怎樣防止調(diào)節(jié)閥的閃蒸和氣蝕

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    之前介紹組合式減壓閥在國(guó)華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)的液體常常出現(xiàn)閃蒸和氣蝕兩種現(xiàn)象。它們的發(fā)生不但影響口徑的選擇和計(jì)算，而且將導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲、振動(dòng)、材質(zhì)的破壞等。在這種情況下，調(diào)節(jié)閥的工作壽命會(huì)大大縮短。詳細(xì)論述了氣蝕和閃蒸的產(chǎn)生及其對(duì)調(diào)節(jié)閥的侵蝕機(jī)理，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出可行的解決方法、供設(shè)計(jì)、應(yīng)用人員參考。

關(guān)鍵字：氣蝕和閃蒸調(diào)節(jié)閥氣蝕強(qiáng)度同心孔板

    當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為液體時(shí)，我們時(shí)常遇到氣蝕和閃蒸問(wèn)題。氣蝕在有關(guān)資料中也被稱為“空化”，它將影響到調(diào)節(jié)閥的口徑計(jì)算，關(guān)系到控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，可能引起噪音，振動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)閥的壽命，因此進(jìn)行這方面的任何綜合性討論，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1怎樣防止調(diào)節(jié)閥的閃蒸和氣蝕 氣蝕及閃蒸的產(chǎn)生

    為便于液體在閥內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)分析，把一個(gè)有一定開(kāi)度的調(diào)節(jié)閥模擬成一個(gè)同心孔板如圖1所示。上面是討論的系統(tǒng)，下面是流體流動(dòng)過(guò)程中各點(diǎn)的速度和壓力分布曲線。

    假設(shè)孔板上游流動(dòng)的液體靜壓為P1且P1>PV,(PV為流體蒸汽壓)。根據(jù)熱力學(xué)*定律，如果流體流過(guò)系統(tǒng)邊界層沒(méi)有發(fā)熱和做功的能量損失，在該系統(tǒng)中沿確定的基準(zhǔn)面每點(diǎn)上的總能級(jí)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?yàn)樗俣阮^與壓力頭之和保持大約相等，必然由于速度頭增加導(dǎo)致壓力頭下降。

    在鄰近孔板的下游，流體將達(dá)到它的小截面，大速度和小壓力(Pvc) ，這點(diǎn)稱為縮流。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。從離開(kāi)縮流處的下游開(kāi)始，流體由于摩擦引起流體減速，其結(jié)果使流體截面和壓力增加，這一能量反向轉(zhuǎn)換即“壓力恢復(fù)”，在縮流處，壓力減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)被擠破恢復(fù)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(dāng)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(xù)不斷的小撞擊，任何一個(gè)確定的表面增量受到重復(fù)沖擊趨于疲勞直*，細(xì)小金屬層便脫落。氣蝕現(xiàn)象通常伴隨著噪音和振動(dòng)，其他理論認(rèn)為，在此基礎(chǔ)上，還同時(shí)伴隨著化學(xué)腐蝕過(guò)程。”

    如果下游管道系統(tǒng)的壓力等于或小于蒸汽壓，流入下游流體中的蒸汽百分比會(huì)不斷增加，且流速持續(xù)增長(zhǎng)成為閃蒸。由于蒸汽體積常常大于液體體積，以致于使液滴趨向于達(dá)到蒸汽高速度。液滴沖擊閥體表面如同顆粒固體沖擊表面一樣使閥體材料損壞脫落。研究發(fā)現(xiàn)，由此引起的物理?yè)p壞一般發(fā)生在下游部分。當(dāng)然，如果閥門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、閥芯等部件也可能受到影響。

