在氣蝕和閃蒸場合下調(diào)節(jié)閥選用的研究

1、在氣蝕和閃蒸場合下調(diào)節(jié)閥選用的研究在一個(gè)完全不含有氣體或蒸汽的液流中，經(jīng)常會遇到兩種現(xiàn)象，即氣蝕和閃蒸(有些資料把氣蝕稱 為空化)。這種現(xiàn)象對于任何調(diào)節(jié)閥的綜合性討論都有重要的意義。因?yàn)?，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生將影響 到閥門大小的計(jì)算方法，可能引起噪音和振動，以及可能縮短調(diào)節(jié)閥零件和鄰近的下游管線的使用 壽命。雖然，氣蝕和閃蒸的定義之間有相似之處，但也有重要的差別。1氣蝕和閃蒸的定義及產(chǎn)生條件氣蝕是一種兩階段的現(xiàn)象，第一階段是在液體中形成空腔(氣泡)；第二階段是這些空腔擠壓破裂 而恢復(fù)成為全部的液體狀態(tài)。有些關(guān)于氣蝕的定義僅僅限于空腔的形成，但是從調(diào)節(jié)閥的觀點(diǎn)來 看，這似乎是不實(shí)際的定義。因?yàn)?，氣蝕的

2、最大影響和大多數(shù)的氣蝕現(xiàn)象都是與空腔的破裂有直接 的關(guān)系，而不是空腔的形成。而閃蒸則是在氣蝕的第一階段形成的氣泡(空腔)一直持續(xù)到通常發(fā)生破裂的下游，這個(gè)過程稱為 閃蒸。下面通過討論孔板的工作情況來說明這一問題(可以把孔板模擬為一個(gè)有一定開度的調(diào)節(jié) 閥)。如圖1所示，當(dāng)壓力為 P1的液體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降，當(dāng) 孔后壓力P2達(dá)到或者低于該液體所在情況下的飽和蒸汽壓時(shí)，部分液體產(chǎn)生氣化，形成氣液兩相共 存的現(xiàn)象，在液體中產(chǎn)生空腔，這就是氣蝕的第一個(gè)階段。從離開縮流孔的下游開始，液體磨擦引 起流體減速，其結(jié)果使流體截面和壓力都增加，這種速度與壓力頭之間的能量反向轉(zhuǎn)換稱之

3、為壓力恢復(fù)”。由于在縮流處減少到蒸氣壓所形成的氣泡在壓力增加的下游不可能存在，就會擠壓破裂而恢 復(fù)形成液體狀態(tài)。至此，氣蝕過程完成。如果下游配管系統(tǒng)的壓力正好相當(dāng)于或小于入口的蒸汽 壓，繼續(xù)流入下游流體的蒸汽百分比會不斷增加，流體速度持續(xù)增長其結(jié)果將產(chǎn)生閃蒸而不是氣蝕1。圖1沿液流方向通過節(jié)濟(jì)孔箔點(diǎn)的壓力和速度圖戰(zhàn)那么在調(diào)節(jié)閥中發(fā)生氣蝕和閃蒸的條件是什么？1.1對于氣蝕(1)入口和出口的流體必須全都是液體，即在調(diào)節(jié)閥的配管上游和下游附近沒有蒸氣存在。(2)在入口，液體必須是一種過冷狀態(tài)，顯然在入口，如果這種流體全都是液體，而且又是飽和狀 態(tài)，發(fā)生在閥上的任何壓力降都將引起在下游位置產(chǎn)生蒸汽。(

4、3)閥門出口壓力必須是液體蒸汽壓。可以設(shè)想，如果下游位置出現(xiàn)飽和，而且全都是液體狀態(tài)， 將可能存在氣蝕。1.2對于閃蒸(1)入口流體必須全都是液體，而在閥門出口必定存在若干蒸汽。顯然，如果在入口就有蒸汽，產(chǎn) 生于閥門上的任何差壓必將導(dǎo)致形成附加蒸汽。首先，要規(guī)定在閥門入口處沒有蒸汽，因?yàn)?，?dāng)入 口流體含有蒸汽時(shí)，計(jì)算閥門大小的方法就非常復(fù)雜。(2)入口流體可以是飽和的或過冷狀態(tài)。(3)閥門出口壓力必須等于或低于液體的蒸汽壓。2氣蝕和閃蒸的損害氣蝕損害點(diǎn)是發(fā)生在非常接近氣泡破裂的地方。曾有研究者發(fā)現(xiàn)，在氣泡破裂時(shí)壓力高達(dá)689MPa。一種理論認(rèn)為，從每個(gè)氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波會向四周發(fā)射，當(dāng)這些沖

