CN113108070A - 一种多级降压串式液位调节阀结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级降压串式液位调节阀结构。阀体竖直空腔内有阀座，阀座上下分为节流阀芯圆柱空腔和缓冲圆柱空腔，节流阀芯圆柱空腔中有阀芯套，阀芯套接阀座，阀芯套安装阀芯，阀芯与阀芯套间设多级串式降压结构；阀体上有阀盖，阀盖将阀芯套轴向压紧在阀座上；流体介质从阀体入口流到缓冲圆柱空腔，经阀座中心通孔后流到节流阀芯圆柱空腔，自阀芯套上端侧壁的通孔流出至阀体与阀芯套间的换向间隙，汇流至阀体的出口流出。本发明针对高压差液位控制阀的服役环境及结构特性进行阀门结构优化，有利于延长高压差液控阀的使用寿命和安全稳定运行周期。

Description

一种多级降压串式液位调节阀结构

技术领域

本发明涉及流程工业调节阀的结构设计，尤其是涉及一种多级降压串式液位调节阀结构。

背景技术

我国能源资源呈现“多煤、缺油、少气”的现状，故发展现代煤化工产业是保障国家能源战略安全，确保我国在本世纪中叶达到中等发达国家发展水平的重要措施。液位调节阀是重大流程工业关键的特种设备，其调节控制中存在着复杂的流动状态，实际运行过程中故障概率很高且难以预测与防控。例如世界首套百万吨级煤液化示范工程运行中高压差调节阀的磨损失效非常严重。尽管采用了德国SchuF公司的高端产品，且增加2亿多投资将单通道设计为四路并联，但实际单阀的使用寿命仍然较短。液位调节阀的磨损失效严重制约着煤化工装置的生产安全、经济效益和国家示范工程的推广。

高温-高压差液控阀的磨损失效过程与阀体结构、多组分流体的物性、流体域的结构特征、材料性能以及颗粒物的特性等因素密切相关，研究液位调节阀瞬态条件下的气液相变、能量传递和材料响应，开展相关的理论建模和实验研究是极为复杂的。对于高温高压差的液控调节阀，若不能精准把握其内部流道的磨损特性，建立相应的量化磨损特性预测方法，则难以实现基于流动磨损特性预测基础上的液位调节阀流动磨损特性的动态调控。高温高压差液位调节阀的结构优化设计是提升其抗磨损特性的关键途径之一，尽管将液位调节阀的角阀结构调整为多级降压串式调节阀可有效提升调节阀的节流能力，但对于阀芯、阀套，甚至阀芯与阀座之间的抗磨损能力则提出了更高的要求。现有研究成果已针对高压差液控阀的内部空化气蚀特性开展了较多研究，也明确阐明了调节阀计算域内空化气蚀特性与进出口压力差、空化数、空化强度等密切相关，基于CFD的空化气蚀特性预测可用以判断空蚀失效的位置，但遗憾的是尽管可以粗略预测空蚀失效的位置，但无法对空化气蚀特性进行动态调整。此外，对于煤化工***，特别是煤直接液化***，从原料制备、反应分离到残渣处理，全过程涉及煤粉固体颗粒的多相流传输，高温高压差液控阀的节流过程还存在着严重的流动磨损问题，一旦出现流动磨损失效，不但会引起停工，而且会造成严重的经济损失。

综上所述，面对复杂的流动与腐蚀环境下高压差液控调节阀门失效问题，根据高压差液控阀的内部流动特性，将其内部流道进行多级降压串式设计，可以显著降低其内部空化气蚀特性。在此基础上，研究多级降压串式液位调节阀内部流道的流动磨损特性，明确流动磨损位置及强度与液控阀进出口压差、调节阀开度的关联关系，从而为液控阀抗流动腐蚀精准调控提供重要理论支撑和技术支持。

发明内容：

为了克服背景技术领域中现有方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种多级降压串式液位调节阀结构，针对高压差液位控制阀的服役环境及结构特性，实现高压差液控阀的多级降压串联结构优化，有利于延长高压差液控阀的使用寿命和安全稳定运行周期。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

