兩相流對(duì)調(diào)節(jié)閥的影響及對(duì)策

1、 調(diào)節(jié)閥常見的故障現(xiàn)象有噪音、振動(dòng)、密封失效、金屬部件疲勞損壞等，其原因有介質(zhì)腐蝕、沖刷、磨損、閃蒸和氣蝕、水擊等。 除了腐蝕屬于化學(xué)反應(yīng)之外，其余破壞大部分是由于介質(zhì)的物理特性造成的，其中相當(dāng)一部分與兩相流有關(guān)。 由于化工行業(yè)介質(zhì)種類繁雜，運(yùn)行工況常常和理想狀態(tài)差距較大，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有時(shí)不夠完善，所以兩相流一直是調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，往往需要根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)預(yù)估。調(diào)節(jié)閥的常見故障 在生產(chǎn)流程中，介質(zhì)并非總是處于理想狀態(tài)，經(jīng)常會(huì)有氣液兩相（例如飽和凝結(jié)水工況）、液固兩相（例如催化油漿系統(tǒng)）、氣固（粉料輸送系統(tǒng)等）兩相并存的情況。某些場(chǎng)合還可能有氣液固三相并存現(xiàn)象，例如煤化工黑水介質(zhì)、煉油廠焦化進(jìn)料等。

2、 兩相流或三相流會(huì)對(duì)管路系統(tǒng)及其元件造成不同程度的影響。尤其是經(jīng)過調(diào)節(jié)閥這樣開度、壓力、流速經(jīng)常處于變化的元件時(shí)，一旦產(chǎn)生相變，流動(dòng)情況就會(huì)更加復(fù)雜。必須從計(jì)算選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就采取措施，才能夠減少使用過程中的故障率，保障裝置的長(zhǎng)周期安穩(wěn)運(yùn)行。兩相流和三相流 氣-液兩相流的影響中，氣蝕（也叫空化）對(duì)調(diào)節(jié)閥本體的破壞最為嚴(yán)重。因?yàn)闅馕g往往是伴隨著高溫和較高的壓差產(chǎn)生的，所以處理起來難度較大，有時(shí)還有一定的危險(xiǎn)性。 水擊也是氣-液兩相流中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。不僅破壞調(diào)節(jié)閥本體，而且沖擊破壞范圍往往包括整個(gè)管道系統(tǒng)的。調(diào)節(jié)閥的靜密封（墊片）和動(dòng)密封（填料）都是水擊破壞的薄弱環(huán)節(jié)。 氣-固或液-固兩相流對(duì)

3、調(diào)節(jié)閥主要的破壞是固體顆粒的沖刷作用。在沒有相變的情況下，關(guān)鍵是做好流道設(shè)計(jì)、流速控制和表面硬化，以保證使用效果。兩相流對(duì)調(diào)節(jié)閥的主要影響氣蝕的產(chǎn)生過程 氣蝕是接近飽和狀態(tài)的液體介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥等節(jié)流元件時(shí)，流速加快，壓力降低到飽和蒸汽壓以下， “沸騰”析出氣泡；在閥后壓力回升、流速降低，導(dǎo)致氣泡破裂、重新被壓縮進(jìn)液體內(nèi)的過程。 對(duì)于一個(gè)壓力下降-恢復(fù)過程來說，氣蝕過程分為兩個(gè)階段： 前半段析出氣泡的過程叫閃蒸，會(huì)導(dǎo)致流速加快，節(jié)流面沖刷損傷加??；同時(shí)伴隨有阻塞流現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥流通能力不足。 后半段氣泡破裂的過程叫氣蝕。由于氣泡破裂時(shí)釋放的內(nèi)壓有數(shù)百兆帕，會(huì)對(duì)臨近的閥體和閥內(nèi)件造成嚴(yán)重破壞，

