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壓力調節(jié)閥空化現(xiàn)象

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    壓力調節(jié)閥空化現(xiàn)象 電動壓力調節(jié)閥空化現(xiàn)象 氣動壓力調節(jié)閥空化現(xiàn)象 壓力調節(jié)閥空化

    之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用,現(xiàn)在介紹實際生產(chǎn)中,調節(jié)閥壓力降較高時會出現(xiàn)許多問題,例如空化、高噪聲水平和振動等。這些問題帶來的直接影響是對閥體和閥芯的磨損及空化的損傷。調節(jié)閥空化損壞分析本文主要分析了空化現(xiàn)象的形成機理,空化現(xiàn)象對閥門和管路的破壞作用,以及空化現(xiàn)象所帶來的噪音問題,同時也探究了在實際應用條件下,對于空化現(xiàn)象產(chǎn)生破壞的預估和防治方法。
    關鍵字:控制閥 控制閥 空化現(xiàn)象 腐蝕 磨蝕 噪音工業(yè)中的過程控制是指以溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)作為被控變量的自動控制??刂崎y是過程控制中獲得優(yōu)異性的關鍵元器件。但由于高壓的存在,常使控制閥出現(xiàn)沖刷、閃蒸和空化的現(xiàn)象,這不但影響控制閥的選擇計算,還會引起噪音、振動和材質的損壞,大大縮短控制閥的使用壽命,使其可靠性降低,進而引起工藝系統(tǒng)裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降,嚴重時可能導致整個過程控制系統(tǒng)*癱瘓,因此這是一個不可忽視的問題。本文將著重分析空化現(xiàn)象的形成機理,空化現(xiàn)象對閥門和管路的破壞作用,以及空化現(xiàn)象所帶來的噪音問題。

    1 空化現(xiàn)象的產(chǎn)生
    空化現(xiàn)象是在流體介質為液體的情況下產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。本文通過一個簡單的流道孔板模型來展示流體通過控制閥時產(chǎn)生的壓力和速度的變化,并借此來闡述控制閥內產(chǎn)生的空化現(xiàn)象的原因。見圖1。

    圖1 空化現(xiàn)象的發(fā)生
    由圖1可知,流道面積在孔板處的減小會引起流體速度的增加,并且由流體的機械能守恒(伯努利方程)可知,其會導致相應的流體壓力降低。壓力會在流束小截面處(VenaContracta,VC)降到低,其中,流束小截面的位置會發(fā)生在靠近孔板的下游處。當閥門流束小截面處的壓力Pvc低于液體氣化壓力Pv,并且閥門下游壓力P2高于Pv時,空化現(xiàn)象就產(chǎn)生了。
    空化產(chǎn)生分為兩個階段。首先,當流體壓力減小到低于液體氣化壓力時,氣泡會在流體內形成。然后,流體壓力在通過流束小截面后會恢復到高于液體氣化壓力,這就會造成氣泡的破裂。氣泡的破裂可以是噴射形式或是球狀形式的,兩者都會引起壓力的巨幅震動。見圖2。

    圖2 和氣泡破裂的類型
    如果氣泡很靠近或者緊貼著管壁,破裂會以噴射的形態(tài)產(chǎn)生,并且會瞬間造成大約104MPa大小的壓力震動。當氣泡遠離管壁時,球狀破裂會在流體內部產(chǎn)生,并造成大約103MPa大小的瞬間壓力震動。如果氣泡破裂時很靠近管壁,噴射流和破裂所引起的震動波就會造成管壁材料的屈服和破損。有空化現(xiàn)象破壞的管壁表面通常是粗糙并且松軟的。
    空化現(xiàn)象引起的機械破壞一直和噪音的產(chǎn)生密切相關。高程度的噪音通常發(fā)生在臨近閥門開始出現(xiàn)壅塞(choked)之前。當壅塞發(fā)生之后,氣泡破裂的位置會向下游移動??栈斐傻钠茐某潭韧ǔR才c閥門和下游管路所選用的材質與鍍層有關。
    2 腐蝕和磨蝕
    雖然空化破壞*是力學現(xiàn)象,但也和腐蝕與磨蝕相關。在空化腐蝕中,噴射流或者震動波會破壞金屬表面的鈍化層,正是鈍化層的存在,才能使金屬有了抗腐蝕性。鈍化層被破壞后,下面的基材會被消耗來形成新的鈍化層,長此以往,會造成在空化發(fā)生處的金屬物料相當可觀的損失。見圖3。