2 氣蝕及閃蒸狀態(tài)的表征

    假如引出一個(gè)系統(tǒng)氣蝕參數(shù)Ksc，作為引起調(diào)節(jié)閥氣蝕的系統(tǒng)狀態(tài)趨勢(shì)度量，那么

  正常情況下，作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流人、流經(jīng)、流出調(diào)節(jié)閥時(shí)均保持液態(tài)。
    閃蒸作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流人調(diào)節(jié)閥時(shí)是液態(tài)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥中的縮流處時(shí)流體的壓力低氣化壓力，液態(tài)介質(zhì)變成氣態(tài)介質(zhì)，并且它的壓力不會(huì)再回復(fù)到氣化壓力之上，流出調(diào)節(jié)閥時(shí)介質(zhì)直保持氣態(tài)。閃蒸就像一種噴沙現(xiàn)象，它作用在閥體和管線的下游部分，給調(diào)節(jié)閥和管道的內(nèi)表面成嚴(yán)重的沖蝕，同時(shí)也降低了調(diào)節(jié)閥的流通能力。
    氣蝕作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流人調(diào)節(jié)閥時(shí)是液態(tài)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥中的縮流處時(shí)流體的壓力低于氣化壓力，液態(tài)介質(zhì)變成氣態(tài)介質(zhì)，隨后它的壓力又回復(fù)到氣化壓力之上，后在流出調(diào)節(jié)閥前介質(zhì)又變成液態(tài)。可以根據(jù)一些現(xiàn)象來(lái)初步判斷氣蝕的存在，當(dāng)氣蝕開(kāi)始時(shí)它會(huì)發(fā)出一種嘶嘶聲，當(dāng)氣蝕發(fā)展到*穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)閥中會(huì)發(fā)出嘎嘎的聲音，就像有碎石在流過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)發(fā)出的盧響。氣蝕對(duì)調(diào)節(jié)閥及內(nèi)件的損害電是很大的，同時(shí)它也降低了調(diào)節(jié)閥的流通效能，就像閃蒸一樣。因此．應(yīng)采取有效的措施來(lái)防止或者大限度地減小閃蒸或氣蝕的發(fā)生：
    ①盡量將調(diào)節(jié)閥安裝在系統(tǒng)的低位置處，這樣可以相對(duì)提高調(diào)節(jié)閥人口和出口的壓力；
    ②在調(diào)節(jié)閥的上游或下游安裝一個(gè)截止閥或者節(jié)流孔板來(lái)改變調(diào)節(jié)閥原有的安裝壓降特性（這種方法一般對(duì)于小流量情況比較有效）；
    ③選用專門的反氣蝕內(nèi)件也可以有效地防止閃蒸或氣蝕，它可以改變流體在調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流速變化，從而增加了內(nèi)部壓力；
    ④盡量選用材質(zhì)較硬的調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樵诎l(fā)生氣蝕時(shí)，對(duì)于這樣的調(diào)節(jié)閥，它有一定的抗沖蝕性和耐磨性，可以在一定的條件下讓氣蝕存在，并且不會(huì)損壞調(diào)節(jié)閥的內(nèi)件。相反，Id于軟性材質(zhì)的調(diào)節(jié)閥，由于它的抗沖蝕性和耐磨性較差，當(dāng)發(fā)生氣蝕時(shí)，調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部構(gòu)件很快就會(huì)被磨損，因而無(wú)法在有氣蝕的情況下正常工作。
    總之，目前還沒(méi)有什么工程材料能夠適應(yīng)嚴(yán)重條件下的氣蝕情況，只能針對(duì)客觀情況來(lái)綜合分析，選擇一種相對(duì)比較合理的解決辦法。

    在一般計(jì)算調(diào)節(jié)閥口徑的工作中閥門的計(jì)算條件已定，用該方程式可計(jì)算出△Pm ，由圖2 發(fā)現(xiàn)，如果計(jì)算的△Pm 小于實(shí)際△Pm ，這個(gè)流量將處于阻塞流狀態(tài)，若△Pm計(jì)算值大于實(shí)際△Pm ，則表明閥門將運(yùn)行在qv 與成比例的范圍內(nèi)。Km包括了所采用閥門類別的影響，它是衡量縮流和閥門出口間壓力恢復(fù)的尺度，Km值越高(閥門壓力恢復(fù)能力越低) ，允許閥門壓降越高，越有利于防止氣蝕的發(fā)生。

3 對(duì)策討論

    上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調(diào)式減壓閥,自力式減壓閥基于對(duì)氣蝕、閃蒸過(guò)程的綜合討論，進(jìn)行適宜的對(duì)策分析。

    ① 如果工藝上不考慮嚴(yán)格的壓力損失要求，在確定計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)盡量減小閥門壓力降，使其工作在穩(wěn)定的Cv狀態(tài)下。