4、形成蜂窩狀的表面，同時(shí)會(huì)帶來管道的振動(dòng)、噪音等。閃蒸和氣蝕 一般工況液體 流量系數(shù)計(jì)算公式： 當(dāng)閥后絕壓P2接近或小于工況溫度下的飽和蒸汽絕壓Pv時(shí)，需要考慮閃蒸因素，針對(duì)阻塞流工況進(jìn)行修正計(jì)算。 首先根據(jù)介質(zhì)臨界壓力Pc，計(jì)算臨界壓力比系數(shù)： 再根據(jù)壓力恢復(fù)系數(shù)FL計(jì)算發(fā)生阻塞流時(shí)的最大壓降： P cr=FL2 （P1- FF *Pv）。注： FL只與調(diào)節(jié)閥型式有關(guān)。 當(dāng)P1-P2P cr時(shí)，則確定產(chǎn)生閃蒸及阻塞流。用P cr代替上述公式中的P1-P2計(jì)算，得到修正后的實(shí)際流量系數(shù)。 如果只是氣液兩相流體，但沒有產(chǎn)生相變，則不屬于閃蒸工況，按照ISA推薦的有效密度法進(jìn)行計(jì)算（略）。閃蒸的預(yù)估

5、和阻塞流修正 主流制造廠都有成熟的調(diào)節(jié)閥計(jì)算、選型軟件。但只有工藝參數(shù)輸入完整、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，才能減小計(jì)算誤差。 工藝專業(yè)提供的調(diào)節(jié)閥前后壓力數(shù)據(jù)大部分是固定的。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開度變化也會(huì)不同程度影響整個(gè)工藝系統(tǒng)的壓力分布。一般是開度越小，前后壓差越大。 有時(shí)工藝專業(yè)無法提供準(zhǔn)確的飽和蒸汽壓、臨界壓力等判斷閃蒸的重要參數(shù)，則需要選型者靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比估算。 對(duì)于溫度較高的液體，尤其是介質(zhì)成分復(fù)雜，或壓力、溫度波動(dòng)較大的情況，即使手頭缺乏相應(yīng)資料，也要按照可能產(chǎn)生閃蒸的工況來假設(shè)，選型時(shí)應(yīng)就高不就低。疑似閃蒸工況的處理 因?yàn)闅馕g首先要經(jīng)過閃蒸階段，如果能夠從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減輕或消除閃蒸，就能夠

6、大大減輕破壞。一般優(yōu)先考慮采用多級(jí)降壓閥內(nèi)件。 但在閥前后壓力、溫度等參數(shù)確定的情況下，閃蒸工況又往往是不可避免的。 閃蒸會(huì)帶來流速增加，局部沖刷加劇。需要對(duì)密封面附近和下游側(cè)進(jìn)行硬化處理。常用的方法有堆焊、噴焊硬質(zhì)合金，超音速碳化鎢噴涂、整體碳化鎢燒結(jié)，以及滲氮、鍍硬鉻、熱處理等工藝手段。 閃蒸的破壞主要在節(jié)流口附近，沖刷表面一般比較平滑，而氣蝕的破壞范圍和程度往往比閃蒸嚴(yán)重得多！閃蒸破壞的預(yù)防措施氣蝕破壞密封面導(dǎo)致內(nèi)漏氣蝕導(dǎo)致閥體穿孔氣蝕破壞閥內(nèi)件及鄰近部位 因?yàn)闅馕g釋放的能量巨大，任何材質(zhì)都很難長(zhǎng)期抵抗破壞。 首先應(yīng)該從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量消除氣蝕影響，主要是根據(jù)介質(zhì)特性和參數(shù)，選擇合適的口徑

7、和閥內(nèi)件型式，比如24層多級(jí)降壓套筒，在315MPa壓差范圍內(nèi)，可以有效預(yù)防、減輕閃蒸和氣蝕破壞。 10MPa以上壓差工況可以選用迷宮式疊片結(jié)構(gòu)的套筒，效果更佳。 通過選擇硬度較高的材料，延長(zhǎng)使用壽命。氣蝕破壞的消除或預(yù)防措施多級(jí)降壓套筒原理 對(duì)于一般可能產(chǎn)生氣蝕的工況，選用二四級(jí)降壓套筒是比較有效的手段。其主要作用是借助壓力降在套筒內(nèi)部的合理分配，使壓力下降和恢復(fù)呈現(xiàn)逐級(jí)衰減的特點(diǎn)，減輕或消除氣蝕。多級(jí)降壓套筒結(jié)構(gòu)迷宮式疊片套筒 在工作壓差10MPa以上工況，選用迷宮式疊片組合而成的套筒，能夠使介質(zhì)壓降分解到最多20級(jí)節(jié)流件上，使壓力下降恢復(fù)幅度減小3040%，甚至可以完全消除閃蒸。 在無法