    圖3 鈍化層的破壞和修復
    空化現(xiàn)象以及空化腐蝕引起的磨蝕,會使金屬材料的損耗和破壞大量增加。金屬材料會被空化和空化腐蝕的合力軟化,這就造成了磨蝕性磨損。磨蝕的程度通常由流體速度決定。二者關系如下:
    ε=KVn (1)
    其中,ε為物料損失量;K為常數(shù);V為流體速度;n為磨損系數(shù)。
    磨損系數(shù)在由空化腐蝕產(chǎn)生的磨蝕工況下,可選到7,而在常規(guī)磨蝕的工況下,通常為2.5左右。磨損也和材質有很大關系,不銹鋼的耐磨性能要比碳鋼好一些。
    在空化現(xiàn)象存在的工況下,需要格外注意選擇正確的閥芯類型和材質,以避免空化腐蝕引起的磨蝕。
    由公式1可知:
    1)通過選用多級降壓的閥芯來降低閥門內的流體速度,使流體通過閥芯時的速度降到低;
    2)通過選用不銹鋼或硬化處理的材質可以減少磨損。
    3 空化和噪音
    空化現(xiàn)象發(fā)生的強度取決于閥門的型號和壓力等級,所以要簡單地給出一個不會發(fā)生空化現(xiàn)象的流體的界限很困難。因此,結合噪音等級和臨界壓力降來預測空化現(xiàn)象的發(fā)生是更為合理的方式。
    空化現(xiàn)象造成機械損壞的取決因素很多。一些不同的參數(shù)會影響空化破壞的程度,比如,閥門選用的材料、流體特質、管路布置以及流體可能所含的固體顆粒等。發(fā)生空化現(xiàn)象時,閥門內的壓力降叫做是臨界壓力降。當實際的閥門內壓力降等于或大于計算得到的臨界壓力降,同時下游壓力比液體氣化壓力來得更高時,空化現(xiàn)象所引起的破壞便很有可能真實發(fā)生,任何防護手段都應當考慮被使用。
    另一方面,圖4表明空化現(xiàn)象其實在臨界壓力降到達之前就已經(jīng)開始發(fā)生,圖中曲線表示了一臺閥門的聲音壓力等級(soundpressurelevel,SPL)與(P1–P2)/(P1–Pv)的比率的關聯(lián)??梢钥吹?,在層流區(qū)域,噪音等級很低,而在接下來的紊流區(qū)域,曲線會緩和地上升,當流體壓差到達一個特定值(ΔP=Z(P1-Pv))時,聲壓曲線開始快速上升。閥門初始空化壓力系數(shù)Z對應的是空化發(fā)生初期,Z是由制造商在實驗室環(huán)境下測得的流體噪音所決定的。這些參數(shù)通常會在閥門制造商的選型文件中體現(xiàn)。此時聲音壓力曲線上升的原因就是空化現(xiàn)象的發(fā)生。從實驗室的測試中可以發(fā)現(xiàn)聲壓曲線開始上升要早于流體中的氣泡被實際觀察到。

