一种提高阀门抗结垢性能的内螺纹管及设计优化方法与流程

本发明涉及阀门领域，特别是一种可提高煤化工阀门抗污垢性能的装置。

背景技术：

阀门是一种具有决定管路启闭、控制流体流向、调节流通介质参数等功能的管路附件，被安装在各种管道和设备等流体输送系统中。阀门可用于空气、水、蒸汽、泥浆、油品、液态金属等各种流体，也常会使用固液两相的流动介质，由于使用过程中掺杂固体颗粒，会对阀瓣、阀座表面进行刮擦，引起磨损。由于温度升高、溶解度降低还会析出沉淀物，固体颗粒沉积在阀门内部，造成结垢，从而影响流体的流动，提高阀内的流动阻力，增加输送能耗，缩短阀门的使用寿命。

用化学清洗液清除结垢，不容易判断清洗效果，容易造成清洗液的浪费或是结垢的清洗程度不足。阻垢剂一般用于水中，无法适用于所有流体，例如泥浆或是油品的输运过程就无法使用。

技术实现要素：

本发明针对现有阀门使用过程中的结垢问题，提供了一种提高阀门抗结垢性能的内螺纹管，适用于多种含固体颗粒的流体介质，操作简单、更换方便。

本发明采用如下的技术方案：

一种提高阀门抗结垢性能的内螺纹管，该内螺纹管(1)安装于阀门(7)的入口前端，固液两相流通过内螺纹管(1)后进入阀门(7)；所述内螺纹管(1)由入口强化段、出口缓冲段和正常流动段组成，三段管道各自通过调节长度、螺距比和槽深比，使固液两相流中的固体颗粒尽可能多的沉积在内螺纹管管壁。

作为优选，入口强化段的长度为150mm，螺距比p1/d＝2.02，槽深比e1/d＝0.07。

进一步的，出口缓冲段的长度为100mm，螺距比p3/d＝2.43，槽深比e3/d＝0.09。

进一步的，正常流动段的螺距比p2/d＝1.82，槽深比e2/d＝0.06。

进一步的，所述的阀门(7)通径dn＝20mm，内螺纹管(1)的管道外径为26.7mm，壁厚1mm，管道内径d为24.7mm。

作为优选，所述的管道与阀门采用法兰连接、螺纹连接或卡箍连接。

本发明的另一目的在于提供一种上述内螺纹管的结构参数设计优化方法，其包括以下步骤：

s1：根据阀门(7)的公称直径确定内螺纹管(1)的管道外径；

s2：构建固体颗粒的受力分析模型，用于结合不同内螺纹管形状下的流动特点，确定内螺纹管(1)中三段管道各自的具体结构参数；

其中，固液两相流中的固体颗粒受到的重力为：

dp是颗粒直径，m；

ρp是颗粒密度，kg/m³；

g为重力加速度，取9.80m/s²；

固液两相流中的固体颗粒受到的流体作用力为：

fd＝8dp²τw²(2)

τw为壁面剪切应力，n/m²；

固液两相流中的固体颗粒受到的离心力为：

其中，vm为固液两相流的平均速度；

s3：根据所述受力分析模型，调整所述入口强化段的螺距比和槽深比，使内螺纹管在入口强化段，充分利用入口效应，通过增加螺距和槽深，使沉积在管壁的固体颗粒增多，同时强化流体的螺旋运动；

s4：根据所述受力分析模型，调整所述出口缓冲段的螺距比和槽深比，使出口缓冲段出口部分的内径d等于阀门(7)内径，通过减小槽深，使槽纹形状趋于缓和，利于固体颗粒上扬并沉积在入口强化段的内管壁上部；

s5：根据所述受力分析模型，调整所述正常流动段的螺距比和槽深比，通过增加槽深强化流体的螺旋运动，使固液两相流中更多的固体颗粒运动到螺纹的凸起处并滞留在原地，液体则继续向前流动。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的内螺纹管在使用一段时间后，管内沉积的固体颗粒达到一定程度时，可随时更换，操作简单，且不会产生对环境有害的物质；

