[发明专利]一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法

摘要

本发明公开了一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法，本发明综合考虑水下平板闸阀运动特性以及实际生产工况对摩擦力负载的影响，提出一种基于阀门开度的水下平板闸阀摩擦力负载的建模方法，可以分析出阀板下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性以及阀板下游压力的影响，从而达到模型修正的目的，本发明能更准确地反映阀门运动对负载力的影响以及预测水下平板闸阀的动态特性，从而为高可靠性的水下平板闸阀及执行机构优化设计和制造提供理论依据。

主权项

一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法，其特征在于：包括水下平板闸阀摩擦力负载建模方法与阀板下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性以及阀板下游压力影响的分析方法两部分内容；所述的水下平板闸阀摩擦力负载建模方法包括如下步骤，第一步，对水下闸板阀实际工况进行假设：(1)输油管道内流动为不可压缩单相流；(2)原油物性参数保持恒定；(3)水下平板闸阀阀板上游压力保持恒定；(4)忽略水下平板闸阀阀板下游其他设备局部压力损失；(5)阀门在动作时，阀板和阀座的有效密封面积和摩擦系数保持恒定；第二步，建立水下平板闸阀阀板摩擦力负载模型；假设摩擦力负载为f，根据摩擦力方程可得摩擦力负载f公式为：f＝μ·Δp·As＝μAs(pup‑pdown)             (1)式中：μ为阀板/阀座间的摩擦系数，Δp为阀板上下游压差，As为阀板/阀座的有效密封面积，阀板上游密封面有效直径为Ds，pup为阀板上游压力，pdown为阀板下游压力；阀板/阀座的有效密封面积As的公式为：As=π4Ds2---(2)]]>式中：Ds为阀板上游密封面有效直径；第三步，水下平板闸阀阀门开度定义；假设阀板位移为x，阀门开度h(x)定义如下：h(x)=00≤x<x0x-x0x1-x0x0≤x<x1---(3)]]>式中：x0为阀门刚打开时阀板位移，x1为阀门完全打开时阀板位移；第四步，水下平板闸阀在阀板位移x从0到x0过程中的摩擦力负载方程表示；由于流体介质没有流通，所以可假设水下平板闸阀摩擦力负载为恒定值，阀板上下游压差Δp是阀板上游压力pup和水下平板闸阀下游压力pdown差值，其中，阀板上游压力pup可简化为水下平板闸阀额定工作压力pt，水下平板闸阀下游压力pdown是工作水深引起的背压，与水下平板闸阀上游处与水平面距离h1、下游陆上平台处与水平面距离h2和流体介质密度ρ有关，该过程中的摩擦力负载方程如下：f＝μAs(pup‑pdown)＝μAs[pt‑ρg(h1+h2)]      (4)第五步，水下平板闸阀在阀板位移x从x0到x1过程中的摩擦力负载方程表示；假设输油管道内流动为不可压缩单相流，其物性参数保持恒定，水下平板闸阀阀板上游压力为p1，流经水下平板闸阀阀板上游的平均流速为v1≈0m/s，水下平板闸阀阀板下游压力为p2，流经下游陆上平台的平均流速为v，水下平板闸阀局部压力损失为hξ，沿程阻力损失为hL，忽略水下平板闸阀阀板下游其他设备局部压力损失；水下平板闸阀在动作时，阀板和阀座的有效密封面积和摩擦系数保持恒定，建立水下平板闸阀上游处和下游陆上平台处的伯努利方程：p1ρg+v122g+h=p2ρg+v22g+h2+hξ+hL---(5)]]>第六步，水下平板闸阀在阀板位移x从x0到x1过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀局部压力损失hξ方程表示；水下平板闸阀局部压力损失hξ是与水下平板闸阀局部阻力系数ξ和下游平均流速v有关，其中，水下平板闸阀局部阻力系数为ξ与阀门开度h(x)有关，采用Thorley试验结果，ξ(x)方程如下：ξ(x)=5106.1473[h(x)]1.9735660≤h(x)<3030.82205e-0.053809h(x)30≤h(x)≤100---(6)]]>hξ(x)=ξ(x)v2(x)2g---(7)]]>第七步，水下平板闸阀在阀板位移x从x0到x1过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀沿程阻力损失为hL方程表示；水下平板闸阀沿程阻力损失为hL是与水下平板闸阀沿程阻力系数λ、下游平均流速v、油管有效长度L和油管水力直径D有关，其中，水下平板闸阀沿程阻力系数λ与油管粗糙度ε和油管内介质流动雷诺数为Re有关，采用Haaland模型，可得沿程阻力系数λ方程如下：1λ=-1.8log[(ϵ/D3.7)1.11+6.9Re]---(8)]]>hL=λLDv2(x)2g---(9)]]>第八步，水下平板闸阀在阀板位移x从x0到x1过程中的摩擦力负载模型中，管道内平均流速为v(x)表示；假设水下平板闸阀阀板上游压力p1为水下平板闸阀额定工作压力pt，将水下平板闸阀沿程阻力损失hL方程(9)和水下平板闸阀局部压力损失hξ方程(7)带入伯努利方程方程(5)中可得：p1-p2=ρv2(x)2+ρg(h1+h2)+ξ(x)ρv2(x)2+λLDρv2(x)2=pt-ρg(h1+h2)---(10)]]>化简方程(10)可得管道内平均流速为v(x)方程(11)：v(x)=2pt-4ρg(h1+h2)ρ[1+ξ(x)+λLD]---(11)]]>第九步，水下平板闸阀在阀板位移x从x0到x1过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀摩擦力负载f(x)方程表示；水下平板闸阀阀板下游压力p2主要是由水下平板闸阀的工作水深和局部压力损失决定，公式见方程(12)所示，将水下平板闸阀局部压力损失hξ方程(6)带入方程(12)可得下水下平板闸阀阀板下游压力pdown(x)的表达式，最后带入方程(1)中，得到动摩擦力负载f(x)方程，pdown(x)＝p2＝pt‑ρghξ                                      (12)pdown(x)=pt-ξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLD---(13)]]>f(x)=μAsξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLD---(14)]]>第十步，水下平板闸阀在启动到关闭过程中，基于阀门开度的摩擦力负载f(x)方程表示；结合方程(4)和方程(14)，可得水下平板闸阀在启动到关闭过程中，基于阀门开度的摩擦力负载表达式：f(x)=μAs[pt-ρg(h1+h2)]0≤x<x0μAsξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLDx0≤x≤x1---(15)]]>式中：f为摩擦力负载，μ为阀板/阀座间的摩擦系数，As为阀板/阀座的有效密封面积，pt为水下平板闸阀额定工作压力，ρ为流体介质密度，h1为水下平板闸阀上游处与水平面距离，h2为下游陆上平台处与水平面距离，ξ为局部阻力系数，λ为沿程阻力系数，L为油管有效长度，D为油管水力直径，x为阀板位移，x0为阀门刚打开时阀板位移，x1为阀门完全打开时阀板位移；阀板下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性以及阀板下游压力影响的分析方法的分析步骤为，第一步，根据上述提供的水下平板闸阀摩擦力负载建模的具体步骤，设置仿真参数，建立水下平板闸阀摩擦力负载模型；第二步，通过建立的水下平板闸阀摩擦力负载模型，计算不同阀门开度下的阀板下游压力，并与水下平板闸阀经典模型的仿真结果进行对比，分析下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对阀板下游压力的影响；第三步，通过建立的水下平板闸阀摩擦力负载模型，计算不同阀门开度下的摩擦负载力，并与静态摩擦负载力进行对比，分析下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性的影响。