探討調(diào)節(jié)閥氣蝕和閃蒸的控制

1、 探討調(diào)節(jié)閥氣蝕和閃蒸的控制 2.中國核電工程有限公司 北京市 100840摘要：淺析閃蒸及氣蝕的成因的，探討其產(chǎn)生的影響，詳細(xì)地分析了調(diào)節(jié)閥在閥門結(jié)構(gòu)和材料選擇方面有效防止閃蒸和汽蝕影響的方法，從而減少危害的發(fā)生，為工業(yè)安全生產(chǎn)提供了新的思路。關(guān)鍵詞：氣蝕；閃蒸；飽和壓力；氣蝕系數(shù)；壓力恢復(fù)系數(shù)1. 概論調(diào)節(jié)閥是常用的執(zhí)行器也是自控系統(tǒng)中的終端控制部件，但在使用過程當(dāng)中，輕易地會(huì)出現(xiàn)氣蝕及閃蒸現(xiàn)象。在氣蝕的流動(dòng)中，漸漸地會(huì)出現(xiàn)一些蒸汽氣泡，與此同時(shí)，其產(chǎn)生的爆炸會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的破壞，造成調(diào)節(jié)閥使用壽命的逐漸縮短，而且發(fā)生的閃蒸現(xiàn)象，不可回避地沖刷閥芯組件，發(fā)生很嚴(yán)重的損毀。這種現(xiàn)

2、象不但會(huì)對(duì)閥芯組件的密封面和閥座的密封面造成損壞，更會(huì)較為嚴(yán)重地拉低閥門的關(guān)閉性能及使用性能。以上這些現(xiàn)象的發(fā)生，一方面會(huì)造成口徑選擇及計(jì)算的偏差, 另一方面還會(huì)造成更為嚴(yán)重的后果，例如：強(qiáng)化噪聲、加大振動(dòng)、破壞材質(zhì)等【1】?？偠灾谝欢ǔ潭壬舷{(diào)節(jié)閥的氣蝕和閃蒸，是其在使用過程中的重中之重。2. 氣蝕和閃蒸的成因及影響2.1 氣蝕和閃蒸的成因毋庸置疑，閃蒸及氣蝕二者的出現(xiàn)，都與調(diào)節(jié)閥的組塞流密不可分。組塞流是一個(gè)物理現(xiàn)象名詞：它指的是在不可壓縮流體流經(jīng)控制閥的瞬間能達(dá)到的最大流速。在控制閥中，不論哪種液體流過，如果把入口壓力作為一個(gè)固定量p1，則當(dāng)出口壓力p2越變?cè)叫〉倪^程中，就會(huì)出現(xiàn)

3、調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的液體通過量（流量）在不斷增加的現(xiàn)象。巧合的是，在出口壓力p2不斷減少的過程中，直到其壓力達(dá)到一個(gè)臨界值 時(shí)，調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流量就不再改變，趨于穩(wěn)定，阻塞流指的就是這個(gè)極限流量【2】。閥門最大允許壓力降 ，如果壓差（ ） ，那么就容易產(chǎn)生氣蝕和閃蒸現(xiàn)象。根據(jù)以上描述可以得出：氣蝕和閃蒸的發(fā)生受制于兩個(gè)壓差，這兩個(gè)壓差值分別是：調(diào)節(jié)閥入口處狀態(tài)下流體的蒸汽壓pv和縮流斷面處壓力pvc。 設(shè)定ff是臨界壓力比，它由由流體性質(zhì)決定，且恒小于ffff1。如果pvc明顯低于pv，即pvc 小于 ffpv時(shí)將會(huì)發(fā)生大量的汽化，而因氣化產(chǎn)生的氣泡會(huì)對(duì)流量的測(cè)量造成影響。當(dāng)出現(xiàn)縮流斷面處的壓力不斷下降

