控制閥產(chǎn)生氣蝕原因及解決方案

                   控制閥產(chǎn)生氣蝕原因及解決方案
                    上海申弘閥門有限公司

1之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項(xiàng)，現(xiàn)在介紹控制閥產(chǎn)生氣蝕原因及解決方案引言

控制閥產(chǎn)生氣蝕原因及解決方案控制閥在工業(yè)過程控制中起著重要的作用，但是在液體壓力或流量控制中常會(huì)遇到控制閥閃蒸和氣蝕的問題。氣蝕將在破壞控制閥和管線的材質(zhì)，直接影響控制閥的使用壽命和工藝控制的安全。本文從控制閥閃蒸和氣蝕產(chǎn)生的原因分析入手，提出幾項(xiàng)避免控制閥產(chǎn)生氣蝕的方法。引超控翻閥氣蝕的原因，除了控制閥前后高壓差等系統(tǒng)劇定工況，主要為線性流量特性的控制閥在小開度時(shí)流量變化極大，在高壓差工況下小開度時(shí)抗氣蝕性能差，具體在該控制閥結(jié)構(gòu)上存在以下不足：

  1、閥籠節(jié)流孔節(jié)流效果差
    閥籠節(jié)流孔直徑2 mm，單}L面積3. 14 mmz，而節(jié)流孔遍布閥籠四周，數(shù)量39個(gè)，總流通面積約122 mm2．而振動(dòng)時(shí)．閥座密封面間隙高度不足o．2 mm，閥座密封面處直徑約p31 mm，總流通面積不足6 mm'，控制閥小開度開啟時(shí)，受閥籠和閥桿間隙影響，閥籠底部一圈18個(gè)節(jié)流7L對(duì)節(jié)流的影響較大，通流面積仍高于密封面間隙，閥籠節(jié)流效果很差。
    2)閥芯頭部節(jié)流孔節(jié)流效果差
    節(jié)流孔直徑≠2 mm，單孔面積3.14 mmz而節(jié)流孔遍布閥芯頭部四周，數(shù)量48個(gè)，總流通面積約150 mm2，閥芯頭部靠近密封面一圈12個(gè)節(jié)流孔對(duì)節(jié)流的影響較大．通流面積仍遠(yuǎn)高于密封面間隙，節(jié)流效果很差，見圖7-16。


    圖7-16控制閥關(guān)閉接近全關(guān)時(shí)內(nèi)件結(jié)構(gòu)圖
    3)閥籠與閥座中心存在偏差
    閥籠中心靠閥蓋上的凸臺(tái)定位，而閥座中心靠閥體定位，閥蓋和閥體配合軸線也有誤差，終閥籠和閥座中心偏差很難保證，閥芯與閥籠導(dǎo)向的間隙將無法保持均勻，控制閥功作過程中，流體在四周不均勻的通道中高速流動(dòng)更容易產(chǎn)生氣蝕等現(xiàn)象。
    (4)控制閥的改進(jìn)措施
    因NPS 2控制閥整體更換后，需要對(duì)相關(guān)管線進(jìn)行高壓試驗(yàn)，條件苛刻很難實(shí)現(xiàn)，決定改造控制閥內(nèi)件來消除控制閥的振動(dòng)。
    根據(jù)和控制閥制造廠家研究（該控制閥由美國(guó)DRESSER制造），決定改進(jìn)控制閥的流量特性來消除振動(dòng)，使控制閥在小開度時(shí)．閥門的流量十分微小，控制閥常開即可以滿足壓力維持的功能；另外因?yàn)榭刂崎y在關(guān)閉過程中流量本身的變化很小，控制閥的密封面處壓降和流量變化很小，控制閥能夠平穩(wěn)開肩和關(guān)閉。
    對(duì)控制閥內(nèi)部零件具體改進(jìn)內(nèi)容：
    ①在閥芯上加裝彈性密封環(huán)，當(dāng)控制閥微小開度時(shí)，密封環(huán)起到一定的節(jié)流作用，使控制閥流量降低．使閥座處壓降減小，有利于消除振動(dòng)現(xiàn)象；閥桿徑向受到彈性力的作用，能減小閥桿在徑向上的偏動(dòng)，使流體在更均勻的間隙中流動(dòng)，減緩紊流現(xiàn)象。
    ②對(duì)閥籠節(jié)流孔進(jìn)行更改減少閥籠下部的節(jié)流孔數(shù)量．減小閥籠下部的節(jié)流孔直徑．使控制閥小開度流量降低。
    ③對(duì)閥芯頭部節(jié)流孔進(jìn)行更改，減小閥芯頭部密封面附近的節(jié)流孔數(shù)量、減小閥芯頭部密封面附近節(jié)流7L的直徑，使控制閥小開度流冪降低．改進(jìn)后的流量特性曲線如圖7 17所示。7-17控制閥改造后流量特性
    ④在閥座上增加邊緣凸臺(tái)，凸臺(tái)和閥籠緊密配合，能夠有效減緩控制閥產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)閥籠和閥廑保持同軸，能促進(jìn)闊桿和閥座的同軸度。
    控制閥改造前后內(nèi)部零件對(duì)比和改造前后閥芯外觀對(duì)比見圖7 18。
    (5)控制闊改進(jìn)后的效果
    現(xiàn)場(chǎng)更換閥門2-63332-PC,V25的內(nèi)部組件后，該控制閥小開度常開控制DC壓力，壓力控制平穩(wěn)，選取改進(jìn)后30 min的壓力曲線，改進(jìn)前30 min的壓力曲線，壓力區(qū)間都為1_O MPa—l.1 MPa，對(duì)比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后控制閥處于全開狀態(tài)，避免了經(jīng)常性的啟閉動(dòng)作，可以大限度地避免振動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)；改進(jìn)前控制閥頻繁動(dòng)作，易于導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，振動(dòng)一旦出現(xiàn)，控制閥頻繁的開啟能對(duì)管道進(jìn)行不斷的沖擊性的破壞。控制閥改造前后除氣冷凝器的壓力曲線見圖7 1 9。