一、一种多级降压串式液位调节阀结构：

结构包括阀体、阀座、阀芯套、阀盖和阀芯；阀体内设有竖直空腔，竖直空腔内设有阀座，阀座将阀体内的竖直空腔分割为位于上部的节流阀芯圆柱空腔和位于下部的缓冲圆柱空腔，阀座开设中心通孔，中心通孔将节流阀芯圆柱空腔和缓冲圆柱空腔连通，阀体的两侧分别设有入口和出口，入口和缓冲圆柱空腔底部连通，出口和节流阀芯圆柱空腔的底部连通；节流阀芯圆柱空腔中固定装有阀芯套，阀芯套外壁和节流阀芯圆柱空腔的壁面之间具有环形间隙，环形间隙和阀体的出口连通；阀芯套底部连接到阀座，阀芯套内部的空腔内同轴安装具有多个凹口的阀芯，阀芯与阀芯套之间设置流道构成多级串式降压结构；阀体上端口固定安装有阀盖，阀盖中心设有和节流阀芯圆柱空腔同轴贯通的中心孔，阀盖中心孔周围的端面将阀芯套通过螺母轴向压紧在阀座上；远离阀座的阀芯套上端侧壁沿周向均布开设多个通孔，流体介质从阀体入口流入到缓冲圆柱空腔，经阀座的中心通孔后流入到节流阀芯圆柱空腔，节流阀芯圆柱空腔中节流降压后的流体介质自阀芯套上端侧壁均布的通孔内流出至阀体与阀芯套之间的环形间隙内，并经环形间隙内汇流至阀体的出口流出。

所述的阀盖的中心孔中安装有阀杆，阀芯上端穿入阀盖的中心孔中后和阀杆下端固定连接。

所述的阀盖和阀芯套连接处的阀芯外套装有导向套。

所述的阀杆和阀盖中心孔之间的环形间隙从下到上依次安装有填料底垫、填料、填料压盖，填料压盖上端伸出阀盖中心孔后的部分设置外凸缘，填料压盖之上设有法兰盘，法兰盘通过螺杆固定连接到阀盖上端部，法兰盘通过螺杆被压紧在填料压盖上。

所述的阀芯与阀芯套之间的多级串式降压结构，具体为：位于阀芯套上端通孔下方的阀芯套内设有阶梯腔，阶梯腔内从上到下轴向间隔设置有多个内凸缘作为节流环，多个节流环将阶梯腔整体进行分割而分为多个小腔；位于阀芯套中的阀芯的特征是自上到下轴向开设多个对称凹槽结构，每个对称凹槽结构包括沿对称方向分别对称布置在阀芯两侧的两个凹槽，上下相邻两个对称凹槽结构的两个凹槽所在的对称方向相垂直；节流环的内径和阀芯的外径一致，且凹槽的宽度大于节流环的厚度。

所述的阀座在上端面和下端面均开设有环形凹槽，环形凹槽内均安装有法兰缠绕垫进行密封。

所述的阀杆下端和阀芯上端之间通过连接鞘同轴连接，通过阀杆带动阀芯在阀芯套内上下轴向移动。

针对本发明的阀门内流道磨损特性预测调控处理过程是：

1)搭建循环式管道回路，循环式管道回路中设有液相油和颗粒，在循环式管道回路中间区域设置对置法兰，在对置法兰间安装多级降压串式液位调节阀，利用循环泵和加压泵对循环式管道回路中的液相油和颗粒进行输送和加压，并调节多级降压串式液位调节阀的进出口压力；

2)定义阀芯与阀芯套之间流体域中流体节流的次数为级数；

3)试验过程中，在多级降压串式液位调节阀中各个级数处的阀芯套内壁和阀芯外壁的不同位置分别固定粘贴铝片，并在每个铝片附近粘结n个压力应变片和m个流速仪，实时采集换算得到不同时刻的阀芯套内壁、阀芯外壁不同位置的m个流速分布值和n个压力分布值；每组实验测试完成后，基于激光位移传感器扫描测试铝片的磨损率KE_C；