4、，并且下降到液體的蒸汽壓力以下，流束中就會(huì)產(chǎn)生氣泡。當(dāng)縮流斷面處的壓力在蒸汽壓力下不斷降低，大量的氣泡就會(huì)形成。在這個(gè)壓力降低，氣泡不斷生成的過程中，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)可能會(huì)因此而被損害。假設(shè)閥門出口的壓力還在持續(xù)降低，直到小于流體的蒸汽壓力，閥門的下游處將聚集大量的氣泡，這就會(huì)導(dǎo)致閃蒸現(xiàn)象的發(fā)生。倘若下游的壓力升高，進(jìn)而讓調(diào)節(jié)閥的出口壓力比液體的蒸汽壓力高，此事凝聚起來的氣泡將會(huì)發(fā)生破裂或向內(nèi)爆炸，從而產(chǎn)生“氣蝕”。下面具體說明。1）當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，我們可以把調(diào)節(jié)閥當(dāng)做一個(gè)節(jié)流件來處理，當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入時(shí)其壓力為p1，流速為v1,。當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)到閥芯部分時(shí)，受到閥芯，閥座節(jié)流的影響，會(huì)產(chǎn)生緊縮現(xiàn)象,而

5、流速和靜壓力都會(huì)因此產(chǎn)生巨大影響：一個(gè)增加到v2，另一個(gè)減少到p2。當(dāng)這個(gè)液體在工況下的飽和蒸氣壓pv大于或等于這個(gè)減小的p2時(shí)，管內(nèi)一部分液體將氣化成為氣態(tài)，因此管內(nèi)將存在氣，液兩種狀態(tài)，從而有氣泡在液體中生成，我們把這種現(xiàn)象稱為閃蒸。（2）當(dāng)介質(zhì)流過閥芯和閥座形成的頸縮部位時(shí)，通道截面積的改變，使得壓力回升，功能關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)化，同時(shí)受摩擦力影響，流體減速至v3，壓力得以上升至p3，因頸縮處壓力減小到流體飽和蒸氣壓的氣泡，因受壓破裂轉(zhuǎn)裝為液體。氣泡的破裂點(diǎn)上聚集了大量擠壓時(shí)的能量，剎那間產(chǎn)生巨大的力（沖力），使得閥芯、閥座和閥體上產(chǎn)生塑料變形，稱之為空化3。2.1 氣蝕和閃蒸的危害當(dāng)氣蝕和閃蒸

6、現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，毋庸置疑，這就代表了高速氣泡出現(xiàn)在了流體中，并且在短短時(shí)間內(nèi)，促使氣泡完成產(chǎn)生與破裂。在產(chǎn)生過程中，帶來的沖擊力是極為巨大的，甚至?xí)?yán)重?fù)p壞閥門及相關(guān)的管道，造成較大程度的危害。發(fā)生氣蝕時(shí)，常常發(fā)生在非常接近氣泡破裂的地方，當(dāng)飽和蒸汽氣泡不斷破裂時(shí)，會(huì)釋放一定程度的能量，而這些能量會(huì)在產(chǎn)生過程中緩慢持續(xù)地撕裂材料，最后會(huì)產(chǎn)生類似于煤渣的粗糙表面。一種理論認(rèn)為4，氣泡破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生向四周擴(kuò)散的沖擊波，當(dāng)附近的固體邊界層受到這些沖擊波的影響時(shí)，就會(huì)有連續(xù)不斷的小撞擊產(chǎn)生，而這些小撞擊同時(shí)也是具有很高壓力的，無論哪個(gè)確定的固體表面都在受到重復(fù)沖擊時(shí)都會(huì)有一個(gè)疲勞值，達(dá)到這個(gè)疲勞值就會(huì)導(dǎo)致表