控制閥在工業(yè)過程控制中起著重要的作用，但是在液體壓力或流量控制中常會(huì)遇到控制閥閃蒸和氣蝕的問題。氣蝕將在破壞控制閥和管線的材質(zhì)，直接影響控制閥的使用壽命和工藝控制的安全。

2 氣蝕產(chǎn)生的原因

在一個(gè)大氣壓環(huán)境中，水在100℃時(shí)沸騰，水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，整個(gè)水體內(nèi)部不斷涌現(xiàn)大量氣泡，并逸出水面。在常溫下(20℃)，若使壓強(qiáng)降低到水的飽和蒸汽壓強(qiáng)2.4kPa(壓強(qiáng))以下時(shí)，則水也沸騰。通常將這種現(xiàn)象稱為空化，以示和真正的沸騰相區(qū)別，此時(shí)水中的氣泡稱為空泡。常把在管道中由于低壓產(chǎn)生的空化叫做閃蒸。當(dāng)管道中的空泡進(jìn)入壓強(qiáng)較高的區(qū)域時(shí)將突然潰滅，空泡潰滅的時(shí)間僅是毫秒級(jí)，空泡在潰滅時(shí)形成一股微射流，局部壓強(qiáng)可達(dá)到800MPa，這會(huì)使壁面材料疲勞損壞。這種現(xiàn)象我們稱之為氣蝕或空蝕。

現(xiàn)以水為例說明控制閥產(chǎn)生氣蝕的原因。控制閥閥芯處截流，使過流斷面減小，由1-1到2-2過流斷面的總流伯努利方程：其中：z1為過流斷面1-1的形心高度;z2為過流斷面2-2的形心高度;g為重力加速度;p1為過流斷面1-1的形心處的壓強(qiáng)(絕壓);p2為過流斷面2-2的形心處的壓強(qiáng)(絕壓);υ1為過流斷面1-1的形心處的流速;υ2為過流斷面2-2的形心處的流速;Y為液體的重度;hL為總水頭損失。

因1-1和2-2的過流斷面的形心位置于同一水平線上(若不在同一水平線上，因1-1到2-2距離較近可近似認(rèn)為在同一水平線上)，即z1=z2，所以有，那么p2=，隨著過流斷面2-2的減小，將增大，γhL也將隨之增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，p2將低于其所在溫度下的水的飽和蒸氣壓，這時(shí)水將氣化產(chǎn)生空泡(即閃蒸現(xiàn)象)。當(dāng)含有空泡的水從過流斷面2-2流至3-3時(shí)，由于過流斷面突然增大，υ3將減少，那么p3將大于水的飽和蒸氣壓，水中包含的空泡將被潰滅，這就是氣蝕。



3阻塞流的產(chǎn)生及影響

上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥控制閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件，對(duì)于不可壓縮流體，由能量守恒原理可知，控制閥上的水頭損失，式中，hL為控制閥上水頭損失;ε為控制閥局部水頭損失因數(shù)(隨閥門開度面變化);g為重力加速度;υ為流體的平均速度，υ=Q/S;ρ為流體密度;p1為控制閥上游取壓口的壓力(壓力);p2為控制閥下游取壓口的壓力(壓力);Δp為控制閥上、下游取壓口的壓力差，Δp=p1-p2;Q為流體體積流量;S為控制閥流通面積。

所以上面水頭損失的等式可變?yōu)?/p>

當(dāng)控制閥開度不變的情況下，如果保持控制閥前壓力不變，當(dāng)逐漸減少控制閥后壓力時(shí)，流過控制閥的流量將隨等比增大。但是當(dāng)控制閥后壓力減小到一定數(shù)值時(shí)，閥前閥后差大于時(shí)，流過控制閥的流量不再隨等比而增大，這時(shí)的流態(tài)被稱為阻塞流。

阻塞流不一定會(huì)發(fā)生閃蒸(空化)或氣蝕現(xiàn)象，但閃蒸或氣蝕一定發(fā)生在阻塞流情況下，所以阻塞流是產(chǎn)生閃蒸或氣蝕的必要條件，如果避免了阻塞流的產(chǎn)生就從根本上避免氣蝕產(chǎn)生。GB/T17213.2標(biāo)準(zhǔn)中判斷是否為阻塞流的依據(jù)是Δp與之間的關(guān)系，當(dāng)FFpv)時(shí)為非阻塞流，當(dāng)時(shí)為阻塞流。

