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[推荐]分析调节阀闪蒸和气蚀现象
通过调节阀的流体,常常会产生闪蒸和气蚀现象。这些现象既能引起调节阀流通能力Kv值减小,又能产生噪声、振动及对材料的损坏。因此控制和降低调节阀闪蒸、气蚀的影响是阀门选型设计中必须要考虑的问题。

    1 闪蒸和气蚀现象的原因

    1.1 闪蒸和气蚀的简单判定

    闪蒸和气蚀与调节阀的阻塞流密切相关,为了更好的理解闪蒸和气蚀现象,我们首先需要了解什么是阻塞流。在GB/T17213.1-1998《工业过程控制阀第1部分控制阀术语和总则》中指出,阻塞流是指不可压缩或可压缩流体在流过控制阀时,所能达到的极限或最大流量状态。无论何种流体,在入口压力P1固定的情况下,随着出口压力P2的逐渐减小,流过调节阀的流量逐渐增加。当出口压力P2减小到某一个临界压力Pc以后,调节阀的流量不再增加,这个极限流量就是阻塞流。

    为了分析问题的方便,我们可以简单的认为阀门的最大允许计算压力降ΔPmax=P1-Pc,如果阀门上的压差(P1-P2)大于ΔPmax,那么就会产生闪蒸或气蚀。

    1.2 闪蒸和气蚀与调节阀缩流断面处的压力以及阀门两侧压差有关

    调节阀实际上是一个节流缩径元件。随着液体通过缩径,流束会变细或收缩。流束的最小横断面出现在实际缩径的下游,该最小断面称为缩流断面,如图1所示。

图1 调节阀的缩流断面

    为维持流体稳定地流过阀门,在截面最小的缩流断面处,流速必须是最大的。流速(或动能)的增加伴随着缩流断面处压力(或势能)的大大降低。再往下游,随着流束扩展进入更大的区域,速度下降,压力增加;但下游压力P2不会完全恢复到与阀门上游P1相等的压力,阀门两侧的压差(ΔP=P1-P2)表示阀门中消耗的能量。

    下面分3种情况来说明闪蒸和气蚀现象。

    (1)如果缩流断面处的压力降到液体的饱和蒸汽压力以下(由于该点处速度增加),气泡就会在流束中形成。随着缩流断面处的压力进一步降到液体的饱和蒸汽压力以下,气泡会大量地形成。在此阶段,闪蒸和气蚀之间没有差别,但是对阀门结构损坏的可能性肯定存在。

    (2)如果阀门出口的压力仍低于液体的饱和蒸汽压力,气泡将保持在阀门的下游,我们就说过程发生了“闪蒸”。

    (3)如果下游压力恢复使得阀门出口压力高于液体的饱和蒸汽压力,气泡会破裂或向内爆炸,从而产生“气蚀”。

    很明显,高恢复阀门比较容易发生气蚀,因为它的下游压力更有可能升至液体饱和蒸汽压力之上。

    2 闪蒸和气蚀的危害

    出现闪蒸和气蚀现象,说明在流体中产生了高速气泡,并且气泡的产生和破裂均在极短的时间内完成,产生的冲击力极大,会对阀门和管道产生很大的破坏作用,主要表现在三个方面。

    2.1 阀门损坏

    发生闪蒸时,气泡对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏。其特点是受冲刷表面有平滑抛光的外形,冲刷最严重的地方一般是在流速最高处,通常位于阀芯和阀座环的接触线上或附近。

    发生气蚀时,饱和蒸汽气泡破裂释放出能量,会慢慢地撕裂材料,留下一个类似于煤渣的粗糙表面。气蚀造成的损坏可延伸至邻近的下游管道,如果在该处仍存在压力恢复和气泡破裂现象。

