调节阀气蚀现象的分析及改进措施

冷风机

1、概述

     调节阀作为自动控制调节系统中的执行部件,在现代工业生产中得到广泛应用,其控制及通讯方式随着计算机及总线新技术的应用而发生了根本性的转变,大大提高了控制的准确度及可靠性。但在高温高压工况使用过程中,管道流体往往因设备结构设计、安装或工艺参数设计不当等原因而产生气蚀,对调节阀内件造成严重的损伤,同时引起整个系统的振动及噪声,严重影响调节阀的使用寿命及控制系统的精确性,给工业生产带来很大的隐患。

2、气蚀机理

     气蚀是一种水力流动现象,气蚀的直接原因是管道流体因阻力的突变产生了闪蒸及空化。在工艺系统中调节阀属节流部件,起变阻力元件的作用,其核心是一个可移动的阀瓣与不动的阀座之间形成的节流窗口,改变阀瓣位置就可改变调节阀的阻力特性,进而改变整个工艺系统的阻力特性。在高压差(△p>2.5MPa)时,调节阀的调节过程就是阻力的突变过程,此过程极易产生气蚀。为便于分析,将调节阀的节流过程模拟为节流孔调节式。

     可以看出进口压力为p1,流速为V1的流体流经节流孔时,流速突然急剧增加,根据流体能量守恒定律,流速增加静压力便骤然下降。当出口压力p2达到或者低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压pv时,部分液体就汽化为气体,形成气液两相共存的现象,此既为闪蒸的形成。如果产生闪蒸之后,p2不是保持在饱和蒸汽压之下,在离开节流孔后随着流道截面的增大流速相应减小,阀后压力急骤上升。升高的压力压缩闪蒸产生的气泡,气泡由圆形变为椭圆形,随后达到临界尺寸的气泡上游表面开始变平,然后突然爆裂。所有的能量集中在破裂点上,产生巨大的冲击力,其强度可达几千牛顿。此冲击力冲撞在阀瓣、阀座和阀体上,使其表面产生塑性变形,形成一个个粗糙的蜂窝渣孔,这便是气蚀形成的过程。气蚀现象不仅仅存在于高压差的调节阀内部,在工业生产的很多领域都存在此现象。

3、防止气蚀的措施

3.1、类型选择

     从分析可以看出,产生气蚀是因为发生了空化,而发生空化的原因是节流引起了压力的突变,因此应避免空化的产生。而产生空化的临界压差即阻塞流形成的压差△pT为

                        △pT=FL2(p1-pvc)

                      式中FL———压力恢复系数

     在工艺条件允许的情况下尽量选用△p<△pT的阀门,即选用压力恢复系数小的阀门,如球阀或蝶阀等。如果工艺条件必须使△p>△pT,可以将两个调节阀串联起来使用,这样每个调节阀的压差△p都小于△pT,空化便不会产生。如果阀的压差△p小于2.5MPa,一般不会产生气蚀,即使有气蚀的产生也不会对阀门造成严重的损坏。

     另外,选用角形调节阀也可减弱闪蒸破坏力。因为角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心,而不是直接冲击体壁,所以减少了冲击阀体体壁的饱和气泡数量和次数,相应的减少了气蚀的发生。

3.2、材料选择

     从气蚀的结果分析,材料硬度不能抵抗气泡破裂而释放的冲击力是造成损伤的主要原因之一,但能够长时间抵御严重空化作用的材料很少,价格昂贵,国内外常用的材料为司太莱合金(含钴、铬、钨的合金,45HRC)、硬化工具钢(60HRC)和钨碳钢(70HRC)等。但硬度高的材料加工成型不方便,极易脆裂,加工成本大,一般常用的方法是在不锈钢基体上进行堆焊或喷焊司太莱合金(图2),在流体气蚀冲刷处形成硬化表面。当硬化表面出现损伤后,可以进行二次堆焊或喷焊,这样既能增加设备的使用寿命,又减少了装置的维修费用。

3.3、结构选择

      分析结果证明,空化是因为压力的突变所引起,而系统要求的压降又不能降低,所以采用将一次大的压力突变分解为若干次的多级阀瓣结构(图3),这种结构的阀瓣可以把总压差分成几个小压差,逐级降压,使每一级都不超过临界压差。或设计成特殊结构的阀瓣和阀座,如迷宫式阀瓣及叠片式阀瓣等,都可以使高速流体在通过阀瓣和阀座时,每一点的压力都高于在该温度下的饱和蒸汽压,或使液体本身相互冲撞,在通道间导致高度紊流,使液体的动能由于相互摩擦而变为热能,可减少气泡的形成。

不同结构形式的阀门有其不同的气蚀系数δ

                       式中H1———阀后(出口)压力,MPa

                       H2———大气压与其温度相对应的饱和蒸汽压力之差,MPa

                       Δp———阀门前后的压差,MPa

      各种阀门由于构造不同,允许的气蚀系数δ也不同,如计算的气蚀系数大于容许气蚀系数,则不会发生气蚀。以蝶阀容许气蚀系数为215为例进行说明。当δ>2.5时,不发生气蚀。当2.5>δ>1.5时,发生轻微气蚀。当δ<1.5时,产生振动。当δ<0.5时,如继续使用,则会损伤阀门和下游配管。从计算中可以看出,产生气蚀与阀门出口压力H1有关,加大H1会使情况改变。其改进方法很多,如把阀门安装在管道较低点,或在阀门后管道上装孔板增加阻力,也可将阀门出口直接接蓄水池,使气泡炸裂的空间增大,气蚀减小。

4、结语

      调节阀的气蚀现象受到阀门用材料、流体、力学、结构和介质等多种因素的影响,通过合理的选择,精确的计算,以及阀门新技术和新结构的应用,气蚀现象会在生产中得到更好的解决。