8、完全消除閃蒸和氣蝕的工況，要充分考慮壓力降的分布特點(diǎn)，依據(jù)用戶提供的參數(shù)預(yù)估可能產(chǎn)生閃蒸和氣蝕的大致位置，采取相應(yīng)預(yù)防措施減輕破壞。 多級(jí)降壓和迷宮式疊片在套筒內(nèi)的壓差分配為自上游到下游逐級(jí)衰減的模式，符合以下公式： P= P1+P1/2+P(1/2)2P(1/2)n。 需要注意的是，多級(jí)套筒或迷宮式疊片結(jié)構(gòu)只能用于干凈介質(zhì)。如果介質(zhì)有臟污或顆粒、雜質(zhì)的話，很容易堵塞狹窄的流道，造成調(diào)節(jié)閥流通能力不足甚至完全堵死，此時(shí)要改用多段式串聯(lián)閥芯（俗稱糖葫蘆）或其它流道更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。迷宮式疊片套筒特點(diǎn) 多段式多級(jí)降壓閥內(nèi)件適用于含顆粒介質(zhì)，不容易堵塞；但需要防止由于高壓差導(dǎo)致的閥芯擺動(dòng)造成閥芯折斷，從

9、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)方面進(jìn)行優(yōu)化 。多段式多級(jí)降壓結(jié)構(gòu) 對(duì)于無法完全消除閃蒸和氣蝕的場(chǎng)合，為了減輕對(duì)下游閥體和管道的破壞，選用側(cè)進(jìn)底出的角形閥、增加帶導(dǎo)流擴(kuò)散功能的閥座、延長(zhǎng)下游直管段等措施都比較有效。 調(diào)節(jié)閥如果工作在小開度下，不但容易振蕩，而且閥芯閥座密封面壽命也會(huì)大大縮短，更容易產(chǎn)生閃蒸和氣蝕，所以應(yīng)盡量避免小開度工作。 因?yàn)闅馀萜屏阎挥性诮嚯x處才會(huì)產(chǎn)生巨大破壞，所以在閃蒸和氣蝕工況下，調(diào)節(jié)閥口徑要盡可能選大，必要時(shí)還應(yīng)該擴(kuò)大下游管徑。如果流量系數(shù)較小，可采用縮小閥座直徑以取得合理開度。閥型式和口徑的選擇 因?yàn)闅馕g發(fā)生在的下游，都是在壓力下降后的恢復(fù)階段產(chǎn)生的，流向的選擇就是減輕氣蝕破

10、壞效果很關(guān)鍵的因素。 調(diào)節(jié)閥中部流道空間相對(duì)狹窄，而且還有套筒、閥塞、閥桿等元件，容易受到氣蝕正面沖擊而損壞。而閥體下腔相對(duì)空曠（尤其是角形閥），可以使氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊在液體介質(zhì)內(nèi)部相互碰撞而消耗，有效保護(hù)閥體內(nèi)壁。所以流關(guān)流向的套筒閥比流開流向更能減輕氣蝕破壞。 但如果預(yù)估氣蝕點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生在閥芯閥座密封面附近時(shí)，應(yīng)變更閥內(nèi)件型式或流向，以保護(hù)密封面。流向的選擇 對(duì)于調(diào)節(jié)閥本身結(jié)構(gòu)無法完全解決的問題，可從裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行角度出發(fā)，采用方便檢修的其它輔助措施。如在下游加裝限流孔板以改變壓力分布，或加裝消音器以輔助降低噪音，或?qū)馕g點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下游大小頭或彎頭處等等。這些設(shè)備可以定期檢修更換，比更換調(diào)

11、節(jié)閥至少成本和時(shí)間方面要合算很多。 針對(duì)一些特殊介質(zhì)，比如在含氣、液同時(shí)還有顆粒、結(jié)焦等雜質(zhì)，選型時(shí)如果僅僅從降噪音、抗氣蝕角度考慮選用多級(jí)降壓套筒的話，很可能不久就會(huì)堵死。此時(shí)選型需要考慮的就首先是防堵，其次是消除或減輕閃蒸和氣蝕破壞，然后是現(xiàn)場(chǎng)安裝位置的限制，最后再考慮噪音的影響。分清主次矛盾，保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備 多孔套筒對(duì)于單相流體具有降低流速、減少噪音的功能。但在閃蒸和氣蝕發(fā)生的情況下，需要綜合考慮調(diào)節(jié)閥的使用壽命和各項(xiàng)指標(biāo)。 事實(shí)已經(jīng)多次證明，單級(jí)多孔套筒不但無法防止氣蝕破壞，而且會(huì)將本來局限在氣泡附近的爆破能量傳輸?shù)礁h(yuǎn)的位置，成為增強(qiáng)氣蝕破壞力的幫兇。上文照片中閥體穿孔的兩個(gè)，就是原采

