造成閥球和閥座的劃傷和磨損,導致閥門泄漏。

美國莫加斯金屬密封耐磨球閥采用浮動單向密封結構。但它的缺點是在高溫下容易變形。由于副閥座處沒有密封設計,一旦主閥座與閥體密封面發生變形,將直接造成泄漏,介質從中心腔滲入閥后座位造成擦傷。并且閥座和閥球的硬化層為碳化鉻,碳化鉻的硬度為60HRC,與煤化工催化劑介質的硬度基本相同,在切換過程中易磨損。

阿格斯金屬密封耐磨球閥采用內固定結構設計,可有效減少閥門泄漏點,達到更好的密封性。但其缺點是內固定設計有上下兩個定位塊。定位塊直接影響閥腔的大小。在顆粒狀介質的情況下,介質很容易進入閥腔并積聚合資閥門品牌,從而導致閥門卡死,導致整個裝置失效。操作,后果很嚴重。

此外,國內相關技術人員在金屬密封耐磨球閥的技術方面做了很多改進和創新。李旺順、吳海關于金屬密封耐磨球閥的相關專利中介紹了一種在高溫下使用的金屬密封耐磨球閥,結構如圖1.4。該閥結構設計簡單,主要由閥體、閥蓋、閥球、閥座和閥桿組成。閥門的密封性能和使用性能。另外,閥體與閥座之間有一定的間隙,由碟形彈簧提供預緊力,保證閥球在高溫下可以自由移動而不鎖死。黃興福、毛竹峰介紹了一種用于煤化工的金屬密封耐磨球閥,如圖1.5。閥門結構以頂裝式結構為主,拆卸方便。閥座與閥球密封面噴涂硬質合金,厚度可達1.5mm,結構致密,密封性能好。

煤化工金屬密封耐磨球閥高頻振動機理研究及結構

圖1.4高溫金屬密封耐磨球閥結構圖

圖。 1.4 高金屬

耐磨球閥

煤化工金屬密封耐磨球閥高頻振動機理研究及結構

圖片1.5煤化工金屬密封耐磨球閥結構

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圖。 1.5 煤金屬

耐磨球閥

閥門相關技術文獻介紹了一種傳統的陶瓷耐磨球閥結構。該閥采用浮動結構,主要由閥球、閥座、閥桿和耐磨襯套組成。閥球和閥座采用陶瓷制成,硬度高,耐磨性好,耐腐蝕性好。在含有顆粒介質的情況下,應用效果好。國內很多裝置的排灰系統都采用這種陶瓷耐磨球閥,應用廣泛。

鄭祖輝推出雙密封金屬密封耐磨球閥。該閥采用典型的固定結構,其特點是金屬硬密封面上有環形矩形槽,槽內裝有非金屬墊片,形成雙重密封,實現雙重保險,提高了閥門的密封。表現。閥球和閥座密封面采用司太立合金堆焊,硬度可達55HRC。

劉光宇介紹了一種用于泥漿介質工況的金屬密封耐磨球閥。閥門采用固定式結構,閥座采用穩定性強的高分子材料。閥球表面噴鎳合金,可有效防止介質沖刷造成的磨損,閥體流道內嵌2205雙向不銹鋼耐磨襯套。具有良好的耐磨性和耐沖刷性,廣泛應用于煤化工系統。

盧仁昌等人。推出固定式金屬密封耐磨球閥。該閥的結構是閥座端面為環形面,閥座與閥體之間的密封由聚四氟乙烯制成的密封墊片實現,可有效提高密封性能和使用性能密封性能可達到V級以上。此外,閥球采用硬質合金噴涂和氮化處理,耐磨性得到有效提高。綜上所述,國內外金屬密封耐磨球閥的密封結構多種多樣,根據不同的工況和密封要求選擇合理的結構,以滿足性能要求,保證長期穩定運行設備。

