調節閥氣蝕現象的分析及改進(jìn)措施
1、概述
調節閥作為自動(dòng)控制調節系統中的執行部件,在現代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用, 其控制及通訊方式隨著(zhù)計算機及總線(xiàn)新技術(shù)的應用而發(fā)生了根本性的轉變, 大大提高了控制的準確度及可靠性。但在高溫高壓工況使用過(guò)程中, 管道流體往往因設備結構設計、安裝或工藝參數設計不當等原因而產(chǎn)生氣蝕, 對調節閥內件造成嚴重的損傷, 同時(shí)引起整個(gè)系統的振動(dòng)及噪聲, 嚴重影響調節閥的使用壽命及控制系統的精確性, 給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的隱患。
2、氣蝕機理
氣蝕是一種水力流動(dòng)現象, 氣蝕的直接原因是管道流體因阻力的突變產(chǎn)生了閃蒸及空化。在工藝系統中調節閥屬節流部件, 起變阻力元件的作用,其核心是一個(gè)可移動(dòng)的閥瓣與不動(dòng)的閥座之間形成的節流窗口, 改變閥瓣位置就可改變調節閥的阻力特性, 進(jìn)而改變整個(gè)工藝系統的阻力特性。在高壓差(△p >2.5MPa) 時(shí), 調節閥的調節過(guò)程就是阻力的突變過(guò)程, 此過(guò)程極易產(chǎn)生氣蝕。為便于分析,將調節閥的節流過(guò)程模擬為節流孔調節式(圖1) ,
圖1 空化現象的形成
可以看出進(jìn)口壓力為p1, 流速為V1的流體流經(jīng)節流孔時(shí), 流速突然急劇增加, 根據流體能量守恒定律,流速增加靜壓力便驟然下降。當出口壓力p2 達到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓pv時(shí), 部分液體就汽化為氣體, 形成氣液兩相共存的現象, 此既為閃蒸的形成。如果產(chǎn)生閃蒸之后, p2不是保持在飽和蒸汽壓之下, 在離開(kāi)節流孔后隨著(zhù)流道截面的增大流速相應減小, 閥后壓力急驟上升。升高的壓力壓縮閃蒸產(chǎn)生的氣泡, 氣泡由圓形變?yōu)闄E圓形,隨后達到臨界尺寸的氣泡上游表面開(kāi)始變平, 然后突然爆裂。所有的能量集中在破裂點(diǎn)上, 產(chǎn)生巨大的沖擊力, 其強度可達幾千牛頓。此沖擊力沖撞在閥瓣、閥座和閥體上, 使其表面產(chǎn)生塑性變形, 形成一個(gè)個(gè)粗糙的蜂窩渣孔, 這便是氣蝕形成的過(guò)程。氣蝕現象不僅僅存在于高壓差的調節閥內部, 在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都存在此現象。
3、防止氣蝕的措施
3.1、類(lèi)型選擇
從分析可以看出, 產(chǎn)生氣蝕是因為發(fā)生了空化, 而發(fā)生空化的原因是節流引起了壓力的突變,因此應避免空化的產(chǎn)生。而產(chǎn)生空化的臨界壓差即阻塞流形成的壓差△pT 為
△pT = FL2 ( p1 - pvc )
式中 FL ———壓力恢復系數
在工藝條件允許的情況下盡量選用△p < △pT的閥門(mén), 即選用壓力恢復系數小的閥門(mén), 如球閥或蝶閥等。如果工藝條件必須使△p > △pT , 可以將兩個(gè)調節閥串聯(lián)起來(lái)使用, 這樣每個(gè)調節閥的壓差△p都小于△pT , 空化便不會(huì )產(chǎn)生。如果閥的壓差△p小于2.5MPa, 一般不會(huì )產(chǎn)生氣蝕, 即使有氣蝕的產(chǎn)生也不會(huì )對閥門(mén)造成嚴重的損壞。
另外, 選用角形調節閥也可減弱閃蒸破壞力。因為角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內部下游管道的中心, 而不是直接沖擊體壁, 所以減少了沖擊閥體體壁的飽和氣泡數量和次數, 相應的減少了氣蝕的發(fā)生。
3.2、材料選擇
從氣蝕的結果分析, 材料硬度不能抵抗氣泡破裂而釋放的沖擊力是造成損傷的主要原因之一, 但能夠長(cháng)時(shí)間抵御嚴重空化作用的材料很少, 價(jià)格昂貴, 國內外常用的材料為司太萊合金(含鈷、鉻、鎢的合金, 45HRC)、硬化工具鋼(60HRC) 和鎢碳鋼(70HRC) 等。但硬度高的材料加工成型不方便,極易脆裂, 加工成本大, 一般常用的方法是在不銹鋼基體上進(jìn)行堆焊或噴焊司太萊合金(圖2) , 在流體氣蝕沖刷處形成硬化表面。當硬化表面出現損傷后, 可以進(jìn)行二次堆焊或噴焊, 這樣既能增加設備的使用壽命, 又減少了裝置的維修費用。
3.3、結構選擇
分析結果證明, 空化是因為壓力的突變所引起, 而系統要求的壓降又不能降低, 所以采用將一次大的壓力突變分解為若干次的多級閥瓣結構(圖3) , 這種結構的閥瓣可以把總壓差分成幾個(gè)小壓差, 逐級降壓, 使每一級都不超過(guò)臨界壓差�；蛟O計成特殊結構的閥瓣和閥座, 如迷宮式閥瓣及疊片式閥瓣等, 都可以使高速流體在通過(guò)閥瓣和閥座時(shí), 每一點(diǎn)的壓力都高于在該溫度下的飽和蒸汽壓, 或使液體本身相互沖撞, 在通道間導致高度紊流, 使液體的動(dòng)能由于相互摩擦而變?yōu)闊崮? 可減少氣泡的形成。
不同結構形式的閥門(mén)有其不同的氣蝕系數δ
式中H1 ———閥后(出口) 壓力, MPa
H2 ———大氣壓與其溫度相對應的飽和蒸汽壓力之差, MPa
Δp———閥門(mén)前后的壓差, MPa
各種閥門(mén)由于構造不同, 允許的氣蝕系數δ也不同, 如計算的氣蝕系數大于容許氣蝕系數, 則不會(huì )發(fā)生氣蝕。以蝶閥容許氣蝕系數為215為例進(jìn)行說(shuō)明。當δ> 2.5時(shí), 不發(fā)生氣蝕。當2.5 >δ> 1.5時(shí), 發(fā)生輕微氣蝕。當δ< 1.5時(shí), 產(chǎn)生振動(dòng)。當δ< 0.5 時(shí), 如繼續使用, 則會(huì )損傷閥門(mén)和下游配管。從計算中可以看出, 產(chǎn)生氣蝕與閥門(mén)出口壓力H1 有關(guān), 加大H1 會(huì )使情況改變。其改進(jìn)方法很多, 如把閥門(mén)安裝在管道較低點(diǎn), 或在閥門(mén)后管道上裝孔板增加阻力, 也可將閥門(mén)出口直接接蓄水池, 使氣泡炸裂的空間增大, 氣蝕減小。
4、結語(yǔ)
調節閥的氣蝕現象受到閥門(mén)用材料、流體、力學(xué)、結構和介質(zhì)等多種因素的影響, 通過(guò)合理的選擇, 精確的計算, 以及閥門(mén)新技術(shù)和新結構的應用, 氣蝕現象會(huì )在生產(chǎn)中得到更好的解決。