7、層脫落。因?yàn)闅馀菔窃陔x開固體表面一定距離的地方破裂的，他們自身所攜帶的能量會(huì)被流體吸收，所以可以認(rèn)為不存在物理損壞。在一定程度上，氣蝕造成的損害是較為巨大的，甚至?xí)徛由斓洁徑南鹿艿?，?dāng)該處依然出現(xiàn)壓力恢復(fù)或氣泡破裂的現(xiàn)象時(shí)，蒸汽氣泡的內(nèi)向爆炸或者破裂會(huì)產(chǎn)生無規(guī)則的類似金屬相撞產(chǎn)生的噪聲，影響現(xiàn)場(chǎng)辦公環(huán)境，更易造成更為嚴(yán)重的危害。因閃蒸現(xiàn)象出現(xiàn)的氣泡會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)閥的閥芯造成嚴(yán)重的，并且表面有平滑拋光外形的沖刷破壞，閥芯閥座的接觸線上（或者附近）因?yàn)榱魉贅O高所以被沖刷的最為嚴(yán)重。閥芯的振動(dòng)可能由閃蒸和氣蝕引起，這種振動(dòng)不僅有水平和垂直振動(dòng)，更會(huì)在一定程度上迅速加大管道及閥門的機(jī)械磨損破壞，與此同

8、時(shí)，在振動(dòng)加大時(shí)產(chǎn)生的緊固件松動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥性能變差，甚至閥桿折斷，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全。3、閃蒸和氣蝕現(xiàn)象的控制調(diào)節(jié)閥閃蒸的過程來自管道下游系統(tǒng)和管線的相互作用發(fā)生的，是一個(gè)控制流體和操作溫度的變量，換句話說，閥門本身是沒有辦法決定閃蒸變量的。閃蒸現(xiàn)象的發(fā)生是沒辦法依靠閥門來規(guī)避的，目前閥門行業(yè)最常見的辦法是通過選擇合理的閥門形式和正確的材料來減小和降低損壞。在此，我們主要討論閥門的結(jié)構(gòu)和材料的選擇來控制閃蒸和氣蝕。3.1閥門結(jié)構(gòu)方面： 調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在某種意義上說對(duì)是否會(huì)發(fā)生閃蒸以沒有明顯關(guān)系，但是合理的改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以有效的控制其破壞作用。當(dāng)我們?cè)诹黧w的方向選擇改變相對(duì)少的閥門時(shí)，它會(huì)減

9、慢粒子的沖擊，直到它們到達(dá)一個(gè)最低點(diǎn)【2】。1986年從美國引進(jìn)的masoneilan產(chǎn)品中的72000型角型閥，它的主要特點(diǎn)：就是介質(zhì)在閥內(nèi)流動(dòng)沒有急彎或滯流點(diǎn)，減小流阻及沖蝕。而且在經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后我們將閥體出口部分采用了碳化鎢材料鑲嵌，防止了高速流體（含硬質(zhì)顆粒）沖擊和汽蝕而造成的閥體損壞；3.2 在材料方面：一般條件下，選擇硬度較高的材料會(huì)在一定程度上加大閃蒸和氣蝕破壞的防護(hù)與抵御。我們舉幾種常見調(diào)節(jié)閥的材料，來說明硬度較高的材料往往會(huì)用于一些閥體的制造，具體材料見表1 .表1調(diào)節(jié)閥材料的選擇而且目前大部分惡劣工況下的調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件普遍使用堆焊硬質(zhì)合金或者超音速碳化鎢噴涂工藝，其硬度都可以做到hrc50-60甚至更高，其表現(xiàn)出的抗腐蝕和抗沖刷能力較強(qiáng)。4、結(jié)論總而言之，在調(diào)節(jié)閥裝置中，尤其是高壓差的場(chǎng)合，氣蝕和閃蒸可以說是難以避免的現(xiàn)象。但通過調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和正確合理的選擇閥門材料都行之有效的解決辦法。本文分析了氣蝕和閃蒸產(chǎn)生的原因以及帶來的危害，探討閃蒸和氣蝕的控制方法，為生產(chǎn)提供思路。參考文獻(xiàn)1. 張存巖,關(guān)書玲. 調(diào)節(jié)閥的閃蒸和氣蝕j.一重技術(shù),2006,(