國產金屬密封耐磨球閥經過幾十年的研發和使用,已經能夠滿足氣化爐、鎖渣斗、連續重整、催化裂化等工況的應用要求,但消除共振等關鍵技術尚未解決。本課題將深入研究金屬密封耐磨球閥的結構,解決高頻振動等技術難題,實現該類閥門的國產化。

1.2.3 國內外與閥門振動相關的研究趨勢和水平

閥門振動在整個管道系統的振動中占相當大的比例。當流體通過閥門的流道時,閥腔內流體介質的流動狀態發生劇烈變化。由于閥門的節流和截止功能,流體在閥體內發生劇烈振動和沖擊,壓力和速度不斷變化。從流體動力學的角度來看,流體在閥前具有很高的壓力勢能。通過閥門通道時,流體速度增加,將勢能轉化為動能;同時,一部分能量轉化為聲能,從而產生振動。根據誘發因素的不同,主要分為機械振動、流體動力振動等。

國外研究人員利用流量可視化技術研究了閥門的位移和流量,并在實際工況下進行了改進和觀察。閥門周圍的湍流通過計算流體動力學模擬求解,假定為具有粘性的不可壓縮三維流體。使用模擬系統中的標準 k 湍流模型對脈動壓力、流速和閥門位移進行數值模擬分析。通過計算流體動力學計算,將流動可視化結果與閥門振動進行比較,對閥門進行結構優化。

閥門專業人員對截止閥執行模態分析,以計算其固有頻率和模態形狀。在模態分析的基礎上,通過施加激勵載荷對閥門進行諧波響應分析。分析曲線與理論振動響應函數曲線一致,閥門在正常工作狀態下,對內部振動區域進行了討論,對其結構進行了優化。

王鑫等人。應用模態試驗和有限元數值模擬相結合的分析方法研究閥門的自振特性,指導閥門結構的動態優化設計,并通過水彈性模型試驗研究閥門的流激振動特性. 閥門自振頻率實驗值與計算值吻合較好,振型完全一致;結構優化后,基頻明顯提高,完全脫離水流脈動的高能區,流激振動響應小,不會造成傷害。許多研究人員分析了低溫波紋管閥門振動過程中單點激勵下的模態、振動特性和應力,研究了低溫閥門在同時密封壓力載荷和隨機振動激勵下的動態特性整體高溫球閥,并獲得了復雜載荷作用下的結果。通過實驗驗證了波紋管的應力分布,對低溫波紋管閥門的設計具有一定的指導作用。

于曉明等。運用有限元分析方法對產品的振動特性進行分析,探討了利用三維有限元分析軟件對閥門振動特性進行數值模擬的基本思路和流程。同時采用三維有限元計算方法,對閥門總成進行整體計算閥門廠家,對接觸面進行處理,解決了計算量與精度的矛盾。

1.3 本課題主要工作

本課題的研究工作主要分為理論分析、結構優化設計、數值模擬和實驗驗證四個部分。研究了金屬密封耐磨球閥。

(1)本課題基于水聲原理和瞬態流動理論,建立數學模型研究煤化工金屬密封耐磨球閥的高頻振動機理。振動機理研究包括:振動特性理論研究、固有頻率計算、振動成因及閥門共振條件等。

(2)根據相關閥門標準,對金屬密封耐磨球閥的原理和結構進行了研究,設計了方形心形金屬密封耐磨球閥,并進行強度校核和抗振校核,確定閥門結構尺寸。此外,研究金屬密封耐磨球閥的噴涂工藝和材料選擇,以確保閥門的性能和煤化工的持續穩定運行植物。

(3)使用ANSYS軟件,選擇合適的型號,對普通圓形金屬密封耐磨球閥和方形心形金屬密封耐磨球閥的內部流場進行數值模擬對其動態特性進行研究,并對振動特性進行數值模擬,得到流體固有頻率的分析值,驗證振動特性理論研究的正確性,從而減少高頻振動對流體的影響。閥門。影響和危害。

(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 .

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