調(diào)節(jié)閥閃蒸和氣蝕現(xiàn)象及防護(hù)措施

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　　上章節(jié)我們說(shuō)到了調(diào)節(jié)閥三斷保護(hù)的實(shí)現(xiàn)與分析的問(wèn)題，這次我們來(lái)進(jìn)一步講解有關(guān)于調(diào)節(jié)閥閃蒸和氣蝕現(xiàn)象及防護(hù)措施的基礎(chǔ)知識(shí)，大家要好好聽(tīng)課了，小編講課了哦。人人惹人愛(ài)哦？

調(diào)節(jié)閥是自控系統(tǒng)中的終端現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)儀表。它安裝在工藝管道上，調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，按設(shè)定要求控制工藝參數(shù)。調(diào)節(jié)閥直接接觸高溫、高壓、深冷、腐蝕等工藝流體介質(zhì)，因而是容易被腐蝕、沖蝕、氣蝕、老化、損壞的儀表，往往給生產(chǎn)過(guò)程的控制造成困難。尤其是在液體工況下，如果調(diào)節(jié)閥上的壓差ΔP(P1-P2)大于大允許計(jì)算壓力降ΔPmax，那么就會(huì)產(chǎn)生閃蒸或氣蝕，這種現(xiàn)象會(huì)引起調(diào)節(jié)閥或相鄰管道結(jié)構(gòu)上的損壞，同時(shí)還可能引起整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪音，嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)閥的使用壽命和整個(gè)自控系統(tǒng)的精確性，給裝置生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。

　　1 阻塞流引起閃蒸和氣蝕

　　閃蒸和氣蝕是一個(gè)物理現(xiàn)象名詞，因?yàn)樗枋隽肆黧w介質(zhì)在形式上的實(shí)際變化。這種變化是從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，由于通常是在閥座口的大流道縮徑處或其下游的流體速度的增加而引起的。隨著流體通過(guò)縮徑，流束會(huì)變細(xì)或收縮。流束的小橫斷面出現(xiàn)在實(shí)際縮徑的下游被稱(chēng)為縮流斷面處，如圖1所示。

　　圖1 縮流斷面示意圖

　　為維持流體穩(wěn)定地流過(guò)調(diào)節(jié)閥，在截面小的縮流斷面處，流速是大的。流速(或動(dòng)能)的增加伴隨著縮流斷面處壓力(或勢(shì)能)大大的降低。再往下游，隨著流束擴(kuò)展進(jìn)入更大的區(qū)域，流速下降，壓力增加;但下游壓力不會(huì)完全恢復(fù)到與調(diào)節(jié)閥上游相等的壓力，調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的壓差ΔP表示閥門(mén)中消耗的能量。圖2為高壓力恢復(fù)和低壓力恢復(fù)調(diào)節(jié)閥的壓力變化曲線(xiàn)，反映了由于較大的內(nèi)部紊流和能量消耗，一個(gè)流線(xiàn)型高壓力恢復(fù)調(diào)節(jié)閥如球閥與一個(gè)低壓力恢復(fù)調(diào)節(jié)閥的不同性能。

　　圖2 高壓力恢復(fù)和低壓力恢復(fù)調(diào)節(jié)閥的壓力變化曲線(xiàn)比較

　　不管閥門(mén)的恢復(fù)特性如何，值得注意的是與閃蒸和氣蝕有關(guān)的壓差就是調(diào)節(jié)閥入口狀態(tài)下液體的蒸汽壓力與縮流斷面之間的壓差。用Pvc表示縮流斷面處的壓力;用Pv表示調(diào)節(jié)閥入口狀態(tài)下液體的蒸汽壓力;FF表示臨界壓力比，它是由流體性質(zhì)決定的小于1的常數(shù)。如果Pvc明顯低于Pv，即

　　Pvc 這時(shí)會(huì)發(fā)生大量的汽化，嚴(yán)重影響流量的測(cè)量。流量不再與

成正比，如圖3所示。隨著橫坐標(biāo)