4)调节多级降压串式液位调节阀的进口压力至11.7MPa，利用步骤3)换算获得不同时刻不同位置的n个压力分布值和m个流速分布值，获得流域内压力场和速度场的分布特性；基于激光位移传感器扫描获得的铝片磨损深度，建立磨损率KE_C与压力分布、流速分布的关联关系；

5)以固定压力间隔量依次提升调节多级降压串式液位调节阀的进口压力P_in，重复步骤4)的实验方法，分别绘制不同级数内铝片磨损率KE_C随进口压力P_in变化的离散数据曲线；

6)对于铝片磨损率KE_C随进口压力P_in的离散数据变化曲线，进行数据拟合获得铝片磨损率随进口压力的连续数据变化曲线；

7)动态调节控制不同阀杆的高度位置，进而带动阀芯上下升降移动，即相对于阀芯套的位置，从而实现多级降压串式液位调节阀的开度调整；在不同开度情况下，对铝片的磨损率随开度的变化进行测试，获得铝片的磨损率随阀芯开度的离散数据变化曲线，进而通过数据拟合获得铝片的磨损率随阀芯开度的连续数据变化曲线；利用铝片磨损率随进口压力的连续数据变化曲线，结合铝片磨损率随阀芯开度的连续数据变化曲线，扩充获得铝片磨损率与进口压力、阀芯开度的关联关系图谱；

8)类似地，重复步骤7)，改变颗粒粒径及颗粒浓度，继续扩充获得铝片磨损率与进口压力、阀芯开度、颗粒粒径及颗粒浓度的关联关系图谱；

9)在动态调节过程中，基于铝片材料的抗磨特性及磨损设定裕度，预先设置临界磨损率[ε]，并基于实时动态的铝片磨损率实际值KE_C与临界磨损率值[ε]进行对比：

若KE_C＜0.95[ε]，则阀杆位置、进口压力和阀芯开度均保持不变；

若KE_C≥0.95[ε]，则调节阀芯开度、进口压力、颗粒粒径及颗粒浓度，并实时动态更新铝片材料的磨损率实际值KE_C，直至KE_C＜0.95[ε]，以避免阀芯的快速磨损失效。

本发明的有益效果是：

本发明针对石油化工、煤化工、核电工程等流程型工业领域的高压差液位控制阀的服役环境及结构特性，提出了一种多级降压串式液位调节阀结构，通过多个节流区域的分级降压，避免了单级降压环境下液控阀内压差过高造成的流体域流速过高对阀内件造成空蚀/磨损损伤失效，提升了液位调节阀的适用环境。此外，通过多级降压串联结构优化，提高了调节阀的耐更高压差的适应性，有利于延长高压差液控阀的使用寿命和安全稳定运行周期，对于流程设备***的扩能改造和设计优化有重要支撑作用。

本发明适用于石油化工、煤化工、核电工程等高压差的多级降压串式液位调节阀的优化设计和优化运行，预测调控精准度高，对于降压优化和液位精度调整具有重要实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1中区域A的放大图。