12、用單級(jí)套筒受氣蝕破壞的，可以明顯看出閥體內(nèi)壁的穿孔是由于套筒小孔的加速作用造成的。在這種情況下，氣泡破裂的能量在暢通無阻的小孔內(nèi)以類似槍膛給子彈加速的效果打在閥體上，形成均勻分布的“彈坑”，很快就穿孔外漏了。所以在氣蝕場(chǎng)合，盡量避免選擇單級(jí)套筒。慎用單級(jí)多孔套筒 水擊是指管道中液體流速或溫度發(fā)生急劇變化所引起的壓力大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。 由于液體的不可壓縮性質(zhì)，沖擊力能夠傳遞到很遠(yuǎn)位置，造成密封失效、管道系統(tǒng)和設(shè)備的噪音、強(qiáng)烈震動(dòng)及損壞。 最常見的水擊原因是水線中串入蒸汽，在局部封閉空間產(chǎn)生閃蒸，體積急劇膨脹，造成類似錘擊效果，所以也叫水錘。 處于水擊管線上的調(diào)節(jié)閥，除了靜密封部位有可能與其它閥門

13、、管件一樣受沖擊失效之外，如果選型不當(dāng)?shù)脑?，還有可能使閥芯產(chǎn)生劇烈振蕩，造成閥桿折斷、閥芯脫落等嚴(yán)重后果。兩相流的另一種破壞形式：水擊水擊導(dǎo)致管線法蘭密封失效1水擊導(dǎo)致管線法蘭密封失效2 汽包給水管線、再沸器等以蒸汽作為熱媒的換熱器凝結(jié)水管線等場(chǎng)合，熱水處于或接近飽和狀態(tài)，是最容易產(chǎn)生閃蒸和水擊的地方，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、負(fù)荷波動(dòng)、操作水平等有關(guān)。 間歇運(yùn)行的夾套反應(yīng)釜，如果需要交替通入介質(zhì)進(jìn)行加熱/冷卻的情況下，其冷熱介質(zhì)切換的過渡過程中，容易產(chǎn)生閃蒸和水擊。 長(zhǎng)輸管線某些設(shè)備故障時(shí)也容易產(chǎn)生水擊。 水擊大部分是由于工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，或者操作不當(dāng)造成的。因?yàn)閮x表專業(yè)與工藝專業(yè)的緊密關(guān)聯(lián)，所以也應(yīng)對(duì)

14、其發(fā)生的原因和注意事項(xiàng)有所了解。易產(chǎn)生水擊的工況水擊產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施序序號(hào)號(hào)水擊原因水擊原因解決方法解決方法1汽包給水管或熱水引出管結(jié)構(gòu)不合理給水管或熱水引出管距鍋爐最低水位應(yīng)大與50mm以上熱水引出管進(jìn)水口及管徑應(yīng)保證流速小于0.3m/s ，以免產(chǎn)生閃蒸2汽包水位過低，給水管暴露在蒸汽環(huán)境中3蒸汽管道在冷態(tài)投運(yùn)時(shí)暖管不足嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范，充分暖管后投運(yùn)4因設(shè)計(jì)或設(shè)備有缺陷，蒸汽管道局部積水蒸汽管道末端和低點(diǎn)加裝疏水閥，保證及時(shí)足量疏水5汽輪機(jī)或鍋爐負(fù)荷增加速度過快嚴(yán)格按照操作規(guī)范平穩(wěn)操作6鍋爐汽包發(fā)生滿水、汽水共騰等事故，使蒸汽帶水進(jìn)入管道嚴(yán)格操作規(guī)范，加強(qiáng)排污，保證給水含鹽量不超標(biāo)7長(zhǎng)