(2)适用于包括泥浆、油品在内的各种流体，不仅仅局限于水，不论何种固体颗粒，该内螺纹管均能减少大部分固体颗粒进入阀体内部，减轻阀门的磨损，改善阀内的结垢现象，提高阀门的使用寿命。

(3)根据不同颗粒的直径，通过控制流速可改变固体颗粒的受力，使其在离心力的作用下克服重力和流体作用力被甩到管壁，本发明相比固定螺距比(p/d＝1.82)和槽深比(e/d＝0.06)的内螺纹管可以增加28.57％的固体颗粒粘附在管壁，提高阀门的抗结垢能力。

附图说明

为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：

图1为本发明所涉及的使用装置的平面结构示意图；

图2为本发明所涉及的内螺纹管结构示意图；

图中：1、内螺纹管；2、螺栓；3、垫片；4、法兰；5、密封圈；6、螺母；7、阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明中的一种提高阀门抗结垢性能的内螺纹管，该内螺纹管(1)安装于阀门(7)的入口前端，固液两相流通过内螺纹管(1)后进入阀门(7)。内螺纹管(1)与阀门(7)之间通过法兰4进行连接，法兰4之间通过螺栓2、垫片3和螺母6进行紧固，并通过密封圈5进行防水密封。内螺纹管(1)分为三段式设计，由入口强化段、出口缓冲段和正常流动段组成。内螺纹管1的管道外径由阀门7的公称直径确定。与传统的固定螺距比和槽深比的内螺纹管不同的是，本发明中的三段管道的形状(包括螺距比和槽深比)、长度各不相同，需要各自通过调节长度、螺距比和槽深比，使固液两相流中的固体颗粒尽可能多的沉积在内螺纹管管壁。

该内螺纹管中形状、长度等结构参数的具体设计优化方法包括以下步骤：

(1)根据阀门的公称直径确定内螺纹管的管道外径；

(2)构建固体颗粒的受力分析模型，分析固体颗粒的受力情况，结合不同内螺纹管形状下的流动特点，确定各段的具体结构参数，尽可能多的将固液两相流中的固体颗粒沉积在内螺纹管管壁，以提高阀门的抗结垢能力，流体则正常流入阀门内部。该受力分析过程中，主要考虑自身重力、流体作用力，以及做螺旋运动产生的离心力，调节流速以确保离心力大于重力和流体作用力的合力，能有尽可能多的固体颗粒被甩向壁面。

其中，固液两相流中的固体颗粒受到的重力为：

dp是颗粒直径，m；

ρp是颗粒密度，kg/m³；

g为重力加速度，取9.80m/s²。

固液两相流中的固体颗粒受到的流体作用力的计算公式为：

fd＝8dp²τw²(2)

τw为壁面剪切应力，n/m²；

固液两相流中的固体颗粒受到的离心力为：

其中，vm为流体的平均速度，可按公式计算，m/s；平均密度kg/m³；αk是第k相的体积分数；ρk是第k相的密度，kg/m³，vk是k相的速度，m/s。本发明中，对于固液两相流，仅有固相和液相，因此n取值为2。

该受力分析模型可以用于模拟优化各段的最佳结构参数，优化过程中可以设置多组参数进行模拟，根据期望达到的效果选择最优的一组。

(3)根据前述的受力分析模型，调整入口强化段的螺距比和槽深比，设计内螺纹管的入口强化段：考虑入口效应的影响，在边界层厚度较小的时候，固体颗粒受到的流体作用力较小，调节流速以确保离心力大于重力和流体作用力的合力，将颗粒更多甩到管壁，同时增加螺距可以使沉积在管壁的固体颗粒增多，适当增加槽深可以强化流体的螺旋运动。经过多组试验，选择螺距比p1/d＝2.02，槽深比e1/d＝0.07，此段长度定为150mm。此时，由于入口效应的存在，在该结构参数下即可使得固体颗粒被尽可能沉积，同时能够充分利用入口效应适当减小在该段的流阻。