其中，Δp為控制閥上、下游取壓口的壓力差p1-p2;p1為控制閥上游取壓口的壓力(壓力);p2為控制閥下游取壓口的壓力(壓力);FL為無附接管件控制閥的液體壓力恢復(fù)系數(shù);FF為液體臨界壓力比系數(shù);pv為入口溫度下液體的飽和蒸氣壓力(壓力);pc為熱力學(xué)臨界壓力(壓力)。

4避免氣蝕產(chǎn)生的方法

要從根本上避免氣蝕需避免阻塞流，根據(jù)阻塞流判斷公式可知，要為了使成立，應(yīng)當(dāng)減小Δp和FFpv，增大FL和p1;所以可以用以下幾種方法避免氣蝕的產(chǎn)生。

1)降低介質(zhì)的飽和蒸汽壓

根據(jù)GB/T17213.2說明，F(xiàn)F可由公式FF=0.96-0.28近似求得，且可知0.65

2)串聯(lián)控制閥

通過2個(gè)串聯(lián)的控制閥共同實(shí)現(xiàn)流量和壓力控制是避免氣蝕產(chǎn)生的有效方法。串聯(lián)的本質(zhì)意義在于它減小了Δp。設(shè)2個(gè)串聯(lián)控制閥中第1個(gè)閥閥后壓力為pm，則對(duì)控制閥1來說Δp1=p1-pm，對(duì)控制閥2來說Δp2=pm-p2，Δp1=Δp2-Δp2。所以通過合理的選擇pm可以用兩個(gè)串聯(lián)的控制閥來替換一個(gè)會(huì)產(chǎn)生氣蝕的控制閥。

3)選擇控制閥的閥內(nèi)件類型和流向

FL是無附接管件的液體壓力恢復(fù)系數(shù)。該系數(shù)表示阻塞流條件下閥體內(nèi)幾何形狀對(duì)閥容量的影響。它定義為阻塞流條件下的實(shí)際大流量與理論上非阻塞流條件下的流量之比。系數(shù)FL可以由符合GB/T17213.9的試驗(yàn)來確定。在GB/T17213.2中列出了幾種常用類型的控制閥的FL值。從表中我們可知不同類型的控制閥的FL值不同，即使相同類型的控制閥，其閥內(nèi)件類型不同或流向不同，其FL值也不相同。我們通過選擇不同類型的控制閥，并選擇合適的閥內(nèi)件類型和流向，來使FL較大，這樣也可以避免阻塞流的產(chǎn)生。如蝶閥的FL均小于0.7，球形柱塞型閥芯流開式控制閥的FL為0.9。

4)提高控制閥閥前閥后壓力

這里所說的提高控制閥閥前閥后壓力，指的不是改變Δp的值，因?yàn)橛袝r(shí)工藝狀況要求的Δp必須是某一數(shù)值，在這種情況下，提高控制閥閥前閥后壓力實(shí)際上就是改變控制閥的安裝位置。例如在長(zhǎng)距離輸水路線上，如果在某一條線路上，必須完成Δp的壓降，如果控制閥安裝在終點(diǎn)附近，若終點(diǎn)要求壓力接近大氣壓力，那么p1=Δp+p0(p0為大氣壓力)。但是如果我們將控制閥的位置向上游移動(dòng)單位長(zhǎng)度，由達(dá)西公式推導(dǎo)出，液體在單位長(zhǎng)度上的壓力損失為其中：pL為壓力損失量;λ為沿程摩阻因數(shù);l為管線長(zhǎng)度;d為管線直徑;υ為管線內(nèi)流體流速。所以，將控制閥位置上移后的閥前壓力可用p1=Δp+p0+pL表示，這樣就在Δp保持不變的情況下增大了閥前閥后的壓力，也可以避免阻塞流的產(chǎn)生，來防止氣蝕出現(xiàn)。



5)選擇多級(jí)控制閥

GB/T17213.17標(biāo)準(zhǔn)中提供了多級(jí)控制閥的計(jì)算方法。多級(jí)控制閥就像將多個(gè)串聯(lián)的控制閥做成一個(gè)控制閥一樣。同時(shí)，從GB/T17213.17標(biāo)準(zhǔn)可以看出，多級(jí)控制閥的液體壓力恢復(fù)系數(shù)FL≥0.97，所以在相同的壓力、壓差情況下也避免了氣蝕的產(chǎn)生。需要說明的是，使用多級(jí)控制閥時(shí)，阻塞流的判斷公式與普通控制閥不同，在GB/T17213.17標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

阻塞流是氣蝕產(chǎn)生的必要條件，本文列舉了多種方法來避免阻塞流的產(chǎn)生，從而避免產(chǎn)生氣蝕。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)工藝狀況和經(jīng)濟(jì)投入情況選擇一種或多種方法并用的方式來避氣蝕產(chǎn)生。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：斯派莎克蒸汽減壓閥在化纖管路應(yīng)用