图3是图1中区域B的放大图。

图4是本发明中阀芯的轴测图。

图5是本发明中阀芯与阀芯套的配合关系图。

图6是本发明中阀芯与阀芯套的配合1/4剖切图。

图7是阀芯与阀芯套配合的1/4剖切图及内流道流向示意图。

图8是阀芯开度为50％时阀芯与阀芯套的位置关系示意图。

图9是阀芯开度为0％时阀芯与阀芯套的位置关系示意图。

图10是阀芯开度为100％时阀芯与阀芯套的位置关系示意图。

图11是本发明阀芯与阀芯套装配的二维剖视图。

图12是本发明阀芯与阀芯套装配的三维示意图。

图13是本发明某阀芯开度下C₁圆柱展开面磨损深度分布特性图。

图14是测试获得的对应的C₁圆柱面最大磨损深度随阀芯开度的变化情况图。

图15是测试获得的对应的C₁圆柱面最大磨损深度随颗粒粒径的变化情况图。

图16是测试获得的对应的C₁圆柱面最大磨损深度随进口压力的变化情况图。

图中标号说明：1、阀体；2、阀座；3、阀芯套；4、导向套；5、螺母；6、填料压垫；7、填料；8、螺杆；9、阀杆；10、填料压盖；11、连接鞘；12、阀盖；13、阀芯；14、进口法兰；15、法兰缠绕垫；16、法兰盘；17、流体入口流道；18、流体出口流道。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明包括阀体1、阀座2、阀芯套3、阀盖12和阀芯13；阀体1内设有竖直空腔，竖直空腔内设有阀座2，阀座2将阀体1内的竖直空腔分割为位于上部的节流阀芯圆柱空腔和位于下部的缓冲圆柱空腔；阀座2开设中心通孔，中心通孔将节流阀芯圆柱空腔和缓冲圆柱空腔连通，阀体1的两侧分别设置有入口和出口，其中入口流道与缓冲圆柱空腔底部连通，出口流道与节流阀芯圆柱空腔的底部连通；圆柱形的阀座2在上端面和下端面均开设有环形凹槽，环形凹槽内均安装有法兰缠绕垫15进行密封，使得阀座2分别和阀芯套3、阀体1之间通过上端面环形凹槽中的法兰缠绕垫15和下端面环形凹槽中的法兰缠绕垫15进行密封连接。

节流阀芯圆柱空腔中固定安装有阀芯套3、阀芯套3外壁和节流阀芯圆柱空腔的壁面之间具有环形间隙，环形间隙的下部和阀体1的出口连通；阀芯套3底部连接到阀座2，且环形阀座2和阀芯套3同轴安装；阀芯套3内部的空腔内同轴安装具有多个凹口的阀芯13，阀芯13与阀芯套3之间设置流道构成多级串式降压结构。

节流阀芯圆柱空腔从阀体1上端口贯穿出，阀体1上端口固定安装有阀盖12，阀盖12中心设有和节流阀芯圆柱空腔同轴贯通的中心孔，阀盖12中心孔周围的端面将阀芯套3通过螺母5轴向压紧在阀座2上；如图3所示的具体实施例中，阀盖12的中心孔是轴向自下而上开设有渐缩型的多级孔，阀芯13上部嵌入至阀盖12中心孔内的下部，阀芯套3与阀体上端中心孔、阀盖下端中心孔的环向间隙内嵌接有支撑导向功能的导向套4，阀体1上端面与阀盖12下端端面通过周向均布的螺母5连接固定。

远离阀座2的阀芯套3上端侧壁沿周向均布开设多个通孔，一般为四个。流体介质自阀体1的流体入口流道17流入到缓冲圆柱空腔，经阀座2的中心通孔后流入到节流阀芯圆柱空腔，从而实现节流降压。节流阀芯圆柱空腔中节流降压后的流体介质自阀芯套3上端侧壁的通孔内流出至阀体1与阀芯套3之间的环形间隙内，并经环形间隙内汇流至阀体1的流体出口流道18流出。

阀体1的流体入口流道17、流体出口流道18分别安装有进口法兰14和出口法兰，流体入口流道17、流体出口流道18分别和阀体1的入口、出口连通。

阀盖12的中心孔中安装有阀杆9，阀芯13上端穿入阀盖12的中心孔中后和阀杆9下端固定链接。其中阀杆9下端和阀芯13上端之间通过连接鞘11同轴连接，通过阀杆9带动阀芯13在阀芯套3内上下轴向移动。阀盖12和阀芯套3连接处的阀芯13外套装有导向套13，用于阀芯13在轴向位置的上下移动支撑，保证阀芯上下移动的流畅性。

如图3所示，阀杆9和阀盖12中心孔之间的环形间隙从下到上依次安装有填料底垫6、填料7、填料压盖10，填料压盖10上端伸出阀盖12中心孔后的部分设置外凸缘，填料压盖10纸上设置有法兰盘16，法兰盘16通过螺杆8被压紧在填料压盖10上。