5、擊波發(fā)生于鄰近的 固體邊界層時(shí)，就產(chǎn)生一種高度擠壓和連續(xù)不斷的小撞擊，任何一個(gè)確定的表面增量都會受到重復(fù) 沖擊趨向于疲勞，直至達(dá)到疲勞極限，使細(xì)小金屬層脫落。氣泡在離開固體表面有足夠距離的地方 破裂，可以認(rèn)為不會產(chǎn)生物理損壞，因?yàn)?，它們的能量被流動的流體吸收了。所以，在實(shí)際使用 中，經(jīng)常出現(xiàn)閥內(nèi)件遭嚴(yán)重?fù)p害的現(xiàn)象，也就不足為奇了。氣蝕損害具有煤渣似的粗糙外形的獨(dú)特 特點(diǎn)，這種損壞與大多數(shù)其他類型的流動損壞有明顯的區(qū)別2。閃蒸的影響主要是物理損壞，與氣蝕的煤渣似粗糙外形相比，它有一個(gè)非常光滑的外形，這種外形 常常比得上細(xì)的噴砂表面，這種損壞過程也非常類似噴砂過程。就蒸液體而言，蒸汽體積常常是大

6、于液體體積，以至于使液滴趨向于達(dá)到蒸汽的速度。液滴沖擊表面如同固體顆粒沖擊表面一樣，雖 然材料的損壞脫落程度不一樣，但還是足以使材料損壞脫落。就調(diào)節(jié)閥而言，不論是氣蝕還是閃蒸都會造成以下幾方面的損害。2.1 材質(zhì)的損壞前面敘及由于氣泡破裂會產(chǎn)生極大的沖擊力，足以嚴(yán)重地沖擊損傷閥座、閥芯、閥體，尤其在高壓 差的情況下，就連極硬的閥芯、閥座也只能使用很短的時(shí)間。2.2 振動氣蝕和閃蒸還帶來閥芯的振動，這種振動包括垂直振動和水平振動，它們分別來自流體對閥芯的垂 直撞擊與水平撞擊，其結(jié)果造成機(jī)械磨損和破壞，調(diào)節(jié)閥控制不可靠，閥桿折斷。2.3 噪聲噪聲一般來自三個(gè)方面：閥芯振動造成的噪聲；氣蝕造成的噪聲

7、；高速氣體造成的氣體動力噪聲。3氣蝕和閃蒸對液體 CV值的計(jì)算在一般流動狀態(tài)下，液體的計(jì)算公式是比較簡單的，但如果出現(xiàn)氣蝕和閃蒸的情況，計(jì)算就變得復(fù)雜起來。過去在設(shè)計(jì)時(shí)考慮這種影響后采用的方法：按不產(chǎn)生閃蒸情況tf算之后，再按 CV值表選用大一檔的閥體部件； 根據(jù)液體閃蒸的百分比，分別計(jì)算氣體和液體兩相的CV值后再相加；選用與工藝管道直徑相同的閥體部件；用臨近壓差或閃蒸密度法。過去采用的各種方法，都考慮到閃蒸后由于液體氣化而產(chǎn)生的體積膨脹現(xiàn)象，但這只是從理論上考慮，卻忽視了閥體部件結(jié)構(gòu)中由于壓力恢復(fù)所引起的阻塞問題，這樣計(jì)算出來的CV值偏差較大,影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。新的理論認(rèn)為：流經(jīng)閥體部件的

8、流量和壓差之間的關(guān)系如圖2所示。圉2流量與壓差的關(guān)系當(dāng)壓差較小，沒有出現(xiàn)液體氣化時(shí)，流量和壓差的平方根關(guān)系成正比。當(dāng)縮流處的壓力降低到液體 飽和蒸汽壓時(shí)，產(chǎn)生蒸汽氣泡，流量和壓差的平方根關(guān)系被破壞。壓差越大，氣化越嚴(yán)重，最終導(dǎo) 致了阻塞流。從圖 2中看出，其關(guān)系曲線分成兩部分：在開始階段qv正比于(AP) 1/2,是正常流動，超過臨界 屈 值后，就會出現(xiàn)阻塞流，這就是說，當(dāng) PVc=PV時(shí)，閥內(nèi)開始出現(xiàn)阻塞；當(dāng) PVc 比PC低到一定程度時(shí)才形成阻塞流，其關(guān)系為：FL= PT/(P1-FFPV) 1/2(1)式中FL為壓力恢復(fù)系數(shù)；APr為產(chǎn)生阻塞流時(shí)閥上的壓差，kPa； PV為液體的飽和蒸汽

9、壓力，kPa； FF為臨界壓力比。產(chǎn)生阻塞流時(shí)，介質(zhì)不同，其偏離 PV的程度也不同。根據(jù)試驗(yàn)，F(xiàn)F值與飽和蒸汽壓力 PV和臨界壓力PC的比值有關(guān)，其關(guān)系曲線如圖 3所示。FF值可以根據(jù)各種介質(zhì)的臨界壓力(表1)查取，也可由下式計(jì)算：FF=0.96-0.28 (PV/PC) 1/2(2)表1臨界壓力PC值名稱分子式PC X 102/kPaTC/KAR49.7150.8氯Cl277.9417氟F253.1144.3氯化氫HC183.9324.6氫H213.933.2水H2O221647.3氨NH2114405.61二氧化碳CO274.7304.2由1式和2式可知：A PT=F2L (P1-FFPV