    圖4 聲壓曲線
    上海申弘閥門有限公司主營閥門有:減壓閥(組合式減壓閥,可調式減壓閥,自力式減壓閥當閥門壓差ΔP接近于臨界壓力降ΔPT時,聲音壓力曲線會達到大值。從圖中可知,此時,如果繼續(xù)增加(P1–P2)/(P1–Pv)的比率,將會使聲壓曲線再次降低。關于這點,可參見VDMA24422(1979)的標準,該標準的測定點在于閥門下游1米處,其他標準也有類似規(guī)定。當閥門空化現(xiàn)象發(fā)生嚴重時,空化產(chǎn)生的氣泡會在遠離閥門的下游管路中發(fā)生破裂。這就是為什么VDMA24422(1979)說聲壓曲線會降低的原因。噪音不會消失,只是移動到了另一個地方(下游管路)中。所以即便氣泡的數(shù)量是增加的,但氣泡破裂發(fā)生的區(qū)域距離越長,噪音的強度也就越弱。從另一方面講,當閥門壓差越大,流體會越接近于氣液混合的形態(tài)。
    一臺在流體為液態(tài)工況下工作的閥門產(chǎn)生噪音,通常是發(fā)生了空化現(xiàn)象??栈a(chǎn)生的氣泡破裂引起了令人煩惱的噪音,而噪音的等級和空化現(xiàn)象的強度直接相關。在空化現(xiàn)象早期階段,噪音的聲響就像沙子通過閥門。當通過閥門的壓差增大時,空化強度也會相應增加,嚴重的空化伴隨著劇烈的噪音也就產(chǎn)生了??栈胍艨梢员坏仡A估,因此,噪音等級便是空化引起的機械破壞的一個很好的指標。
    引起使閥門或管路受損的機械破壞的壓力降取決于閥門類型、尺寸以及材質。大量的研究表明壓力恢復系數(shù)越低的閥門,越接近于達到臨界壓力降,同時不引起空化破壞現(xiàn)象。也就是說壓力恢復系數(shù)越低的閥門更可能達到臨界壓力降。當然,當ΔP>ΔPT時,并不總意味著破壞的產(chǎn)生。當閥門上下游壓差很小時,空化現(xiàn)象可能來不及發(fā)生。腐蝕當然也是一個重要系數(shù),這取決于所選用的閥門材質以及流體介質。
    所以,當預估空化現(xiàn)象發(fā)生的強度時,有兩個系數(shù)需要被考慮。
    1)通過閥門的壓力降不能超過臨界壓力降(如果ΔP很小,ΔPT可以被超過,但管路和閥門的材質選擇很重要);
    2)閥門的噪音等級不能超過表1中所給定的值。
    表1 噪音等級值

    有一點需要特別指出,即使聲壓等級低于表1中所的值,但閥門上下游的壓差過大以至于超過臨界壓力降時,閥門依然有可能發(fā)生嚴重的空化現(xiàn)象。
    4 結論
    空化現(xiàn)象的爆破力足以使閥內部件(特別是閥芯)遭到極其嚴重的破壞,嚴重的空化作用只需幾小時調節(jié)閥就損壞了,以致于調節(jié)過程失控,產(chǎn)生重大安全事故。因此,在進行控制工程設計時,應充分考慮到防止空化現(xiàn)象的出現(xiàn)。特別對高壓力降工況、低揮發(fā)性介質控制的場合,在防止空化作用方面要給予足夠的重視。
    1.1 空化損壞分析
    液體介質在高差壓下會產(chǎn)生空化,空化產(chǎn)生于液態(tài)區(qū)的氣泡,生成氣泡的必要條件是液態(tài)所處的***壓力低于該液體飽和蒸汽壓力Pv。閥座相當于節(jié)流孔板,高壓流體流經(jīng)節(jié)流孔時,靜壓能與動壓能相互轉換,流速的增加導致壓力降低,見圖1。