    2.2 振动

    闪蒸和气蚀使阀门在垂直和水平方向产生剧烈的振动,加速了管道和阀门的机械磨损,同时振动造成紧固件松动,直接威胁生产安全。

    2.3 噪音

    发生气蚀时,由于气泡爆裂会产生一种类似于砂石流过阀门的噪声,影响操作环境。

    3 闪蒸工况阀门选型

    从数学模型上分析,闪蒸的产生是因为P2<Pv。P2是阀门的下游压力,是下游过程和管道的一个函数。Pv是流体和工作温度的一个函数。因此,定义闪蒸的变量不是由阀门直接控制的。这进一步意味着,对任何阀门来说都无法防止闪蒸。闪蒸不能靠阀门来避免,最好的办法是选择合适的几何形状和材料的阀门来避免或尽量减小破坏。主要从下列三个方面考虑:

    3.1 阀门结构

    阀门结构与闪蒸无关,但是却能控制闪蒸的破坏。选择流体方向改变尽可能少的阀门可以使颗粒冲击数量减到最小。比如:

    (1)采用介质自上而下流动的角形阀。由于角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心,而不是像球形阀一样直接冲击体壁,所以大大减少了冲击阀体体壁的饱和蒸汽气泡数量。

    (2)带有旋启式阀瓣的阀门结构也是一种有效方法。在阀体内部下游一侧安装旋启式阀瓣,把阀体下游的压力控制在饱和蒸汽压力以下,使闪蒸出现在下游管线,由一段下游管线来承受闪蒸的破坏。

    3.2 材料选择

    一般情况下,硬度校高的材料更能抵御闪蒸和气蚀的破坏。对于那些肯定会受到流体冲击的阀内区域,如阀座表面,选择尽可能硬的材料。硬质合金钢是常用的抗腐蚀材料,如电力行业经常选用铬钼合金钢阀门。对于角形阀,其阀体可采用碳钢结构,但其下游管道需要选用硬度高的材料,因为其闪蒸发生在阀体下游。对于球形阀,最好采用合金钢阀体,因为闪蒸出现在阀体内部。

    3.3 系统设计

    闪蒸现象跟系统设计密切相关。图2为调节阀将闪蒸水排向设备的系统。图2(a)的闪蒸出现在调节阀与设备之间的管道里,闪蒸破坏只会出现在这个区域。图2(b)的闪蒸出现在阀门下游和设备中,所以设备相对于管道来说必须具有更大的容积来防止高速气泡冲击材料表面。可见,良好的系统设计能帮助防止闪蒸破坏的发生。

(a)良好的系统设计  (b)需要尽量避免的系统设计

图2 系统设计

    4 气蚀工况阀门选型

    防止调节阀的气蚀,主要从阀门结构上考虑。

    4.1 控制压力降

    如果通过阀门的压力降经过控制而使得局部压力不会低于饱和蒸汽压力,那么蒸汽气泡就不会形成,没有蒸汽气泡的破裂,也就不会产生气蚀。比如:

    (1)使用多级减压的阀门内件,把通过阀门的压降分成数个较小的压降,每一个较小压降都确保其缩流断面处的压力大于饱和蒸汽压力,因此没有蒸汽气泡形成。

    (2)使流动介质通过一个含有曲折路径的节流元件,可以减少压力恢复。曲折路径可以有不同的形式,比如小孔、放射状的流路等,但每一种设计的效果基本都是相同的。

    4.2 改进工艺系统

    如果能将调节阀出口压力P2升高以致于缩流断面处的压力不会降到饱和蒸汽压力以下,也就是说阀门不再被阻塞,那么气蚀就可以避免了。比如:

    (1)将阀门移到下游处有较高静压头的位置可以提高P2的值。

    (2)增加一个限流孔板或类似的背压装置也能升高阀门的P2值;下游存在把气蚀从阀门转移到限流孔板处的潜在的可能性。

    (3)扩大流动区域。一般要求每一级节流面积都比前一级的大,第1级节流承受了大部分的压差,压力降通过连续节流而逐渐减小。在最后一级别节流区域压降仅占总压差很小的百分比,所以压力恢复是很小的。即使最后一级产生气蚀,它所造成的破坏强度也是很微小的。

    4.3 尽可能减小或隔离其破坏

    这种方法的目标是把气蚀与阀内表面隔离开来,并硬化那些会受到气蚀冲击的表面。

    5 结束语

    气蚀和闪蒸是调节阀中常见的流体现象,但是通过优化的系统设计及合理的阀门选型,可以防止气蚀的发生,控制闪蒸的破坏。

 

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