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防止調(diào)節(jié)閥汽蝕損害
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之前介紹高壓減壓閥，現(xiàn)在介紹防止調(diào)節(jié)閥汽蝕損害比較分析三種控制閥汽蝕損害的診斷方法，建議在閥門選型時，充分利用法則、控制出口流速，避免或減小閥門損壞。控制閥在流體工業(yè)中發(fā)揮著重大作用。如今，隨著裝置節(jié)能減排、提益、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、減少控制閥備件、快速的售后服務(wù)響應(yīng)等要求的逐步提高，導(dǎo)致愈來愈重視如何優(yōu)化、選擇及使用控制閥這個問題了，這是由于控制閥在裝置中扮演執(zhí)行器的角色，直接決定著裝置的運(yùn)行狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計由于控制閥的故障導(dǎo)致裝置停車的比例高達(dá)65%，控制閥選型的好壞也決定生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
回顧近5年，上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥 控制閥技術(shù)發(fā)展迅速,一些控制閥廠家紛紛推出了在特殊情況下應(yīng)用的閥門，例如耐高溫、高壓差、汽蝕、閃蒸、部分顆粒介質(zhì)磨蝕、高噪音等工況;同時智能診斷型定位器陸續(xù)問世，通過定位器可以對閥門進(jìn)行良好的實時檢測、提供維護(hù)報警信息、優(yōu)化閥門使用。無可置疑，上述這些技術(shù)的提高，大大保證了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，減少了許多薄弱環(huán)節(jié)。但是我們?nèi)绾尾拍苷_計算選擇并使用閥門呢?由使用經(jīng)驗得知，在苛刻工況中，汽蝕經(jīng)常造成閥門內(nèi)件損壞，并伴有高噪音、內(nèi)件振動、阻塞流等情況發(fā)生，在閥門計算選型時，如何減小、避免汽蝕的發(fā)生，對閥門的正確使用至關(guān)重要。目前，閥門制造商對汽蝕的評估方法不盡相同，本文圍繞KE法、δ法和XFz法，主要針對如何減少、避免汽蝕和閥門正確選型應(yīng)用進(jìn)行分析。調(diào)節(jié)閥采用合理的結(jié)構(gòu)形式，有效分配壓差，采用抗沖刷、抗拉強(qiáng)度和硬度高的材料，并運(yùn)用堆焊、噴涂和粘結(jié)等工藝手段，提高閥瓣和閥座的表面硬度，就能有效降低和預(yù)防汽蝕的破壞作用，改善調(diào)節(jié)閥的使用性能。
1 防止調(diào)節(jié)閥汽蝕損害概述
在電廠，經(jīng)?？梢钥吹秸{(diào)節(jié)閥、減壓閥及其他節(jié)流閥的閥瓣和閥座等內(nèi)部零件產(chǎn)生磨痕、深溝及凹坑，這些大多是由汽蝕引起的。汽蝕嚴(yán)重影響了閥門的使用性能和壽命。另外，汽蝕還將導(dǎo)致嚴(yán)重的振動和噪聲。利用流體力學(xué)的基本原理闡述控制閥在液體壓力或流量控制過程中氣蝕和阻塞流產(chǎn)生的原因。結(jié)合氣蝕和阻塞流兩者之間的關(guān)系,提出了阻塞流是產(chǎn)生閃蒸或氣蝕的必要條件,通過避免阻塞流產(chǎn)生的思路來避免氣蝕的產(chǎn)生,達(dá)到控制閥使用壽命的延長和工藝控制的安全。文中通過對阻塞流判斷公式分析,簡述了幾種常用的避免氣蝕產(chǎn)生的方法和特點(diǎn),從而達(dá)到了避免控制閥氣蝕產(chǎn)生。
2 汽蝕產(chǎn)生的原因及其影響
汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)到臨界值時產(chǎn)生的一種破壞形式，分為閃蒸和空化兩個階段。當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時，由于閥座和閥瓣形成局部收縮的流通面積，產(chǎn)生局部阻力，使流體的壓力和速度發(fā)生變化（圖1）。當(dāng)壓力為P1的流體流經(jīng)節(jié)流孔時，流速突然急劇增加，靜壓驟然下降，當(dāng)孔后壓力P2達(dá)到或低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力PV時，部分流體汽化成氣體，產(chǎn)生氣泡，形成汽液兩相共存現(xiàn)象，稱為閃蒸階段。在節(jié)流處后面，壓力逐漸恢復(fù)，升高的壓力壓縮氣泡，使氣泡突然破裂，稱為空化階段。氣泡破裂時所有的能量集中在破裂點(diǎn)上，產(chǎn)生幾千N的沖擊力，沖擊波的壓力高達(dá)2×103MPa，大大超過了大部分金屬的疲勞破壞極限，同時，局部溫度高達(dá)幾千℃。這些“過熱點(diǎn)”引起的熱應(yīng)力是產(chǎn)生汽蝕破壞作用的主要原因。
流體流過節(jié)流孔時壓力和速度的變化圖
閃蒸會產(chǎn)生侵蝕破壞作用，在零件表面形成光滑的磨痕。氣蝕如同砂子噴在零件表面一樣，將零件表層撕裂，形成粗糙的渣孔般外表面。在高壓差惡劣條件下，極硬的閥瓣和閥座也會在很短時間內(nèi)遭到破壞，發(fā)生泄漏，影響閥門使用性能。