如图4所示，位于阀芯套3中的阀芯13的特征是自上到下轴向开设多个对称凹槽结构，多个对称凹槽结构沿轴向间隔布置；每个对称凹槽结构包括沿对称方向分别对称布置在阀芯13两侧的两个凹槽，上下相邻两个对称凹槽结构的两个凹槽所在的对称方向相垂直。结合图5、图6、图7可知，阀芯13与阀芯套3之间的多级串式降压结构，具体为：位于阀芯套3上端通孔下方的阀芯套3内设置有阶梯腔，阶梯腔从上到下轴向间隔一定距离设置有多个内凸缘作为节流环，多个节流环将阶梯腔整体进行分割而分为多个小腔。节流环的内径和阀芯13的外径一致，且凹槽的宽度大于节流环的厚度。

如图5所示，阀芯套3内部的阶梯腔从上到下轴向等距间隔设置有三个内凸缘，三个内凸缘将阶梯腔整体进行分割而分为四个小腔；结合图4可知，位于阀芯套3中的阀芯13的特征是自上到下轴向开设三个对称凹槽结构，三个对称凹槽结构沿轴向间隔在布置，每个对称凹槽结构包括沿对称方向分别对称布置在阀芯13两侧的两个凹槽，上下相邻两个对称凹槽结构的两个凹槽所在的对称方向相垂直；每个凹槽的上侧槽壁设置为过渡斜面，最上面的对称凹槽结构之上的阀芯13外周面设有沿环形完整的环形凹槽，环形凹槽处于阀芯套3上端的通孔附近。

图4是本发明中阀芯的轴测图。由图可知，阀芯的结构具体为糖葫芦形，呈现多级串式结构。其下端为圆柱形且布设有倒角，圆柱形末端向上首先间隔一定距离对称开设两个大小尺寸均相同的凹槽，然后再向上等距间隔一定距离扭转90°方向对称相对开设两个大小尺寸均相同的凹槽，之后再向上等距间隔一定距离扭转90°方向对称相对开设两个大小尺寸均相同的凹槽，整个阀芯13的下部外壁面依次开设三对凹槽，且相邻凹槽间的相位差为90°。

如图5所示，表示阀芯与阀芯套的配合关系图。阀芯套3的内部空腔内设置自上而下依次间隔设置3组中部开孔的节流环，节流环的外壁面与阀芯套3内部空腔内壁面焊接固定；阀芯13自阀芯套3底部自下而上穿过阀芯套内部空腔。其中，阀芯13末端圆柱形端直径略大于阀芯套3内部空腔内最下方的节流环中部孔径。兹定义阀芯套3内部空腔最下方节流环的下表面至阀座2上表面的距离为H，阀芯13末端圆柱形端高度为h，则阀芯13在阀芯套3中的最大行程为H-h，即阀芯的开度范围为0～(H-h)。定义阀芯套3内部空腔自下而上节流环的高度方向中心作水平截面，分别定义为调节阀第一级，调节阀第二级，调节阀第三级，表示为截面I、截面II、截面III。相应地，调节阀的级数表示调节阀内部流体介质节流次数。

图6、图7分别为阀芯与阀芯套的配合1/4剖切图(轴测图)、阀芯与阀芯套配合的1/4剖切图及内流道流向示意图。通过阀杆9带动阀芯13在阀芯套3内上下轴向移动，多个对称凹槽结构在阀芯13上非对齐地布置，使得阀芯13的多个对称凹槽结构在阀芯套3的各个节流环内往复运动，改变节流面积，实现不同的阀芯开度控制调整。其中，阀芯13相对于阀芯套的轴向位置不同，对称凹槽结构与节流环之间的间隙不同，导致流体介质的流通面积不同，进而触发阀芯开度的不同导致流域内的流通面积、流量不同，实现了多级降压串式液位调节。图6、图7仅仅示意了3个对称凹槽的阀芯结构，在工程实际中可以设置更多个对称凹槽的阀芯结构，从而实现更高压力的降压调节。结合图5的开度定义，当阀芯13的下端面压紧连接到阀座2中心通孔的上端面时，阀门开度为零，处于关闭状态，此时缓冲圆柱空腔的流体介质无法流通到节流阀芯圆柱空腔中，其结构示意图如图9所示，表示阀芯开度为0％时阀芯与阀芯套的位置关系示意图。类似地，当阀芯13下端面距离阀座2中心通孔的上端面距离为(H-h)时，此时的开度为100％开度，如图10所示，此时节流腔流体不流通。