    ② 改變工藝條件。通過(guò)降低液體溫度或在一定差壓下提高閥前或閥后壓力，使流體在縮流處不低于其蒸汽壓。

    ③ 選擇特殊結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥。常用的高差壓調(diào)節(jié)閥是高壓角型閥，盡管有關(guān)的資料提供了較高的壓力恢復(fù)系數(shù)FL( 在數(shù)值上FL= 但是在高差下，由于介質(zhì)的流速突然向高速轉(zhuǎn)變，能量發(fā)生轉(zhuǎn)換以至引起嚴(yán)重氣蝕，仍不可避免。

    在給定的使用條件下，閥門的氣蝕趨勢(shì)可以依據(jù)通用的計(jì)算公式來(lái)判別，如果是接近于產(chǎn)生氣蝕的條件，可選擇一個(gè)在正常流量條件下具有較高FL系數(shù)的閥門并重新計(jì)算。如果氣蝕仍然是預(yù)測(cè)的情況，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用防氣蝕類閥門。

    適宜的抗氣蝕調(diào)節(jié)閥有：防氣蝕調(diào)節(jié)閥，多級(jí)籠形閥，巷道式調(diào)節(jié)閥等。實(shí)踐證明，用戶采用巷道式結(jié)構(gòu)研制的高壓差調(diào)節(jié)閥(△p可達(dá)30MPa) 雖然采用普通材質(zhì)，仍可達(dá)到令人鼓舞的效果。如圖3所示，它是由閥座與閥芯雙錐面配合調(diào)節(jié)，通過(guò)延長(zhǎng)節(jié)流通道，增大節(jié)流面積和阻力，克服氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。閥芯和閥座錐角的大小及圓錐的平均直徑取決于閥座的流通直徑(流量的大小) ，閥阻力的大小則取決于環(huán)隙的大小。

    目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上發(fā)展起來(lái)的有氣動(dòng)薄膜角型多級(jí)調(diào)節(jié)閥，其典型的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它采用類似在長(zhǎng)管道中放入幾個(gè)節(jié)流孔板以達(dá)到逐級(jí)降壓的目的。由于高壓液體在流過(guò)多節(jié)流孔的過(guò)程中，逐漸降壓，因此，每級(jí)的閥芯上只承擔(dān)一部分壓差(在設(shè)計(jì)上使其處于允許范圍之內(nèi)) ，使節(jié)流后壓力在閥的部分高于液體的飽合蒸汽壓力。從而，有效的避免汽蝕現(xiàn)象，防止由此引起的噪音、振動(dòng)及其對(duì)調(diào)節(jié)閥的侵蝕。

圖4  調(diào)節(jié)閥典型結(jié)構(gòu)

    ④ 改善安裝條件。在閥前或后安裝一個(gè)或多個(gè)限流板，吸收一些壓降，或者串聯(lián)安裝兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥使每個(gè)閥上的壓降不超過(guò)△P允，上游閥可具有較大的壓降，串聯(lián)閥門的個(gè)數(shù)，由總壓降決定。△P允=Kc(Pl-Pv)

    當(dāng)工藝系統(tǒng)仍在設(shè)計(jì)階段正在選擇閥門安裝位置時(shí)，如果已確定某個(gè)閥門將出現(xiàn)阻塞流，采用不同的位置如放在長(zhǎng)管線的開(kāi)頭而不是末端或放在較低的位置，這樣可以允許較高的入口壓力以消除阻塞流。 

    ⑤ 在液體中充以可壓縮的氣體避免汽泡的破裂。

    ⑥ 選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，以延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥壽命。但是，至今尚未發(fā)現(xiàn)哪種材料能夠*抗汽蝕，一般認(rèn)為，材料的硬度增加，抗氣蝕能力也隨著增加。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    在許多應(yīng)用場(chǎng)合，消除氣蝕作用所采取的各種措施都會(huì)受到其費(fèi)用和復(fù)雜程度的限制，因此，調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)人員及應(yīng)用工程技術(shù)人員其目標(biāo)就是要把氣蝕強(qiáng)度限制在一個(gè)可接受或容許的范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際情況合理選擇閥門，生產(chǎn)廠須加速開(kāi)發(fā)研制新型耐高差壓 ( 特別是較大口徑 ) 的防氣蝕產(chǎn)品，以滿足實(shí)際需求。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：200X先導(dǎo)隔膜式水用減壓閥安裝要求