    圖1 產(chǎn)生空化的流動曲線
    由圖1可知,當壓力降低***于或低于該流體在入口溫度下的氣化壓力Pv時,液體中的氣核即膨脹形成氣泡,帶有氣泡的液體在寬敞的下游流道中流速下降,壓力回升。當壓力回升至Pv或高于Pv時,氣泡破裂,此時將釋放出巨大的能量,對閥座、閥芯等閥內件產(chǎn)生破壞,即空蝕。它的特點在于液體—蒸汽—液體的過程全部是在調節(jié)閥的小面積內并在微秒時間內進行的。空化的破壞力很大,氣泡破裂的瞬時壓力高達300MPa,現(xiàn)有的工程材料難以抵抗其空蝕。對于不銹鋼等塑性材料,在空化作用下,將產(chǎn)生麻點腐蝕直***現(xiàn)蜂窩狀空洞損壞;而對于硬質合金等脆性材料則產(chǎn)生碎塊損壞。同時,氣泡破裂時所釋放的能量使操作人員很容易聽到像是來自于調節(jié)閥或下游管線的噪聲,并伴有強烈的振動,而***終導致調節(jié)閥內件的疲勞損壞。
    1.2 產(chǎn)生空化的條件
    空化的產(chǎn)生必須具備5個條件:
    (1)調節(jié)閥上游、下游(或調節(jié)閥內件處)的流體必須是液體;
    (2)當流體進入調節(jié)閥或在調節(jié)閥下游由壓力降產(chǎn)生殘余蒸汽時,液體必須達到飽和狀態(tài);
    (3)閥座處的壓力降必須下降到高壓流體的蒸汽壓力之下;
    (4)調節(jié)閥出口壓力必須恢復到液體蒸汽壓力水平;
    (5)液體必須含有某些夾帶氣體或雜質,在形成氣泡中它起到氣核的作用。
    1.3 堵塞物流
    當調節(jié)閥下游壓力下降時,產(chǎn)生大的壓力差,此時出現(xiàn)初期空化,而增加了流體比容。當流量增加到一定程度時,發(fā)生堵塞物流,除非操作改變之外流速不再增加。流量Q和壓力降的平方根之間呈直線關系,見圖2。

    圖2 流量對壓差的流動曲線
    1.4 空化與汽蝕
    空化或空蝕,即通常所說的汽蝕。它是漸變的破壞過程。當高壓流體流經(jīng)調節(jié)閥的節(jié)流孔后,其出口壓力P2等于或高于該液體的汽化壓力Pv時,氣泡破裂所釋放出巨大的空化量,才對節(jié)流組件產(chǎn)生破壞,即空蝕。如果出口壓力P2低于該液體的汽化壓力Pv時,在節(jié)流降壓過程中,所產(chǎn)生的氣泡就不會破裂,而是夾在液體中成為“二相流”,即所謂的“閃蒸”流動,閃蒸流動一般不會對閥內件產(chǎn)生破壞,但會產(chǎn)生堵塞物流。而使調節(jié)閥流量減小,與此同時還會產(chǎn)生強烈的噪聲和振動,該噪聲為空化噪聲。所以空蝕或汽蝕僅僅是空化作用的結果之一。防空化即是防止流體在節(jié)流過程中產(chǎn)生氣泡,使其不產(chǎn)生氣泡,當然也就不會有汽蝕,更不會產(chǎn)生閃蒸流動和堵塞物流。這和防汽蝕是不同的,防汽蝕是指氣泡產(chǎn)生了,但不讓其對閥內件產(chǎn)生空蝕。由于空化能很高,只有在壓差較低的情況下,選用適當材料,也只能延緩空蝕,而不能有效抵抗空蝕。因此,防空化是治本,而防汽蝕則是治標。
    2 高差壓調節(jié)閥防空化解決方案
    大慶石化儀表安裝公司在多年調節(jié)閥維修及制造過程中,積累了許多寶貴經(jīng)驗,認為防空化解決方案的關鍵是如何改變流體在調節(jié)閥內的流動狀態(tài),使高壓流體在節(jié)流降壓過程中不產(chǎn)生空化。因此核心應為閥內件的結構。
    2.1 建立數(shù)學模型
    通過多級降壓的結構可以改變流體在調節(jié)閥內的流動狀態(tài),見圖3。