(4)根据前述的受力分析模型，调整出口缓冲段的螺距比和槽深比，设计与阀门相连的出口缓冲段：出口部分的内径d等于阀门内径，由于槽深过深容易使颗粒积聚在内螺纹管的底部，在流体作用下这些颗粒会被冲入阀门，所以需要适当减小槽深。经过多组试验，将螺距比定为p3/d＝2.43，槽深比e3/d＝0.09，槽纹形状变得缓和，有利于固体颗粒的上扬，此段长度定为100mm。

(5)根据前述的受力分析模型，调整正常流动段的螺距比和槽深比，设计内螺纹管的正常流动段：槽深增加使得流体的螺旋运动得到强化，固液混合相中更多的固体颗粒运动到螺纹的凸起处并滞留在原地，液体则继续向前流动。经过多组试验，螺距比定为p2/d＝1.82，槽深比为e2/d＝0.06，固体在此部分的长度由入口强化段和出口缓冲段的长度决定。

根据确定的各段管道的结构参数，即可生产加工相应的内螺纹管管道。

下面通过一个实施例对本发明的应用过程以及效果进行说明，以便于本领域技术人员更好地理解其本质。

实施例：

用上述方法对工作压力pn＝1.6mpa，工作温度为20℃，通径dn＝20mm的阀门设计对应的内螺纹管，颗粒直径dp＝5×10^-5m,颗粒密度ρp＝2600kg/m³，具体步骤如下：

(1)阀门通径dn＝20mm，则内螺纹管的管道外径为26.7mm，壁厚1mm，管道内径d为24.7mm；

(2)分析固体颗粒的受力情况，主要考虑自身重力、流体作用力，以及做螺旋运动产生的离心力，其计算公式分别如前述公式(1)～(3)所示。

(3)设计内螺纹管的入口强化段，考虑入口效应的影响，同时改变螺纹形状让更多的固体颗粒可以沉积在管壁，增加螺距可以使沉积在管壁的固体颗粒增多，适当增加槽深可以强化流体的螺旋运动，所以最终选择螺距比p1/d＝2.02，槽深比e1/d＝0.07，即螺距p1为50mm，槽深e1为1.75mm，此段的固体沉积率高于另外两段，为了充分利用入口效应，将入口强化段的长度定为150mm。经过模拟，在此部分的固体颗粒体积分数为25.02％；

(4)设计与阀门相连的出口缓冲段，出口部分的内径d等于阀门内径，由于槽深过深容易使颗粒积聚在内螺纹管的底部，在流体作用下这些颗粒会被冲入阀门，所以适当减小槽深，最终将螺距比定为p3/d＝1.82，槽深比e3/d＝0.06，即螺距p3为45mm，槽深e3为1.5mm，槽纹形状变得缓和，有利于固体颗粒的上扬，更多地粘附在管壁，流体则持续流入阀体，此段长度定为100mm。经过模拟，在此部分的固体颗粒体积分数为22.35％，相较于其他两段，积聚在出口缓冲段上部的颗粒更多，能够避免固体颗粒沉积在内管壁下部导致重新被冲入阀门。

(5)设计内螺纹管的正常流动段，最终确定螺距比为p2/d＝2.43，槽深比为e2/d＝0.09，即螺距p2为60mm，槽深e2为2.25mm，此段的长度由入口强化段和出口缓冲段的长度决定，螺纹管1整体长度为1m时，此段的长度为750mm。槽深增加使得流体的螺旋运动得到强化，固液混合相中更多的固体颗粒运动到螺纹的凸起处并滞留在原地，液体则继续向前流动。经过模拟，在此部分的固体颗粒体积分数为20.17％。

为了进一步体现本发明相对于传统结构的抗结垢能力，本实施例中同步设计了三段管道螺距比和槽深比均固定不变的对照组，在对照组中，三段管道的长度与本实施例相同，但螺距比全部固定为p/d＝1.82，槽深比全部固定为e/d＝0.06。经过模拟发现，本实施例的内螺纹管相对于对照组，可以增加28.57％的固体颗粒粘附在管壁，提高阀门的抗结垢能力。

以上所述的实施案例仅为本发明的具体实施方式，并非本发明的保护范围的限定。熟悉本领域的相关技术人员在本发明的基础上还可以做出其他不同方法的尝试。而由本发明引发出的不经过创造性劳动而进行的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。