煤液化高温调节阀流动磨损预测及校核研究

【摘要】煤液化工艺过程中输运的多相流介质具有固相浓度高、速度快、温度高的特点，管道系统、节流设备等频繁发生壁面减薄穿孔、泄漏失效等事故，严重影响煤化工企业的安全正常生产。位于减压塔之前的高温调节阀是煤液化工艺过程中的关键设备，现场实际生产过程中，频繁发生阀芯磨损、出口衬套被磨穿失效情况，引起整套装置的非计划停工。其失效机理复杂，涉及学科领域广泛，现有的研究工作还未能提出有效的预测及校核方法。本文以煤液化示范工程高温调节阀为研究对象，采用数值模拟与实验研究相结合的研究方法，揭示高温调节阀典型材料冲蚀磨损机理，建立空化影响下的高温流动磨损预测方法，提出将流场速度、压力、相分率及磨损率作为表征参数。完成的研究内容和结论如下：从含固多相流流动磨损机理出发，确定了空化条件下的流动磨损计算数理模型。通过空化试验数据和含固多相流输运弯管失效案例的验证，确定了流动磨损计算数理模型的正确性。搭建了脉冲式的高温冲蚀磨损试验装置，针对阀门基材1Cr9Mo和涂层YG8，在不同冲击角度、不同冲击速度、颗粒硬度以及试验温度的条件下进行了试验研究，获得了两种材料的速度指数及角度函数；并结合扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对试件试验后的磨损形貌及表面成分进行分析，提出两种材料在高温下的冲蚀磨损机理。针对建立的流动磨损计算数理模型，结合冲蚀磨损试验获得的速度指数和角度函数，借助FLUENT对调节阀内部流场进行数值模拟研究，获得阀内流场压力、速度、气相分率等参数的分布规律以及阀芯和出口衬套部位的磨损率分布情况。研究发现阀芯顶部和距阀芯顶部20~50mm区域以及距离衬套出口450~650mm的位置为流动磨损危险区域；对现场失效案例跟踪发现煤液化高温调节阀的失效位置与数值模拟预测区域基本一致。在此基础上，形成了流动磨损数理模型构建、高温冲蚀磨损试验和失效验证相结合的空化条件下的高温流动磨损预测方法。本论文创新性研究在于：搭建了脉冲式高温冲蚀磨损试验装置，实现了冲蚀角度的自动调节和温度(≤500℃)的精确控制，并运用该试验装置揭示了1Cr9Mo和YG8在高温条件下的冲蚀磨损机理；通过试验测试获得速度指数及角度函数，修正了适用于YG8材料的冲蚀磨损模型，结合数值模拟计算，建立了煤液化高温调节阀高温流动磨损预测方法。
【作者】龚宝龙；
【导师】偶国富；
【作者基本信息】浙江理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】煤液化；高温调节阀；流动磨损；试验研究；失效预测方法；

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