調節閥氣蝕與閃蒸的危害分析及對策
在調節閥的使用過(guò)程中，氣蝕和閃蒸是最為常見(jiàn)的流動(dòng)現象，也是難以避免的現象。氣蝕產(chǎn)生的蒸汽氣泡、爆炸現象對閥內件的破壞相當嚴重，引起調節閥壽命的縮短;閃蒸會(huì )對閥芯產(chǎn)生嚴重的沖刷破壞，使閥芯和閥座密封處損害，閥門(mén)的關(guān)閉性能?chē)乐亟档�。氣蝕和閃蒸還可能引起噪音，振動(dòng)。因此克服調節閥的氣蝕和閃蒸，顯得尤為重要。
1、對調節閥產(chǎn)生氣蝕和閃蒸的分析
氣蝕和閃蒸都是針對于液體介質(zhì)而言，液體介質(zhì)在閥芯處節流時(shí)，由于靜壓降低到液體的飽和蒸汽壓以下而使液體發(fā)生汽化的現象稱(chēng)為空化，介質(zhì)流過(guò)閥座后，如果靜壓恢復到大于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，原先空化的蒸汽又恢復成液體狀態(tài)，這時(shí)汽泡破裂會(huì )釋放巨大的能量，會(huì )引起噪音、振動(dòng)，導致閥內件損壞，這一現象稱(chēng)為氣蝕;如果靜壓不能恢復到液體的飽和蒸氣壓，則流出閥體的將會(huì )是蒸汽或蒸汽液體混合物，此時(shí)會(huì )產(chǎn)生嚴重的沖刷和噪音，這一現象稱(chēng)為閃蒸。通過(guò)圖1～3來(lái)分別表示流體不產(chǎn)生氣蝕、產(chǎn)生氣蝕、產(chǎn)生閃蒸時(shí)流體在流經(jīng)閥體內部時(shí)的壓力變化。
1.1、不產(chǎn)生氣蝕的壓差范圍
圖1表示流體通過(guò)閥的時(shí)候，由于大于，不會(huì )引起沸騰現象，液體仍保持原有狀態(tài)。
圖1 正常狀態(tài)
P1———閥的入口壓力，P2———閥的出口壓力，Pv———閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力，Pc———液體(熱力學(xué))臨界壓力，Pvc———流體縮流斷面的壓力.
1.2、產(chǎn)生氣蝕狀態(tài)的壓差范圍
圖2表示降至以下的液體壓力，在出口側又恢復到以上，原先產(chǎn)生的氣泡再次破滅。
圖2 氣蝕狀態(tài)(PvcPv)
P1———閥的入口壓力，P2———閥的出口壓力，Pv———閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力，Pc———液體(熱力學(xué))臨界壓力，Pvc———流體縮流斷面的壓力.
1.3、產(chǎn)生閃蒸狀態(tài)的壓差范圍
圖3表示仍在以下徘徊，也未恢復到以上的區域，出口側出現氣液兩相的流體，這種現象稱(chēng)為閃蒸，此時(shí)閥內處于阻塞流狀態(tài)，對流量影響極大。
圖3 閃蒸狀態(tài)(P2
P1———閥的入口壓力，P2———閥的出口壓力，Pv———閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力，Pc———液體(熱力學(xué))臨界壓力，Pvc———流體縮流斷面的壓力.