的增大，Pvc逐漸遞減。在Pvc降至Pv以前，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量Q與

成正比;在Pvc降至Pv以后，曲線(xiàn)斜率有所減小;當(dāng)Pvc降至FFPv以后，流量Q幾乎不再隨

的增大而增加，斜率很小，這種狀態(tài)稱(chēng)為阻塞流。

　　圖3 調(diào)節(jié)閥流量與差壓方根的關(guān)系

　　如果縮流斷面處的壓力降到液體的蒸汽壓力以下，即Pvc

　　如果調(diào)節(jié)閥的出口壓力仍然低于液體的蒸汽壓力，即P2Pv，氣泡將會(huì)破裂或向內(nèi)爆炸，從而產(chǎn)生“氣蝕”。

　　2 閃蒸和氣蝕的影響

　　閃蒸的影響主要是物理?yè)p害，閃蒸對(duì)調(diào)節(jié)閥的閥芯會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，其特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形，如圖4所示，這種損壞過(guò)程非常類(lèi)似于噴砂過(guò)程。就流體而言，蒸汽體積常常大于液體體積，以至于使液滴趨向于蒸汽的流速，液滴沖擊表面如同固體顆粒沖擊表面一樣，足以使表面材料損壞脫落。沖刷嚴(yán)重的一般是在流速處，通常位于閥芯和閥座環(huán)的接觸線(xiàn)上或附近。

　　圖4 閃蒸破壞的典型外形

　　氣蝕的損害發(fā)生在非常接近氣泡破裂的地方。曾有研究者發(fā)現(xiàn)，在氣泡破裂時(shí)壓力高達(dá)689MPa。一種理論認(rèn)為，從每個(gè)氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波會(huì)向四周發(fā)射，當(dāng)這些沖擊波發(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)確定的固體表面都會(huì)受到重復(fù)沖擊趨向于疲勞，直至達(dá)到疲勞極限，導(dǎo)致表層脫落。氣泡在離開(kāi)固體表面有足夠距離的地方破裂，可以認(rèn)為不會(huì)產(chǎn)生物理?yè)p壞，因?yàn)?，它們的能量被流?dòng)的流體吸收了。因此在實(shí)際中，經(jīng)常出現(xiàn)閥內(nèi)件遭嚴(yán)重?fù)p害的現(xiàn)象也就不足為奇了。氣蝕損害具有煤渣似的粗糙外形的特點(diǎn)，這種損壞與大多數(shù)其他類(lèi)型的流動(dòng)損壞有明顯的區(qū)別，如圖5所示。如果在鄰近的下游管道仍存在壓力恢復(fù)和氣泡破裂的現(xiàn)象，氣蝕造成的損壞可能延伸至鄰近的下游管道。很明顯，高壓力恢復(fù)閥門(mén)比較容易發(fā)生氣蝕，因?yàn)樗南掠螇毫Ω锌赡苌仙烈后w蒸汽壓力以上。

　　圖5 氣蝕破壞的典型外形

　　閃蒸和氣蝕都可能帶來(lái)閥芯的振動(dòng)，包括垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)，它們分別來(lái)自流體對(duì)閥芯的垂直撞擊和水平撞擊，其結(jié)果是造成機(jī)械磨損和破壞，調(diào)節(jié)閥性能變差，甚至閥桿折斷。某公司1#動(dòng)力裝置曾經(jīng)就發(fā)生過(guò)因?yàn)殚W蒸引起振動(dòng)致使閥桿斷裂的情況。另外，氣蝕產(chǎn)生時(shí)，蒸汽氣泡破裂釋放出能量，并產(chǎn)生一種類(lèi)似于砂石在管道內(nèi)流動(dòng)的噪聲。

　　3 閃蒸和氣蝕現(xiàn)象的防護(hù)措施

　　3.1 閃蒸的防護(hù)措施

　　閃蒸的產(chǎn)生是因?yàn)镻vc

　　1)防止或減少液滴或氣泡沖擊閥體表面。選擇流體方向改變盡可能少的閥門(mén)，以使液滴或氣泡沖擊數(shù)量減到小。直行程角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，而不是直接沖擊閥體內(nèi)壁，所以大大減少了沖擊閥體內(nèi)壁的飽和氣泡數(shù)量，從而減弱了閃蒸的破壞力。一些旋轉(zhuǎn)閥如偏心旋轉(zhuǎn)球塞閥和V形球閥也提供直通式流道。

　　2)將受沖刷的表面盡可能硬化。對(duì)于流體肯定會(huì)沖擊閥門(mén)內(nèi)表面的區(qū)域，如閥座表面，盡可能選擇較硬的材料。但能夠長(zhǎng)時(shí)間抵御閃蒸沖刷的材料很少，且價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)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成本高，而且易脆裂。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，形成硬化表面。當(dāng)硬化表面出現(xiàn)損傷后，可以進(jìn)行二次堆焊或噴焊，這樣既能增加設(shè)備的使用壽命，又減少了維修費(fèi)用。