15、輸管線中間泵站故障停泵，或下游閥門快速關(guān)閉長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)應(yīng)配套有預(yù)防水擊的超前保護(hù)程序及緊急泄壓裝置。調(diào)節(jié)閥和切斷閥操作時(shí)應(yīng)盡量平穩(wěn)，速度不能太快。 為預(yù)防水擊造成上閥蓋墊片泄漏，采用加粗、加密上閥蓋螺栓，增加防松墊片等措施。 為防止水擊導(dǎo)致泄漏，閥與管道可用焊接代替法蘭連接。 即使在工作壓力不高的情況下，閥芯不平衡受力的單座閥也可能因?yàn)樗畵舳鴦×艺袷帉?dǎo)致閥內(nèi)件損壞。所以在可能產(chǎn)生水擊的管線上，應(yīng)該選用壓力平衡型的套筒閥。 調(diào)節(jié)閥閥芯在水擊時(shí)除了振蕩之外，還有可能因?yàn)榻橘|(zhì)產(chǎn)生的漩渦，造成閥芯被旋松脫落。選用具備防旋轉(zhuǎn)功能的開縫螺母，有助于提高安全系數(shù)（見下頁圖）。調(diào)節(jié)閥預(yù)防水擊措施單座閥/套筒閥

16、結(jié)構(gòu)示意圖單座閥不適用于水擊場(chǎng)合套筒閥耐水擊能力較好開縫螺母防旋轉(zhuǎn)功能比較 反應(yīng)釜反應(yīng)過程一般要經(jīng)過進(jìn)料-升溫保溫降溫出料等過程。降溫一般是向夾套內(nèi)通入冷水；加熱方式有蒸汽、熱水、導(dǎo)熱油、電加熱等。其中導(dǎo)熱油只能走盤管，和電加熱都屬于局部加熱，效率較低；只有蒸汽和熱水可以直接進(jìn)入夾套，以100%的換熱面積對(duì)反應(yīng)釜加熱。蒸汽溫度較高，換熱效率優(yōu)于熱水，所以是最常用的熱媒。 為防止夾套內(nèi)產(chǎn)生水擊，通蒸汽之前必須先把水排空。 冷水剛剛通入夾套時(shí)，由于余溫作用，必然會(huì)有部分閃蒸，產(chǎn)生瞬間高壓，倒灌入進(jìn)水管，形成局部水擊。 因?yàn)樗畵敉l(fā)生在冷水閥小開度階段，操作時(shí)應(yīng)盡量避免調(diào)節(jié)閥在此區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留。

17、可通過設(shè)置某些智能定位器內(nèi)置的速關(guān)范圍功能，使小開度階段盡可能快速通過，以減輕水擊和渦流對(duì)調(diào)節(jié)閥的沖擊。夾套反應(yīng)釜的過程控制方案 夾套反應(yīng)釜屬于間歇運(yùn)行工況，一般物料和加熱/冷卻介質(zhì)的壓力溫度都不太高，所以調(diào)節(jié)閥選型的重要性容易被忽視。本人就曾經(jīng)因?yàn)閵A套反應(yīng)釜的調(diào)節(jié)閥選型問題，走過一些彎路，最終總算是圓滿解決了問題。后來經(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象在行業(yè)內(nèi)普遍存在，所以覺得有必要和大家分享一下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。 反應(yīng)釜對(duì)調(diào)節(jié)閥的泄漏等級(jí)要求也比較高，尤其是在保溫階段，溫度壓力的穩(wěn)定性對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)往往有直接影響，而軟密封在有沖擊的場(chǎng)合壽命較短，所以應(yīng)選擇泄漏等級(jí)至少硬密封V級(jí)的快拆式套筒閥，以兼顧調(diào)節(jié)和切斷性能。 硬密封的閥芯閥座泄漏等級(jí)一般為IIIIV級(jí)。如果想達(dá)到切斷效果，并保證現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)后品質(zhì)不降低，必須依靠高質(zhì)量的加工精度實(shí)現(xiàn)線密封，而不能依賴傳統(tǒng)的研磨手段。夾套反應(yīng)釜調(diào)節(jié)閥選型建議1 有些用戶因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥性能無法滿足以上要求，只能增加切斷閥與調(diào)節(jié)閥串聯(lián)使用。不但增加投資和維護(hù)量，現(xiàn)場(chǎng)還未必有安裝位置。 有些用戶選擇V型球閥，