為便于對液體在閥內的流動(dòng)狀態(tài)分析，把一個(gè)有一定開(kāi)度的調節閥模擬成一個(gè)同心孔板如圖4所示。圖4用以說(shuō)明流體在閥內流動(dòng)過(guò)程中各點(diǎn)的速度和壓力的分布曲線(xiàn)。
圖4 流體通過(guò)閥門(mén)的壓力和速度變化曲線(xiàn)
根據熱力學(xué)第一定律，如果流體流過(guò)系統邊界層沒(méi)有發(fā)熱和做功的能量損失，在該系統中沿確定的基準面每點(diǎn)上的總能級保持一定。流體通過(guò)孔板前開(kāi)始收縮，以便通過(guò)孔板，其流速與流體面積成反比，故流速增加，因為速度與壓力之和保持大約相等，能量的相互轉換必然會(huì )由于速度增加導致壓力下降。
在鄰近孔板的下游，流體將達到它的最小截面，最大速度和最小壓力，這點(diǎn)稱(chēng)為縮流(Pvc)。如果該點(diǎn)速度充分增加，壓力降到蒸汽壓，就使得在流體中產(chǎn)生空腔。這便是氣蝕的第一階段。從離開(kāi)縮流處的下游開(kāi)始，由于流體摩擦引起流體減速，其結果使流體截面和壓力增加，這一能量反向轉換即“壓力恢復”，在縮流處，壓力減少到蒸汽壓而形成的蒸汽泡在壓力增加的下游不可能存在，而會(huì )擠壓破裂恢復成液體狀態(tài)，這一過(guò)程便是氣蝕。
由于液體中空腔破裂產(chǎn)生的沖擊波，向四周發(fā)射，當這種沖擊波發(fā)生于鄰近的固體邊界層時(shí)，就產(chǎn)生一種高度擠壓和連續不斷的小撞擊，任何一個(gè)確定的表面增量受到重復沖擊趨于疲勞直至極限時(shí)，細小金屬層便會(huì )脫落。其他理論認為，在此基礎上，還同時(shí)伴隨著(zhù)化學(xué)腐蝕過(guò)程。
就閃蒸液體而言，由于蒸汽體積常常大于液體體積，以致于使液滴趨向于達到蒸汽高速度。液滴沖擊閥體表面如同固體顆粒沖擊表面一樣，使閥體材料損壞脫落。由于液體閃蒸產(chǎn)生的物理?yè)p壞一般發(fā)生在下游部分。如果閥門(mén)入口的液體接近于飽合狀態(tài)，使得閃蒸開(kāi)始發(fā)生于閥體的上游部分，則閥座與閥芯的密封表面也可能受到影響。
假如引出一個(gè)系統氣蝕參數，作為引起調節閥氣蝕的系統狀態(tài)趨勢度量，那么
式中：Ksc———系統氣蝕指數;
Kc———初始氣蝕指數;
ΔP———閥門(mén)壓力降。
用于液體流量的計算方程：
式中：qv———液體體積流量;
ρ———液體密度;
Cv———閥門(mén)流通能力。
表示Ksc點(diǎn)的qv相對于
的典型曲線(xiàn)如圖5所示，可見(jiàn)qv與在一定范圍內呈現線(xiàn)性關(guān)系，當ΔP增加到某一值后，Ksc=Kc，將導致Cv值下降，這就是產(chǎn)生氣蝕的前兆，此后，qv與
比例失調，大部分開(kāi)始氣蝕。若閥門(mén)出口壓力進(jìn)一步降低，氣化量增大，氣蝕強度增加，液體流通能力Cv進(jìn)一步降低。若壓力降足夠大，流動(dòng)完全受阻，以致于壓降再增加也不能引起流量增加，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為阻塞流。事實(shí)上，閥門(mén)恢復系數Km是發(fā)生劇烈氣蝕的很好指標。
式中：Km———閥門(mén)恢復系數;
ΔPm———產(chǎn)生阻塞流時(shí)閥門(mén)壓降。
圖5 qv與的典型曲線(xiàn)
可以把Kc和Km看成系統氣蝕參數Ksc的兩個(gè)數值，表征一個(gè)具體閥門(mén)的兩個(gè)氣蝕強度。當Ksc=Kc時(shí)，閥門(mén)開(kāi)始產(chǎn)生氣蝕現象，如果P1不變，進(jìn)一步降低P2直至Ksc達到Km時(shí)，閥內出現阻塞狀態(tài)。
根據上式可得到阻塞流方程：
式中：γc———臨界壓力比。
在一般計算調節閥口徑的公式中，閥門(mén)計算用的壓力條件已定，用該方程式可計算出ΔPm，由圖5發(fā)現，如果計算的ΔPm小于實(shí)際ΔP，這個(gè)流量將處于阻塞流狀態(tài);如果ΔPm計算值大于實(shí)際ΔP，則表明閥門(mén)將運行在qv與成比例的范圍內。Km包括了所采用閥門(mén)類(lèi)別的影響，它是衡量縮流和閥門(mén)出口間壓力恢復的尺度，Km值越高(閥門(mén)壓力恢復能力越低)，允許閥門(mén)壓降越高，越有利于防止氣蝕的發(fā)生。
2、如何消除氣蝕對閥門(mén)造成的危害
2.1、改變工藝系統