10、) =F2LP1- (0.96-0.28 (PV/PC) 1/2) PV利用上式可以判定閥內(nèi)是否產(chǎn)生阻塞流，是否出現(xiàn)閃蒸或氣蝕現(xiàn)象。如果 APA PT時(shí)，則產(chǎn)生阻塞流；如果當(dāng) P22PV時(shí)，則出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。閥體部件一旦出現(xiàn)閃蒸或氣蝕，必然處在阻塞流工作狀態(tài)。因此，要用臨界壓差 AP1計(jì)算CV值，計(jì)算公式為：CV=10qv p /F2L(P1-FTPV) 1/2(3)式中qv為液體狀態(tài)下的體積流量；p為液體狀態(tài)下的密度。例 1:已知 水流量 qv=100m3 , p =0.97g/cm3, t1=80 C , P1=11.7X102kPa, P2=5xi02kPa , PV=0.47 x102k

11、Pa, PC=221x102kPa試選擇閥體部件并計(jì)算 CV值。(1)第一方案：FT=0.96-0.28 (PV/PC) 1/2=0.95,所以， PT=F2L (P1-FTPV) =3.66 M02kPa.因?yàn)椋?PA PTP1PV,故有氣蝕現(xiàn)象，流量系數(shù)計(jì)算為：CV=10qv p /F2L(p1-FTPV1/2=51.5(2)第二方案：使用流開狀態(tài)的直通雙座閥，查表得FL=0.90;A PT=F2L (P1-FTPV) =9.11 102kPa。因?yàn)?，APΔPT,故不會產(chǎn)生氣蝕，也不會出現(xiàn)阻塞流。流量系數(shù)計(jì)算為:CV=10qv ( p / Q P 1/2=38由此可見，調(diào)節(jié)閥的

12、選用與介質(zhì)流動狀況有密切聯(lián)系，調(diào)節(jié)閥選用合適，可以避免氣蝕和閃蒸，避 免不必要的浪費(fèi)。4如何克服氣蝕和閃蒸造成的損害 PTW示為:(4)4.1 從壓力上考慮避免氣蝕的根本方法是不讓閥體部件的使用壓差大于最大允許壓差。最大允許壓差用 PT=KC (P1-PV)式中P1為閥前壓力(kPa) ; KC為氣蝕系數(shù)，KC值因介質(zhì)種類、閥芯形狀、閥體結(jié)構(gòu)和流向而不 同，口徑越大，KC越小，一般情況下， KC=0.250.65。為了不使閥體部件在氣蝕條件下工作，必須使 PAPT可以串聯(lián)兩個(gè)以上的閥體部件，使壓差分配在兩個(gè)閥體部件上，使每個(gè)閥體部件的壓差 P都小于 PT這樣就可以避免氣蝕。必須指出，當(dāng) AP2

13、.5MPa時(shí)，即使產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，對材質(zhì)的破壞也不嚴(yán)重，因此，不需要采用什么 特殊措施。如果壓差較高，就要設(shè)法避免和解決氣蝕問題，如對角形閥采用側(cè)進(jìn)流體，閥芯壽命就 比底進(jìn)流體時(shí)長，因?yàn)楸苊饬嗣芊饷娴闹苯悠茐摹Ａ硗?，在閥前閥后安裝限流孔也可以吸收一些壓 降。4.2 從材質(zhì)上考慮一般情況下，材料越硬，抗蝕能力越強(qiáng)，但至今仍沒有找到長時(shí)間抵抗嚴(yán)重氣蝕作用而不受損害的 材料。因此，在有氣蝕作用的情況下，應(yīng)該考慮到閥芯、閥座易于更換。目前，制造閥芯、閥座的 材料從抗氣蝕的角度出發(fā)，國內(nèi)外使用最廣泛的是司鈦萊合金、硬化工具鋼和鉆鴇合金鋼，特殊的 表面要進(jìn)行硬化處理。當(dāng)用司鈦萊合金時(shí)，可在這些不銹鋼基體上進(jìn)

14、行堆焊和噴焊，以形成硬化表 面。按不同的使用條件，硬化表面可局限于閥座、閥芯和閥座的封線處，也可以在整個(gè)表面或閥芯 導(dǎo)向處(圖4)。4.3 從結(jié)構(gòu)上考慮可設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的閥芯、閥座，以避免氣蝕的破壞作用。其基本原理是使高速流體通過閥芯、閥座 時(shí)，每一點(diǎn)都高于在該溫度下的飽和蒸汽壓，或者使液體本身相互碰撞，在流路間導(dǎo)致高速紊流， 使閥體部件中液體的動能由于磨擦而變?yōu)闊崮?，因此，減少氣泡的形成率。(1)采用逐級降壓原理，把閥體部件總的壓差分成幾個(gè)小壓差，逐級降壓，每一級都不超過臨界壓 差，如圖5所示。C c)圖4閥芯，閥座硬表面堆焊示意圖圉5會皴閘芯的閥體部件(2)利用液流的多孔節(jié)流原理，減少氣蝕的發(fā)生。這類閥體部件的特點(diǎn)是在閥體部件的套筒壁上或 閥芯上開有許多特殊形狀的孔(圖6)。當(dāng)液體從各個(gè)小孔噴