    圖3 迷宮式曲折通道示意
    從圖3可以看出,由于采用了迷宮式的曲折通道,降低了通過調節(jié)閥的總流速,因此減少了壓力恢復。當流體通過閥芯運動時,迷宮式的曲折通道產(chǎn)生高的和低的壓力渦,并產(chǎn)生相當大的摩擦損失。迷宮式的曲折通道采用一系列的直角轉角,以獲得摩擦損失和較低的流速。
    確定轉角的數(shù)量是迷宮式的曲折通道結構設計的關鍵,因為它決定了總速度頭損失和其它結構尺寸。在尺寸確定時,還需進行流動曲線空化指數(shù)Kc、調節(jié)閥空化指數(shù)σ、Ks系數(shù)等的計算,由此可確定出在某一工況下的防空化閥內件的尺寸。
    2.2 結構特點
    調節(jié)閥防空化解決方案的關鍵技術是節(jié)流組件(閥內件)。根據(jù)防空化的原理,采用徑向多級降壓分流的迷宮式曲折通道集成塊,由若干件圓環(huán),按一定規(guī)律疊加成節(jié)流組件集成塊。將調節(jié)閥的全開度分為若干組相互獨立的空間,在其每個獨立空間均設有徑向流道。調節(jié)閥工作時,各開度的高壓流體進入節(jié)流組件集成塊后,分別在各自的獨立空間內進行多級降壓節(jié)流、緩沖膨脹、轉變折流,它們之間各行其道,互不干擾。因此各開度的高壓流體,從節(jié)流組件集成塊入口到出口,其壓力和壓差均按一定規(guī)律逐步降低,從而達到有效防止空化與空蝕的目的。
    根據(jù)不同的工況條件,可以將節(jié)流組件制造成全迷宮式曲折通道集成塊,或迷宮式曲折通道集成塊與單級節(jié)流窗口相結合的組合式節(jié)流組件。這種結構適用于鍋爐給水調節(jié)閥等變差壓工作場合,或對流通能力要求較大的場合。
    這是因為調節(jié)閥在變差壓工況下運行存在2個問題,(1)空化問題;(2)流量特性畸變問題。這就要求調節(jié)閥必須具備適應變差壓特點的流阻結構和對流量特性的補償能力。同時由于宮式曲折通道集成塊的結構特點決定了,在公稱通徑相同的前提下,采用迷宮式曲折通道集成塊的調節(jié)閥其Cv值要比普通結構的調節(jié)閥略低。
    僅僅改變節(jié)流組件的結構,還不能*消除空化,因為高壓流體在迷宮式曲折通道集成塊內,只要有極微小的泄漏或串流,就會造成高低壓空間相互串通,從而破壞各開度流體之間的節(jié)流降壓規(guī)律,引起空化與空蝕,還可通常使流量特性產(chǎn)生畸變,降低調節(jié)精度。這就要求迷宮式曲折通道集成塊的相鄰圓環(huán)之間必須保持嚴密性,這在技術上具有一定的難度。將圓環(huán)加工好后,通過特種工藝技術,將若干圓環(huán)疊加成一個不可分割的整體。


    3 結束語
    高壓水調節(jié)閥、鍋爐給水調節(jié)閥,都存在嚴重的空化損壞問題,而影響裝置的長周期運行。由于這些調節(jié)閥對流通能力要求較大,故采用迷宮式曲折通道集成塊與單級節(jié)流窗口相結合的組合式節(jié)流組件型式,將20%以下開度采用迷宮式曲折通道集成塊結構,20%~99%開度為單級節(jié)流窗口(即套筒)結構,這樣當調節(jié)閥在小于或等于20%的小開度下工作時,由于流體進入迷宮式曲折通道集成塊進行節(jié)流降壓,雖然壓差很高,但依然不會產(chǎn)生空化;將調節(jié)閥處在20%~99%開度時,流體基本上由套筒的窗口控制,屬于單級節(jié)流,所產(chǎn)生的流阻壓降遠比多級迷宮式曲折通道集成塊小,能夠滿足其對大流量的要求。經(jīng)過多年現(xiàn)場應用考核,防空化效果明顯。與本產(chǎn)品相關論文:200X先導隔膜式水用減壓閥安裝要求