图8表示阀芯开度为50％时阀芯与阀芯套的位置关系示意图。阀芯13处于可移动开度的中间位置时，其开度位于中位，即50％(H-h)。此时，缓冲圆柱空腔中的流体介质经阀座2的中心通孔后流入到阀芯套3最下端的小腔中，然后经阀芯13的一个对称凹槽进入阀芯套3的下一个小腔。依次类推到阀芯套3最上端的最后一个小腔中，再从阀芯13的环形凹槽中流入到阀芯套3上端侧壁的通孔，从阀芯套3上端侧壁的通孔内流出至阀体1与阀芯套3之间的环形间隙，最终汇流至阀体1的出口流出。

本发明具体实施的阀门内流道磨损特性预测调控过程包括如下步骤：

1)搭建循环式管道回路，循环式管道回路中设有液相油和颗粒，在循环式管道回路中间区域设置对置法兰，在对置法兰间安装多级降压串式液位调节阀，利用循环泵和加压泵对循环式管道回路中的液相油和颗粒进行输送和加压，并调节多级降压串式液位调节阀的进出口压力；设置多级降压串式液位调节阀的入口压力P_in≥11.7MPa，出口压力为3MPa；

2)定义阀芯13和阀芯套3之间流体域中流体节流的次数为级数。定义阀芯套3内部空腔自下而上节流环的高度方向中心作水平截面，分别定义为调节阀第一级，调节阀第二级，调节阀第三级，表示为截面I、截面II、截面III。相应地，调节阀的级数表示调节阀内部流体介质节流次数。流体自截面III以上的区域节流后，流至阀芯套上部周向布置的四个通孔。

3)试验过程中，在多级降压串式液位调节阀中各个调节阀级数处的阀芯套3内壁和阀芯13外壁的不同位置分别固定粘结铝片，铝片为环形结构在同一圆周布置，并在每个铝片附近粘结n个压力应变片和m个流速仪，实时采集换算得到不同时刻的阀芯套3内壁、阀芯13外壁不同位置的m个流速分布值和n个压力分布值，获得流体流通区域内的速度场和压力场分布特性；每组实验测试完成后，基于激光位移传感器扫描测试铝片的磨损率KE_C。

图11、图12分别表示阀芯与阀芯套装配的二维剖视图、阀芯与阀芯套装配的三维示意图。其中在阀芯套内圆柱面标记3个圆柱面C₁、C₂、C₃，分别对应调节阀第一级、调节阀第二级、调节阀第三级。在阀芯套3内壁和阀芯13外壁分别固定粘结圆环形铝片。

4)调节多级降压串式液位调节阀的进口压力至11.7MPa，利用步骤3)换算获得调节阀内流域不同时刻不同位置的n个压力分布值和m个流速分布值，获得流域内压力场和速度场的分布特性；基于激光位移传感器扫描获得的铝片磨损深度，结合铝片的密度和磨损体积进行换算，建立磨损率KE_C与压力分布、流速分布的关联关系。图13为测试获得的某阀芯开度下C₁圆柱面沿其周向展开的磨损深度分布特性。其中纵坐标length ratio定义为沿C₁高度方向的高度值H_C与C₁面周长的比值，用以确定磨损失效的高度位置；横坐标为与图12阀芯端面相匹配的相位角，确定磨损失效的C₁圆柱面周向区域的相位位置。

5)基于步骤4)，保持恒定调节阀进口压力值为11.7MPa，分别调节不同的阀芯开度，例如0～100％(H-h)，分别测试10％、20％、30％直至100％开度时关键区域C₁、C₂、C₃的圆柱展开面对应的磨损率分布图谱；

