調(diào)節(jié)閥氣蝕現(xiàn)象的分析及改進(jìn)措施
1、概述
調(diào)節(jié)閥作為自動(dòng)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)中得到廣泛應(yīng)用, 其控制及通訊方式隨著計(jì)算機(jī)及總線(xiàn)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(zhǔn)確度及可靠性。但在高溫高壓工況使用過(guò)程中, 管道流體往往因設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝或工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)仍蚨a(chǎn)生氣蝕, 對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)件造成嚴(yán)重的損傷, 同時(shí)引起整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)及噪聲, 嚴(yán)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(lái)很大的隱患。
2、氣蝕機(jī)理
氣蝕是一種水力流動(dòng)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(gè)可移動(dòng)的閥瓣與不動(dòng)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(jìn)而改變整個(gè)工藝系統(tǒng)的阻力特性。在高壓差(△p >2.5MPa) 時(shí), 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)過(guò)程就是阻力的突變過(guò)程, 此過(guò)程極易產(chǎn)生氣蝕。為便于分析,將調(diào)節(jié)閥的節(jié)流過(guò)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(jìn)口壓力為p1, 流速為V1的流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí), 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(dāng)出口壓力p2 達(dá)到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓pv時(shí), 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(kāi)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(dá)到臨界尺寸的氣泡上游表面開(kāi)始變平, 然后突然爆裂。所有的能量集中在破裂點(diǎn)上, 產(chǎn)生巨大的沖擊力, 其強(qiáng)度可達(dá)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(gè)個(gè)粗糙的蜂窩渣孔, 這便是氣蝕形成的過(guò)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(lèi)型選擇
從分析可以看出, 產(chǎn)生氣蝕是因?yàn)榘l(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
△pT = FL2 ( p1 - pvc )
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(mén), 即選用壓力恢復(fù)系數(shù)小的閥門(mén), 如球閥或蝶閥等。如果工藝條件必須使△p > △pT , 可以將兩個(gè)調(diào)節(jié)閥串聯(lián)起來(lái)使用, 這樣每個(gè)調(diào)節(jié)閥的壓差△p都小于△pT , 空化便不會(huì)產(chǎn)生。如果閥的壓差△p小于2.5MPa, 一般不會(huì)產(chǎn)生氣蝕, 即使有氣蝕的產(chǎn)生也不會(huì)對(duì)閥門(mén)造成嚴(yán)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?yàn)榻切伍y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(zhǎng)時(shí)間抵御嚴(yán)重空化作用的材料很少, 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(jìn)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(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, 又減少了裝置的維修費(fèi)用。
3.3、結(jié)構(gòu)選擇
分析結(jié)果證明, 空化是因?yàn)閴毫Φ耐蛔兯? 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(jí)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(gè)小壓差, 逐級(jí)降壓, 使每一級(jí)都不超過(guò)臨界壓差�；蛟O(shè)計(jì)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(guò)閥瓣和閥座時(shí), 每一點(diǎn)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(dòng)能由于相互摩擦而變?yōu)闊崮? 可減少氣泡的形成。
不同結(jié)構(gòu)形式的閥門(mén)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(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力之差, MPa
Δp———閥門(mén)前后的壓差, MPa
各種閥門(mén)由于構(gòu)造不同, 允許的氣蝕系數(shù)δ也不同, 如計(jì)算的氣蝕系數(shù)大于容許氣蝕系數(shù), 則不會(huì)發(fā)生氣蝕。以蝶閥容許氣蝕系數(shù)為215為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)δ> 2.5時(shí), 不發(fā)生氣蝕。當(dāng)2.5 >δ> 1.5時(shí), 發(fā)生輕微氣蝕。當(dāng)δ< 1.5時(shí), 產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)δ< 0.5 時(shí), 如繼續(xù)使用, 則會(huì)損傷閥門(mén)和下游配管。從計(jì)算中可以看出, 產(chǎn)生氣蝕與閥門(mén)出口壓力H1 有關(guān), 加大H1 會(huì)使情況改變。其改進(jìn)方法很多, 如把閥門(mén)安裝在管道較低點(diǎn), 或在閥門(mén)后管道上裝孔板增加阻力, 也可將閥門(mén)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(yǔ)
調(diào)節(jié)閥的氣蝕現(xiàn)象受到閥門(mén)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(guò)合理的選擇, 精確的計(jì)算, 以及閥門(mén)新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用, 氣蝕現(xiàn)象會(huì)在生產(chǎn)中得到更好的解決。
