調節閥氣蝕現象的分析及改進措施

2010-02-06 張海亮上海凱士比泵有限公司

1、概述

　　調節閥作為自動控制調節系統中的執行部件,在現代工業生產中得到廣泛應用, 其控制及通訊方式隨著計算機及總線新技術的應用而發生了根本性的轉變, 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, 管道流體往往因設備結構設計、安裝或工藝參數設計不當等原因而產生氣蝕, 對調節閥內件造成嚴重的損傷, 同時引起整個系統的振動及噪聲, 嚴重影響調節閥的使用壽命及控制系統的精確性, 給工業生產帶來很大的隱患。

2、氣蝕機理

　　氣蝕是一種水力流動現象, 氣蝕的直接原因是管道流體因阻力的突變產生了閃蒸及空化。在工藝系統中調節閥屬節流部件, 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流窗口, 改變閥瓣位置就可改變調節閥的阻力特性, 進而改變整個工藝系統的阻力特性。在高壓差(△p >2.5MPa) 時, 調節閥的調節過程就是阻力的突變過程, 此過程極易產生氣蝕。為便于分析,將調節閥的節流過程模擬為節流孔調節式(圖1) ,

空化現象的形成

圖1　空化現象的形成

　　可以看出進口壓力為p1, 流速為V1的流體流經節流孔時, 流速突然急劇增加, 根據流體能量守恒定律,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象, 此既為閃蒸的形成。如果產生閃蒸之后, p2不是保持在飽和蒸汽壓之下, 在離開節流孔后隨著流道截面的增大流速相應減小, 閥后壓力急驟上升。升高的壓力壓縮閃蒸產生的氣泡, 氣泡由圓形變為橢圓形,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。氣蝕現象不僅僅存在于高壓差的調節閥內部, 在工業生產的很多領域都存在此現象。

3、防止氣蝕的措施

3.1、類型選擇

　　從分析可以看出, 產生氣蝕是因為發生了空化, 而發生空化的原因是節流引起了壓力的突變,因此應避免空化的產生。而產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 ———壓力恢復系數

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

　　另外, 選用角形調節閥也可減弱閃蒸破壞力。因為角形閥中的介質直接流向閥體內部下游管道的中心, 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量和次數, 相應的減少了氣蝕的發生。

3.2、材料選擇

　　從氣蝕的結果分析, 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。當硬化表面出現損傷后, 可以進行二次堆焊或噴焊, 這樣既能增加設備的使用壽命, 又減少了裝置的維修費用。

3.3、結構選擇

　　分析結果證明, 空化是因為壓力的突變所引起, 而系統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構(圖3) , 這種結構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。或設計成特殊結構的閥瓣和閥座, 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, 在通道間導致高度紊流, 使液體的動能由于相互摩擦而變為熱能, 可減少氣泡的形成。

　　不同結構形式的閥門有其不同的氣蝕系數δ

　　式中H1 ———閥后(出口) 壓力, MPa
　　　　H2 ———大氣壓與其溫度相對應的飽和蒸汽壓力之差, MPa
　　　　Δp———閥門前后的壓差, MPa

　　各種閥門由于構造不同, 允許的氣蝕系數δ也不同, 如計算的氣蝕系數大于容許氣蝕系數, 則不會發生氣蝕。以蝶閥容許氣蝕系數為215為例進行說明。當δ> 2.5時, 不發生氣蝕。當2.5 >δ> 1.5時, 發生輕微氣蝕。當δ< 1.5時, 產生振動。當δ< 0.5 時, 如繼續使用, 則會損傷閥門和下游配管。從計算中可以看出, 產生氣蝕與閥門出口壓力H1 有關, 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。