6)以固定压力间隔量依次提升调节多级降压串式液位调节阀的进口压力P_in，例如将P_in的压力逐渐调升至13.7MPa，15.7MPa，17.7MPa，19.7Mpa，并重复步骤4)、步骤5)的实验方法，分别绘制不同级数流体域内阀芯套内圆柱面关键区域C₁、C₂、C₃粘结固定的铝片磨损率KE_C随进口压力P_in变化的离散数据曲线；

7)对于铝片的磨损率KE_C随进口压力P_in的离散数据变化曲线，进行数据拟合获得铝片磨损率随进口压力的连续数据变化曲线；

8)动态调节控制阀杆9的不同高度位置，进而带动阀芯13上下升降移动，即相对于阀芯套3的位置，从而实现多级降压串式液位调节阀的开度调整；重复步骤5)，在不同阀芯开度的情况下，对阀芯套内圆柱面关键区域C₁、C₂、C₃粘结固定的铝片磨损率随开度的变化进行测试，获得铝片的磨损率随阀芯13开度的离散数据变化曲线，进而通过数据拟合获得铝片的磨损率随阀芯开度的连续数据变化曲线；扩充获得铝片磨损率与进口压力、阀芯开度的关联关系图谱；图14是测试获得的对应的C₁圆柱面最大磨损深度随阀芯开度的变化规律，图16是测试获得的对应的C₁圆柱面最大磨损深度随进口压力的变化规律。

9)类似地，重复步骤7)，改变颗粒粒径及颗粒浓度，继续扩充获得铝片磨损率与进口压力、阀芯开度、颗粒粒径及颗粒浓度的关联关系图谱；图15是测试获得的对应的C₁圆柱面最大磨损深度随颗粒粒径的变化规律。

10)基于步骤9)获得的C1圆柱面粘结固定的铝片磨损率KE_C与阀芯开度X₁、颗粒粒径X₂、进口压力X₃的关系图谱，通过拟合获得磨损率与阀芯开度、颗粒粒径、进口压力的关联方程，表示为：

KE_C＝-0.0189X₁ ²+1.7472X₁+0.2571X₂+2.5503X₃-71.4857

式中X₂为粒径，单位微米μm，X₃为进口压力，单位为MPa。

类似地，可以求解圆柱面C₂、C₃圆柱面粘结固定的铝片磨损率与阀芯开度、颗粒粒径、进口压力之间的关联关系方程。

11)在动态调节过程中，考虑步骤1)～步骤10)测试的磨损率均为对应的铝片磨损率，故针对实际的阀芯材质，例如碳钢、不锈钢，分别在铝片磨损率KE_C的基础上，设置材料系数W表征不同材料对应的磨损率，例如碳钢磨损率表示为W₁KE_C，不锈钢磨损率表示为W₂KE_C；本实施例仅以铝片为例进行介绍。基于铝片材料的抗磨特性(与材料性质相关)及磨损设计裕度，预先设置临界磨损率[ε]，并基于实时动态的铝片磨损率实际值KE_C与临界磨损率值[ε]进行对比：

若KE_C＜0.95[ε]，则阀杆位置、进口压力和阀芯开度均保持不变；

若KE_C≥0.95[ε]，则调节阀芯开度、进口压力、颗粒粒径及颗粒浓度，并实时动态更新铝片材料的磨损率实际值KE_C，直至KE_C＜0.95[ε]，以避免阀芯的快速磨损失效。

通过上述阀门结合磨损特性预测调控过程的处理，能够实现了通过变工况实验测试标定了高压差液位调节阀内流道流动磨损特性与阀芯开度、进口压力、颗粒粒径及颗粒浓度等影响因素间的关联关系模型，并形成了一种基于临界流动磨损率的多级降压串式液位调节阀的抗流动磨损动态监测与调控，适用于多级降压串式液位调节阀的流动磨损状态监测及动态调控，并实现复杂服役环境下高压差液位调节阀流动磨损临界特性的自消除。

Claims (7)

