調(diào)節(jié)閥氣蝕現(xiàn)象的分析及改進措施|資料

1、概述

調(diào)節(jié)閥作為自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的執(zhí)行部件,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到 應(yīng)用,其控制及通訊方式隨著計算機及總線新技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)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程中,管道流體往往因設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝或工藝參數(shù)設(shè)計不當?shù)仍蚨a(chǎn)生氣蝕,對調(diào)節(jié)閥內(nèi)件造成嚴重的損傷,同時引起整個系統(tǒng)的振動及噪聲,嚴重影響調(diào)節(jié)閥的使用壽命及控制系統(tǒng)的精確性,給工業(yè)生產(chǎn)帶來很大的隱患。

2、氣蝕機理

氣蝕是一種水力流動現(xiàn)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(tǒng)中調(diào)節(jié)閥屬節(jié)流部件,起變阻力元件的作用,其核心是一個可移動的閥瓣與不動的閥座之間形成的節(jié)流窗口,改變閥瓣位置就可改變調(diào)節(jié)閥的阻力特性,進而改變整個工藝系統(tǒng)的阻力特性。在高壓差(△p>2.5MPa)時,調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)過程就是阻力的突變過程,此過程極易產(chǎn)生氣蝕。為便于分析,將調(diào)節(jié)閥的節(jié)流過程模擬為節(jié)流孔調(diào)節(jié)式(圖1),

圖1空化現(xiàn)象的形成

可以看出進口壓力為p1,流速為V1的流體流經(jīng)節(jié)流孔時,流速突然急劇增加,根據(jù)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,部分液體就汽化為氣體,形成氣液兩相共存的現(xiàn)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,在離開節(jié)流孔后隨著流道截面的增大流速相應(yīng)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始變平,然后突然爆裂。所有的能量集中在破裂點上,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,形成一個個粗糙的蜂窩渣孔,這便是氣蝕形成的過程。氣蝕現(xiàn)象不僅僅存在于高壓差的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部,在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都存在此現(xiàn)象。

3、防止氣蝕的措施

3.1、類型選擇

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(jié)流引起了壓力的突變,因此應(yīng)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

△p_T=F_L²(p₁-p_vc)

式中FL———壓力恢復(fù)系數(shù)

在工藝條件允許的情況下盡量選用△p<△pT的閥門,即選用壓力恢復(fù)系數(shù)小的閥門,如球閥或蝶閥等。如果工藝條件必須使△p>△pT,可以將兩個調(diào)節(jié)閥串聯(lián)起來使用,這樣每個調(diào)節(jié)閥的壓差△p都小于△pT,空化便不會產(chǎn)生。如果閥的壓差△p小于2.5MPa,一般不會產(chǎn)生氣蝕,即使有氣蝕的產(chǎn)生也不會對閥門造成嚴重的損壞。

另外,選用角形調(diào)節(jié)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(nèi)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(shù)量和次數(shù),相應(yīng)的減少了氣蝕的發(fā)生。

3.2、材料選擇

從氣蝕的結(jié)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,但能夠長時間抵御嚴重空化作用的材料很少,價格昂貴,國內(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(xiàn)損傷后,可以進行二次堆焊或噴焊,這樣既能增加設(shè)備的使用壽命,又減少了裝置的維修費用。

3.3、結(jié)構(gòu)選擇

分析結(jié)果證明,空化是因為壓力的突變所引起,而系統(tǒng)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(jié)構(gòu)(圖3),這種結(jié)構(gòu)的閥瓣可以把總壓差分成幾個小壓差,逐級降壓,使每一級都不超過臨界壓差。或設(shè)計成特殊結(jié)構(gòu)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閥瓣和閥座時,每一點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(dǎo)致高度紊流,使液體的動能由于相互摩擦而變?yōu)闊崮?可減少氣泡的形成。

圖1

不同結(jié)構(gòu)形式的閥門有其不同的氣蝕系數(shù)δ

式中H1———閥后(出口)壓力,MPa

H2———大氣壓與其溫度相對應(yīng)的飽和蒸汽壓力之差,MPa

Δp———閥門前后的壓差,MPa

各種閥門由于構(gòu)造不同,允許的氣蝕系數(shù)δ也不同,如計算的氣蝕系數(shù)大于容許氣蝕系數(shù),則不會發(fā)生氣蝕。以蝶閥容許氣蝕系數(shù)為215為例進行說明。當δ>2.5時,不發(fā)生氣蝕。當2.5>δ>1.5時,發(fā)生輕微氣蝕。當δ<1.5時,產(chǎn)生振動。當δ<0.5時,如繼續(xù)使用,則會損傷閥門和下游配管。從計算中可以看出,產(chǎn)生氣蝕與閥門出口壓力H1有關(guān),加大H1會使情況改變。其改進方法很多,如把閥門安裝在管道較低點,或在閥門后管道上裝孔板增加阻力,也可將閥門出口直接接蓄水池,使氣泡炸裂的空間增大,氣蝕減小。

4、結(jié)語

調(diào)節(jié)閥的氣蝕現(xiàn)象受到閥門用材料、流體、力學(xué)、結(jié)構(gòu)和介質(zhì)等多種因素的影響,通過合理的選擇,精確的計算,以及閥門新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,氣蝕現(xiàn)象會在生產(chǎn)中得到更好的解決。