通過(guò)降低液體溫度或在一定差壓下提高閥后壓力，使流體在縮流處不低于其液體的飽和蒸汽壓。
2.2、改善安裝條件
在閥前或閥后安裝一個(gè)或多個(gè)限流孔板壓降，或者串聯(lián)安裝兩個(gè)以上的調節閥使每個(gè)閥上的壓降不超過(guò)ΔP允，上游閥可具有較大的壓降，串聯(lián)閥門(mén)的個(gè)數，由總壓降決定。
其中：ΔP允=Kc(P1-Pv)
當工藝系統仍在設計階段正在選擇閥門(mén)安裝位置時(shí)，如果已確定某個(gè)閥門(mén)將出現阻塞流，采用不同的位置如安裝在長(cháng)管線(xiàn)的開(kāi)頭或安裝在閥后壓力更高的位置，這樣可以允許較高的入口壓力以消除阻塞流。
2.3、選擇特殊結構的閥體
氣蝕可以通過(guò)閥門(mén)結構來(lái)消除，比如多級降壓或迷宮式等，采用多級降壓原理，把閥體部件總的壓差分成幾個(gè)小壓差，逐級降壓，確保其節流縮徑處的壓力都不低于液體的飽和蒸汽壓，從而不會(huì )產(chǎn)生氣蝕的氣泡。
例如目前國內市場(chǎng)上出現的氣動(dòng)薄膜角型多級調節閥，它采用類(lèi)似在長(cháng)管道中放入幾個(gè)節流孔板以達到逐級降壓的目的。由于高壓液體在流過(guò)多節流孔的過(guò)程中逐漸降壓，因此，每級的閥芯上只承擔一部分壓差(在設計上使其處于允許范圍之內)，使節流后壓力在閥的部分高于液體的飽合蒸汽壓力。從而，有效地避免氣蝕現象，防止由此引起的噪音、振動(dòng)及其對調節閥的侵蝕。
2.4、利用液體的多孔節流原理
利用液體的多孔節流原理，減少氣蝕的發(fā)生。這類(lèi)閥體部件的特點(diǎn)是在閥體部件的套筒壁上或閥芯上開(kāi)有許多特殊形狀的孔。當液體從各個(gè)小孔噴射進(jìn)去后，在套筒中心相互碰撞，一方面出于碰撞消耗能量，起到緩沖作用;另一方面，因氣泡的破裂發(fā)生在套筒中心，這樣，就避免了對閥芯和套筒的直接破壞。
2.5、選擇適當的材質(zhì)
一般情況下，材料越硬，抗蝕能力越強，但目前仍沒(méi)有找到長(cháng)時(shí)間抵抗嚴重氣蝕作用而不受損害的材料。因此，在有氣蝕作用的情況下，應該考慮到閥芯、閥座易于更換。目前，制造閥芯、閥座的材料從抗氣蝕的角度出發(fā)，國內外使用最廣泛的是司鈦萊合金(用Co、Cr、W元素)、硬化工具鋼和鈷鎢合金鋼，特殊的表面要進(jìn)行硬化處理。當用司鈦萊合金時(shí)，可在這些不銹鋼基體上進(jìn)行堆焊和噴焊，以形成硬化表面。按不同的使用條件，硬化表面可局限于閥座和閥芯密封面上，也可以是閥環(huán)和閥桿全部堆焊。
3、如何減輕閃蒸對閥門(mén)造成的危害
在調節閥里閃蒸是不能預防的，所能做到的就是減輕閃蒸的破壞。在調節閥設計中影響著(zhù)閃蒸破壞的因素主要有閥門(mén)結構、材料性能和系統設計。
3.1、材料選擇
一般情況下，硬度較高、耐磨損的材料更能抵御閃蒸的破壞。硬度高的材料常常用于制造閥體。如采用球形閥，最好用鉻鉬合金鋼閥體，因為閃蒸出現在閥體內部。如果角形閥下游配裝材料硬度高的管道，其閥體可以選用碳鋼材料，因為僅僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。
3.2、閥門(mén)結構
閃蒸破壞是高速度的飽和氣泡沖擊閥體表面，并腐蝕閥體表面造成的�？梢赃x擇角型閥、偏心旋轉閥等流通性好、流阻小的閥門(mén)。例如角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內部下游管道的中心，而不是象球形閥一樣直接沖擊體壁，所以大大減少了沖擊閥體體壁的飽和氣泡數量。從而減弱了閃蒸的破壞力。因此在閃蒸破壞出現的情況下，角形閥體設計比球形閥體更為經(jīng)濟。在某些情況下，常常采用由一段下游管道承受閃蒸破壞的方法保護閥門(mén)。
3.3、系統設計
閃蒸現象是由系統設計所決定的。擴大節流縮徑后的閥后容腔，降低流速，即降低沖刷速度和沖刷能量。例如冷凝器相對于管道來(lái)說(shuō)具有更大的容積防止高速度的氣泡沖擊材料表面。因而良好的系統設計能幫助防止閃蒸破壞的發(fā)生。
4、結束語(yǔ)
在許多應用場(chǎng)合，減輕閃蒸所帶來(lái)的破壞和防止氣蝕的發(fā)生所采取的各種措施都會(huì )受到其費用和復雜程度的限制，因此工程設計人員的目標是通過(guò)合理的閥門(mén)設計可以防止氣蝕的發(fā)生，通過(guò)優(yōu)化閥門(mén)結構和合理地選用閥體材料可以減輕閃蒸所帶來(lái)的破壞。