1.一种多级降压串式液位调节阀结构，其特征在于：

包括阀体(1)、阀座(2)、阀芯套(3)、阀盖(12)和阀芯(13)；阀体(1)内设有竖直空腔，竖直空腔内设有阀座(2)，阀座(2)将阀体(1)内的竖直空腔分割为位于上部的节流阀芯圆柱空腔和位于下部的缓冲圆柱空腔，阀座(2)开设中心通孔，中心通孔将节流阀芯圆柱空腔和缓冲圆柱空腔连通，阀体(1)的两侧分别设有入口和出口，入口和缓冲圆柱空腔底部连通，出口和节流阀芯圆柱空腔的底部连通；节流阀芯圆柱空腔中固定装有阀芯套(3)，阀芯套(3)外壁和节流阀芯圆柱空腔的壁面之间具有环形间隙，环形间隙和阀体(1)的出口连通；阀芯套(3)底部连接到阀座(2)，阀芯套(3)内部的空腔内同轴安装具有多个凹口的阀芯(13)，阀芯(13)与阀芯套(3)之间设置流道构成多级串式降压结构；阀体(1)上端口固定安装有阀盖(12)，阀盖(12)中心设有和节流阀芯圆柱空腔同轴贯通的中心孔，阀盖(12)中心孔周围的端面将阀芯套(3)轴向压紧在阀座(2)上；远离阀座(2)的阀芯套(3)上端侧壁沿周向均布开设多个通孔，流体介质从阀体(1)入口流入到缓冲圆柱空腔，经阀座(2)的中心通孔后流入到节流阀芯圆柱空腔，节流阀芯圆柱空腔中节流降压后的流体介质自阀芯套(3)上端侧壁均布的通孔内流出至阀体(1)与阀芯套(3)之间的环形间隙内，并经环形间隙内汇流至阀体(1)的出口流出。

2.根据权利要求1所述的一种多级降压串式液位调节阀结构，其特征在于：所述的阀盖(12)的中心孔中安装有阀杆(9)，阀芯(13)上端穿入阀盖(12)的中心孔中后和阀杆(9)下端固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种多级降压串式液位调节阀结构，其特征在于：所述的阀盖(12)和阀芯套(3)连接处的阀芯(13)外套装有导向套(4)。

4.根据权利要求2所述的一种多级降压串式液位调节阀结构，其特征在于：

所述的阀杆(9)和阀盖(12)中心孔之间的环形间隙从下到上依次安装有填料底垫(6)、填料(7)、填料压盖(10)，填料压盖(10)上端伸出阀盖(12)中心孔后的部分设置外凸缘，填料压盖(10)之上设有法兰盘(16)，法兰盘(16)通过螺杆(8)固定连接到阀盖(12)上端部，法兰盘(16)通过螺杆(8)被压紧在填料压盖(10)上。

5.根据权利要求2所述的一种多级降压串式液位调节阀结构，其特征在于：

所述的阀芯(13)与阀芯套(3)之间的多级串式降压结构，具体为：位于阀芯套(3)上端通孔下方的阀芯套(3)内设有阶梯腔，阶梯腔内从上到下轴向间隔设置有多个内凸缘作为节流环，多个节流环将阶梯腔整体进行分割而分为多个小腔；位于阀芯套(3)中的阀芯(13)的特征是自上到下轴向开设多个对称凹槽结构，每个对称凹槽结构包括沿对称方向分别对称布置在阀芯(13)两侧的两个凹槽，上下相邻两个对称凹槽结构的两个凹槽所在的对称方向相垂直；节流环的内径和阀芯(13)的外径一致，且凹槽的宽度大于节流环的厚度。

6.根据权利要求1所述的一种多级降压串式液位调节阀结构，其特征在于：所述的阀座(2)在上端面和下端面均开设有环形凹槽，环形凹槽内均安装有法兰缠绕垫(15)进行密封。

7.根据权利要求2所述的一种多级降压串式液位调节阀结构，其特征在于：所述的阀杆(9)下端和阀芯(13)上端之间通过连接鞘(11)同轴连接，通过阀杆(9)带动阀芯(13)在阀芯套(3)内上下轴向移动。

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