调节阀气蚀与闪蒸的危害分析及对策

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京石油化工工程有限公司西安分公司 作者:郭海侠

  在调节阀的使用过程中,气蚀和闪蒸是最为常见的流动现象,也是难以避免的现象。气蚀产生的蒸汽气泡、爆炸现象对阀内件的破坏相当严重,引起调节阀寿命的缩短;闪蒸会对阀芯产生严重的冲刷破坏,使阀芯和阀座密封处损害,阀门的关闭性能严重降低。气蚀和闪蒸还可能引起噪音,振动。因此克服调节阀的气蚀和闪蒸,显得尤为重要。

1、对调节阀产生气蚀和闪蒸的分析

  气蚀和闪蒸都是针对于液体介质而言,液体介质在阀芯处节流时,由于静压降低到液体的饱和蒸汽压以下而使液体发生汽化的现象称为空化,介质流过阀座后,如果静压恢复到大于液体的饱和蒸气压时,原先空化的蒸汽又恢复成液体状态,这时汽泡破裂会释放巨大的能量,会引起噪音、振动,导致阀内件损坏,这一现象称为气蚀;如果静压不能恢复到液体的饱和蒸气压,则流出阀体的将会是蒸汽或蒸汽液体混合物,此时会产生严重的冲刷和噪音,这一现象称为闪蒸。通过图1~3来分别表示流体不产生气蚀、产生气蚀、产生闪蒸时流体在流经阀体内部时的压力变化。

  1.1、不产生气蚀的压差范围

  图1表示流体通过阀的时候,由于大于,不会引起沸腾现象,液体仍保持原有状态。

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图1 正常状态

  P1———阀的入口压力,P2———阀的出口压力,Pv———阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力,Pc———液体(热力学)临界压力,Pvc———流体缩流断面的压力.

  1.2、产生气蚀状态的压差范围

  图2表示降至以下的液体压力,在出口侧又恢复到以上,原先产生的气泡再次破灭。

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图2 气蚀状态(PvcPv)

  P1———阀的入口压力,P2———阀的出口压力,Pv———阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力,Pc———液体(热力学)临界压力,Pvc———流体缩流断面的压力.

  1.3、产生闪蒸状态的压差范围

  图3表示仍在以下徘徊,也未恢复到以上的区域,出口侧出现气液两相的流体,这种现象称为闪蒸,此时阀内处于阻塞流状态,对流量影响极大。

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图3 闪蒸状态(P2

  P1———阀的入口压力,P2———阀的出口压力,Pv———阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力,Pc———液体(热力学)临界压力,Pvc———流体缩流断面的压力.

  为便于对液体在阀内的流动状态分析,把一个有一定开度的调节阀模拟成一个同心孔板如图4所示。图4用以说明流体在阀内流动过程中各点的速度和压力的分布曲线。

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图4 流体通过阀门的压力和速度变化曲线

  根据热力学第一定律,如果流体流过系统边界层没有发热和做功的能量损失,在该系统中沿确定的基准面每点上的总能级保持一定。流体通过孔板前开始收缩,以便通过孔板,其流速与流体面积成反比,故流速增加,因为速度与压力之和保持大约相等,能量的相互转换必然会由于速度增加导致压力下降。

  在邻近孔板的下游,流体将达到它的最小截面,最大速度和最小压力,这点称为缩流(Pvc)。如果该点速度充分增加,压力降到蒸汽压,就使得在流体中产生空腔。这便是气蚀的第一阶段。从离开缩流处的下游开始,由于流体摩擦引起流体减速,其结果使流体截面和压力增加,这一能量反向转换即“压力恢复”,在缩流处,压力减少到蒸汽压而形成的蒸汽泡在压力增加的下游不可能存在,而会挤压破裂恢复成液体状态,这一过程便是气蚀。

  由于液体中空腔破裂产生的冲击波,向四周发射,当这种冲击波发生于邻近的固体边界层时,就产生一种高度挤压和连续不断的小撞击,任何一个确定的表面增量受到重复冲击趋于疲劳直至极限时,细小金属层便会脱落。其他理论认为,在此基础上,还同时伴随着化学腐蚀过程。

  就闪蒸液体而言,由于蒸汽体积常常大于液体体积,以致于使液滴趋向于达到蒸汽高速度。液滴冲击阀体表面如同固体颗粒冲击表面一样,使阀体材料损坏脱落。由于液体闪蒸产生的物理损坏一般发生在下游部分。如果阀门入口的液体接近于饱合状态,使得闪蒸开始发生于阀体的上游部分,则阀座与阀芯的密封表面也可能受到影响。

  假如引出一个系统气蚀参数,作为引起调节阀气蚀的系统状态趋势度量,那么

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  式中:Ksc———系统气蚀指数;

  Kc———初始气蚀指数;

  ΔP———阀门压力降。

  用于液体流量的计算方程:

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  式中:qv———液体体积流量;

  ρ———液体密度;

  Cv———阀门流通能力。

  表示Ksc点的qv相对于调节阀气蚀与闪蒸的危害分析及对策的典型曲线如图5所示,可见qv与调节阀气蚀与闪蒸的危害分析及对策在一定范围内呈现线性关系,当ΔP增加到某一值后,Ksc=Kc,将导致Cv值下降,这就是产生气蚀的前兆,此后,qv与调节阀气蚀与闪蒸的危害分析及对策比例失调,大部分开始气蚀。若阀门出口压力进一步降低,气化量增大,气蚀强度增加,液体流通能力Cv进一步降低。若压力降足够大,流动完全受阻,以致于压降再增加也不能引起流量增加,此时的流动状态称为阻塞流。事实上,阀门恢复系数Km是发生剧烈气蚀的很好指标。