汽蝕會引起內(nèi)部零件的振動，產(chǎn)生噪聲。流體流經(jīng)閥瓣時，會產(chǎn)生漩渦流，漩渦流和圓柱體相互作用，誘發(fā)振動，產(chǎn)生漩渦脫離聲。當(dāng)漩渦脫離的頻率與閥瓣的固有頻率接近或相同時，振動加大，噪聲增大。如果流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生閃蒸，就會形成有氣泡存在的氣、液兩相混合體，兩相流體的減速和膨脹作用也會形成噪聲。另外， 空化作用時，氣泡破裂釋放出強(qiáng)大的能量， 會產(chǎn)生高達(dá)10kHz的噪聲，氣泡越多，噪聲越嚴(yán)重。
流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生汽蝕作用的同時， 會產(chǎn)生阻塞流，即當(dāng)閥前壓力P1保持一定， 降低閥后壓力P2，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量增加到一zui大極限值，再降低P2，流量不再增加，這個極限流量稱為阻塞流。阻塞流產(chǎn)生前后，流量計算公式截然不同。
3 防止汽蝕破壞的方法
3.1 合理分配壓差
避免汽蝕破壞的zui有效辦法就是使閥門內(nèi)各級壓降ΔP都小于發(fā)生汽蝕的zui小壓差（臨界壓差）ΔPT。
ΔPT=KC（P1-PV）
式中P1--閥門入口壓力，MPa
KC--汽蝕系數(shù)
PV--入口溫度下液體飽和蒸汽壓力，MPa
KC可根據(jù)液體的壓力恢復(fù)系數(shù)FL查圖2確定，各種類型調(diào)節(jié)閥的壓力恢復(fù)系數(shù)FL見表1。如果閥門壓降較大時，可采用多級減壓的方式，使每一級壓降都小于ΔPT。
表1 各類調(diào)節(jié)閥壓力恢復(fù)系數(shù)
3.2 采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式
設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的閥座和閥瓣，使高速液體通過閥座和閥瓣每一點(diǎn)的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓，并采用會聚噴射的方法，使液體本身相互沖撞，在通道間發(fā)生高度紊流，使調(diào)節(jié)閥中液體的動能由于相互摩擦而轉(zhuǎn)換成熱能，從而減少氣泡的形成。另一方面，使汽泡的破裂發(fā)生在套筒中心，避免了對閥座和閥瓣表面的直接破壞。另外，閥座和閥瓣應(yīng)采用易于拆卸的結(jié)構(gòu)，損壞時便于維修和更換。閥門在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應(yīng)留2mm的空行程，因為閥門在剛開啟時，密封面處節(jié)流面積小，流速很高，會對閥瓣和閥座密封面產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，同時產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。通常采用的閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式如圖3和圖4所示，圖3為一種由許多同心的具有特殊鉆孔的圓環(huán)形零件組成的節(jié)流套閥門，每個圓環(huán)產(chǎn)生一級壓降，且都不超過臨界壓差。圖4為階梯孔套筒結(jié)構(gòu)。
多級節(jié)流調(diào)節(jié)閥圖
在閥門壓降大于20MPa，采用籠式主件消除汽蝕時，隨著閥瓣離開閥座，閥瓣和閥座線以下的壓力降分布組件開通，液體開始流動，但仍有部分分布組件阻止流動，液體會在進(jìn)口壓力作用下，通過閥瓣和籠形主件間的間隙，進(jìn)入出口壓力區(qū)，高速流體就會將閥瓣和閥座沖刷出溝槽，進(jìn)口壓力越高，破壞性越大。為解決這種間隙流動問題，采用圖5結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅能逐級分布正常的壓力降，而且也能分級分布閥瓣和籠形主件間的間隙流動。
調(diào)節(jié)閥間隙節(jié)流結(jié)構(gòu)圖
3.3 內(nèi)件材料
調(diào)節(jié)閥特別是高壓差調(diào)節(jié)閥主要內(nèi)件一般選用耐沖刷和高抗腐蝕性材料。節(jié)流套多采用1Crl1MoV和1Crl8Ni9Ti進(jìn)行氮化處理，增加表面硬度。閥座和閥瓣可在某些不銹鋼基體上堆焊或噴焊硬質(zhì)合金，使密封面和導(dǎo)向部位形成硬化表面，抗沖刷，耐磨損（圖6）。
控制閥汽蝕(空化)
控制閥汽蝕現(xiàn)象是指介質(zhì)流經(jīng)閥內(nèi)腔縮流處時，流速zui大，壓強(qiáng)能zui低，如果這時的壓力低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓，液體氣化，部分轉(zhuǎn)變成含蒸汽或氣體的氣泡。當(dāng)介質(zhì)流過縮流處后，壓力升高，如果超過飽和蒸汽壓值，汽泡發(fā)生破裂，重新由氣(汽)相變?yōu)橐合啵@個過程稱為汽蝕或空化(Cavitation)，見圖1。當(dāng)汽泡爆裂時，噴射釋放巨大的能量，并產(chǎn)生振動波，實驗室證明150μm直徑汽泡破裂液滴噴射速度達(dá)到400km/h,產(chǎn)生的瞬間爆破壓力可達(dá)數(shù)千公斤，對閥內(nèi)件表面造成嚴(yán)重沖擊、侵蝕磨損(見圖2)，同時會導(dǎo)致劇烈振動和高噪音、阻塞流的發(fā)生。對于嚴(yán)重汽蝕，在很短的時間內(nèi)，閥內(nèi)件將被損壞或者閥門的工作特性發(fā)生改變。與本文相關(guān)的論文：調(diào)節(jié)閥流通能力Kv值