　　3)降低流體沖刷速度。在閥的下游加擴(kuò)展式流通區(qū)域的閥門(mén)也是有效的，這樣會(huì)大大減小沖刷速度。

　　4)既有閃蒸又有腐蝕性的流體比較麻煩。在這種情況下，流體會(huì)使閥門(mén)腐蝕，而閃蒸會(huì)沖刷由腐蝕產(chǎn)生的軟性氧化層，這種綜合作用比兩種機(jī)理單獨(dú)產(chǎn)生的破壞要大。在這種情況下，選擇一種低合金鋼以防止腐蝕是基本的解決方案。

　　3.2 氣蝕的防護(hù)措施

　　氣蝕的防護(hù)措施如下：

　　1)通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥的壓降來(lái)消除氣蝕。如果控制調(diào)節(jié)閥的壓降使得局部壓力不會(huì)低于液體的蒸汽壓力，那么蒸汽氣泡就不會(huì)形成，沒(méi)有蒸汽氣泡的破裂，也就不會(huì)產(chǎn)生氣蝕。為了消除氣蝕，可以使用多級(jí)降壓內(nèi)件，如圖6所示。把通過(guò)閥門(mén)的壓降分成數(shù)個(gè)較小的壓降，確保每一個(gè)較小的壓降在其縮流斷面處的壓力都大于液體的蒸汽壓力，因此不會(huì)形成蒸汽氣泡。

　　圖6 消除氣蝕的多級(jí)降壓內(nèi)件

　　2)采用多孔節(jié)流設(shè)計(jì)，防止氣蝕的發(fā)生。多孔節(jié)流是一種綜合設(shè)計(jì)方案。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)有許多特殊形狀的小孔。每種不同的小孔設(shè)計(jì)都影響著閥門(mén)的壓力恢復(fù)程度。如圖7所示，圖7a薄形金屬板式結(jié)構(gòu)流通效率差，但壓力恢復(fù)系數(shù)FL值較高，具有較低的壓力恢復(fù)能力，不易產(chǎn)生氣蝕。圖7b厚形金屬板式結(jié)構(gòu)流通能力較高，但壓力恢復(fù)系數(shù)FL值較低，具有較高的壓力恢復(fù)能力，易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。圖7c復(fù)合板式結(jié)構(gòu)是前兩種設(shè)計(jì)的綜合與平衡，不但有較高的流通能力而且仍能保持較高的FL值，從而具備較低的壓力恢復(fù)能力，避免了氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。此設(shè)計(jì)是流通能力和氣蝕控制應(yīng)用中有效的方案。

　　圖7 節(jié)流孔形式

　　3)如閃蒸的防護(hù)措施一樣，盡可能減少或隔離氣蝕產(chǎn)生的破壞。這種方法的目標(biāo)是把氣蝕與閥內(nèi)表面隔離開(kāi)來(lái)，并硬化那些會(huì)受到氣蝕沖擊的表面。

　　4)對(duì)已選定的閥型(壓力恢復(fù)系數(shù)FL確定)，應(yīng)考慮從工藝系統(tǒng)上減小閥門(mén)上的壓降，防止氣蝕的產(chǎn)生。如果能將P2升高以至于縮流斷面處的壓力Pvc不會(huì)降到液體的蒸汽壓力Pv以下，也就是說(shuō)閥門(mén)不會(huì)被阻塞，那么氣蝕就可以避免。將調(diào)節(jié)閥移到下游處有較高靜壓頭的位置可以提高P2的值。增加一個(gè)限流孔板或類(lèi)似的背壓裝置也能提高調(diào)節(jié)閥的P2值，同時(shí)，還存在把氣蝕從調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)移到下游限流孔板處的潛在可能性。

　　4 結(jié)論

　　調(diào)節(jié)閥的閃蒸和氣蝕是因阻塞流引起的常見(jiàn)現(xiàn)象。但是通過(guò)合理選擇閥門(mén)結(jié)構(gòu)，合理選用閥門(mén)材料，合理采用硬化處理等措施，可以有效控制閃蒸產(chǎn)生的破壞。通過(guò)科學(xué)的閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門(mén)新技術(shù)的應(yīng)用以及工藝系統(tǒng)的調(diào)整等措施，可以有效防止氣蝕的產(chǎn)生并減少氣蝕帶來(lái)的破壞。

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