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  式中:Km———阀门恢复系数;

  ΔPm———产生阻塞流时阀门压降。

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图5 qv与调节阀气蚀与闪蒸的危害分析及对策的典型曲线

  可以把Kc和Km看成系统气蚀参数Ksc的两个数值,表征一个具体阀门的两个气蚀强度。当Ksc=Kc时,阀门开始产生气蚀现象,如果P1不变,进一步降低P2直至Ksc达到Km时,阀内出现阻塞状态。

  根据上式可得到阻塞流方程:

  式中:γc———临界压力比。

  在一般计算调节阀口径的公式中,阀门计算用的压力条件已定,用该方程式可计算出ΔPm,由图5发现,如果计算的ΔPm小于实际ΔP,这个流量将处于阻塞流状态;如果ΔPm计算值大于实际ΔP,则表明阀门将运行在qv与调节阀气蚀与闪蒸的危害分析及对策成比例的范围内。Km包括了所采用阀门类别的影响,它是衡量缩流和阀门出口间压力恢复的尺度,Km值越高(阀门压力恢复能力越低),允许阀门压降越高,越有利于防止气蚀的发生。

2、如何消除气蚀对阀门造成的危害

  2.1、改变工艺系统

  通过降低液体温度或在一定差压下提高阀后压力,使流体在缩流处不低于其液体的饱和蒸汽压。

  2.2、改善安装条件

  在阀前或阀后安装一个或多个限流孔板压降,或者串联安装两个以上的调节阀使每个阀上的压降不超过ΔP允,上游阀可具有较大的压降,串联阀门的个数,由总压降决定。

  其中:ΔP允=Kc(P1-Pv)

  当工艺系统仍在设计阶段正在选择阀门安装位置时,如果已确定某个阀门将出现阻塞流,采用不同的位置如安装在长管线的开头或安装在阀后压力更高的位置,这样可以允许较高的入口压力以消除阻塞流。

  2.3、选择特殊结构的阀体

  气蚀可以通过阀门结构来消除,比如多级降压或迷宫式等,采用多级降压原理,把阀体部件总的压差分成几个小压差,逐级降压,确保其节流缩径处的压力都不低于液体的饱和蒸汽压,从而不会产生气蚀的气泡。

  例如目前国内市场上出现的气动薄膜角型多级调节阀,它采用类似在长管道中放入几个节流孔板以达到逐级降压的目的。由于高压液体在流过多节流孔的过程中逐渐降压,因此,每级的阀芯上只承担一部分压差(在设计上使其处于允许范围之内),使节流后压力在阀的部分高于液体的饱合蒸汽压力。从而,有效地避免气蚀现象,防止由此引起的噪音、振动及其对调节阀的侵蚀。

  2.4、利用液体的多孔节流原理

  利用液体的多孔节流原理,减少气蚀的发生。这类阀体部件的特点是在阀体部件的套筒壁上或阀芯上开有许多特殊形状的孔。当液体从各个小孔喷射进去后,在套筒中心相互碰撞,一方面出于碰撞消耗能量,起到缓冲作用;另一方面,因气泡的破裂发生在套筒中心,这样,就避免了对阀芯和套筒的直接破坏。

  2.5、选择适当的材质

  一般情况下,材料越硬,抗蚀能力越强,但目前仍没有找到长时间抵抗严重气蚀作用而不受损害的材料。因此,在有气蚀作用的情况下,应该考虑到阀芯、阀座易于更换。目前,制造阀芯、阀座的材料从抗气蚀的角度出发,国内外使用最广泛的是司钛莱合金(用Co、Cr、W元素)、硬化工具钢和钴钨合金钢,特殊的表面要进行硬化处理。当用司钛莱合金时,可在这些不锈钢基体上进行堆焊和喷焊,以形成硬化表面。按不同的使用条件,硬化表面可局限于阀座和阀芯密封面上,也可以是阀环和阀杆全部堆焊。

3、如何减轻闪蒸对阀门造成的危害

  在调节阀里闪蒸是不能预防的,所能做到的就是减轻闪蒸的破坏。在调节阀设计中影响着闪蒸破坏的因素主要有阀门结构、材料性能和系统设计。

  3.1、材料选择

  一般情况下,硬度较高、耐磨损的材料更能抵御闪蒸的破坏。硬度高的材料常常用于制造阀体。如采用球形阀,最好用铬钼合金钢阀体,因为闪蒸出现在阀体内部。如果角形阀下游配装材料硬度高的管道,其阀体可以选用碳钢材料,因为仅仅在阀体下游部分才有闪蒸液体。

  3.2、阀门结构

  闪蒸破坏是高速度的饱和气泡冲击阀体表面,并腐蚀阀体表面造成的。可以选择角型阀、偏心旋转阀等流通性好、流阻小的阀门。例如角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心,而不是象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气泡数量。从而减弱了闪蒸的破坏力。因此在闪蒸破坏出现的情况下,角形阀体设计比球形阀体更为经济。在某些情况下,常常采用由一段下游管道承受闪蒸破坏的方法保护阀门。

  3.3、系统设计

  闪蒸现象是由系统设计所决定的。扩大节流缩径后的阀后容腔,降低流速,即降低冲刷速度和冲刷能量。例如冷凝器相对于管道来说具有更大的容积防止高速度的气泡冲击材料表面。因而良好的系统设计能帮助防止闪蒸破坏的发生。

4、结束语

  在许多应用场合,减轻闪蒸所带来的破坏和防止气蚀的发生所采取的各种措施都会受到其费用和复杂程度的限制,因此工程设计人员的目标是通过合理的阀门设计可以防止气蚀的发生,通过优化阀门结构和合理地选用阀体材料可以减轻闪蒸所带来的破坏。

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