調(diào)節(jié)閥的氣蝕及防護

1、調(diào)節(jié)閥的氣蝕及防護1 概述       隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和計算機自動化控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對自動控制閥門的需求越來越多。自動控制閥門是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和物料輸送中閥門發(fā)展的大趨勢，據(jù)統(tǒng)計，在石油化工裝置中，自動控制閥門已占閥門總數(shù)70%以上。調(diào)節(jié)閥是自動控制閥門之一，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的介質(zhì)流量達到工藝過程的控制作用。調(diào)節(jié)閥在流量調(diào)節(jié)過程中不可避免會產(chǎn)生氣蝕，使閥門過早失效，嚴重的將危害系統(tǒng)安全運行。    2 氣蝕的產(chǎn)生及危害    氣蝕是材料在液體的壓力和溫度達到臨界值時產(chǎn)生

2、破壞的一種形式。當液體通過節(jié)流孔時，流體流道面積的縮小導(dǎo)致流速迅速增加，速度的增加，產(chǎn)生了速度和壓力之間的能量轉(zhuǎn)換，流體壓力下降。壓力在節(jié)流孔下游側(cè)附近達到最低值，這時其速度最大，壓力最小。當該處的壓力Pvc低于液體蒸汽壓Pv且閥門下游壓力P2高于液體蒸汽壓時，就會發(fā)生氣蝕(圖1)。氣蝕產(chǎn)生時    Pvc<Pv<P2    式中    Pvc節(jié)流孔處的壓力，MPa    P2閥門下游壓力，MPa    Pv液體蒸汽壓，MPa

3、0;   氣蝕一般出現(xiàn)在兩個階段。首先，當液體壓力低于液體蒸汽壓時，在液體中形成蒸汽泡，由液體攜帶氣泡的邊緣層向下游移動。其次，如果出口壓力大于液體蒸汽壓力，氣泡就會破裂或爆破，同時產(chǎn)生巨大的壓力沖擊波，并通過液體向外傳播，集中撞擊管道壁和閥內(nèi)零件，沖擊到相近的金屬表面上。氣泡破裂對金屬表面的沖擊類似于微流噴射，它能以104MPa的壓力，振動和碰撞管壁。在液體內(nèi)，當氣泡遠離金屬表面破裂時，產(chǎn)生球形壓力波，此時，碰撞壓力約為103MPa，且微流噴射的影響未達到金屬固體壁。如果氣泡接近金屬表面破裂，微流噴射將直接沖擊金屬表面。由于沖擊波反復(fù)沖擊，導(dǎo)致金屬表面疲勞、撕裂和其他缺陷

4、。氣蝕損壞表現(xiàn)為金屬表面凹凸不平和多孔現(xiàn)象。如果閥門出口壓力低于液體蒸汽壓時，蒸汽氣泡不會破裂，液體以氣液兩相混合狀態(tài)存在，液流速度將繼續(xù)增大，這種狀態(tài)稱為閃蒸(圖2)。閃蒸并不是一個主要問題，其損害與氣蝕不同，通常選用抗沖蝕的閥體和閥瓣材料，限制閥門出口流速，可大大降低和消除，延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命。閃蒸時Pv>P2。    表面上看氣蝕破壞是一種機械性的破壞。但是，在腐蝕性介質(zhì)中，氣蝕會加快腐蝕侵蝕。氣蝕發(fā)生時，微流噴射(或沖擊波)破壞了金屬表面的鈍化膜保護層，基體金屬受到侵蝕，產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。沖蝕又把產(chǎn)生的腐蝕介質(zhì)沖掉，引起新的腐蝕。與氣蝕或氣蝕腐蝕相關(guān)的

5、沖蝕導(dǎo)致金屬進一步磨損和破壞，通過氣蝕和腐蝕的影響，材料被沖蝕磨損(圖3)。    沖蝕強度與流體流速有關(guān)    e=KVn    式中e材料損耗    K常數(shù)    V流速，m/s    n磨損指數(shù)    一般沖蝕下，磨損指數(shù)n2.5，當氣蝕和腐蝕相結(jié)合影響時，磨損指數(shù)可達n=7。    氣蝕不僅對閥門產(chǎn)生機械損害，導(dǎo)致閥門失效，而且產(chǎn)生嚴重的噪聲。當液體

6、流過閥座通孔或節(jié)流孔時，會突然加速、氣化和膨脹，在管路中產(chǎn)生紊流、振動和動力噪聲。氣蝕氣泡的破裂是噪聲的主要來源，通常有氣蝕就有噪聲，噪聲量直接與氣蝕程度有關(guān)。因此，氣蝕對調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)管路的影響相當大。    3 氣蝕的防護    3.1 材料的選擇    氣蝕破壞與金屬的機械性能和抗腐蝕能力有關(guān)，因為抗氣蝕破壞主要是材料抵抗氣泡破裂時形成重疊凹坑的能力，它隨材料吸收能量的能力而改變?？箽馕g破壞較好的材料應(yīng)具備堅實和均勻的細晶粒結(jié)構(gòu)，變形能力大，抗拉強度和硬度高，加工硬化性好，疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強度高

7、。韌性材料抗氣蝕能力要高于脆性材料，因此，通常可選用不銹鋼閥門，提高抗氣蝕能力。    3.2 閥門的形式    調(diào)節(jié)閥的形式將影響其對氣蝕的敏感性，調(diào)節(jié)閥一般有兩種形式，即低復(fù)原閥門(如截止閥等)和高復(fù)原閥門(如球閥和蝶閥等)。這2種形式的閥門在進口壓力和壓降相同的情況下，流體通過收縮截面時，高復(fù)原閥門的閥后出口壓力恢復(fù)遠大于低復(fù)原閥門。對截止閥而言，其通道的幾何形狀和湍流存在，會產(chǎn)生很大的流體阻力，因此，在閥后出口壓力不會恢復(fù)很多。而對球閥而言，其進口流體阻力不大，在閥后出口壓力恢復(fù)很多，閥門的復(fù)原性可用壓力恢復(fù)系數(shù)FL表示(圖4

8、)。        FL越接近1.0，壓力恢復(fù)越少。    3.3 壓力降的分布    壓力降分布的均勻性也對氣蝕產(chǎn)生影響，可以采用幾個串聯(lián)閥門和一系列節(jié)流孔板，把壓力降分布在幾個串聯(lián)閥門之間或分布在一個閥門和節(jié)流孔板之間。閥門和節(jié)流孔板沿介質(zhì)流動方向的合理設(shè)置，可以經(jīng)濟和有效地控制氣蝕。采用多級壓降和增加流體出口面積，可以有效地控制流體速度?？刂屏黧w速度(相當于控制閥內(nèi)的壓力)是避免氣蝕的有效手段，其目的是使閥內(nèi)壓力高于流體最低壓力蒸汽壓，避免蒸汽氣泡破裂，較好的避免了閥內(nèi)的氣蝕。    閥門的壓降可以分成幾段來實現(xiàn)。當調(diào)節(jié)閥上的壓降產(chǎn)生在多級閥瓣上時，總壓降(P1-Pn)被劃分成幾個較小的連續(xù)壓降P2、P3、Pn，在下一個節(jié)流級之前，流體壓力被允許恢復(fù)到中間壓力P2、P3、Pn-1，一直到最后的壓降Pn，使氣蝕消除在一個較大的延伸區(qū)內(nèi)(圖