阀门技术
调节阀的汽蚀和闪蒸破坏及其防止
发布时间：2017/3/2 11:15:04 点击次数：
在化工生产工艺流程中的管路和设备中，有大量的流体流量调节阀对保证设备的正常运行起着至关重要的作用。它们有多种结构形式，分别适用于不同场合。其主要作用即用于调节流量，以保证设备的稳定运行。它们有操作简单、方便，易于控制等特点，故受到广泛的应用。但也有消耗能量过大、阀门元件易损等缺陷，若设计使用不当，会给生产带来影响。本文主要讨论的是对管路流量调节过大、输送流体温度过高，可能会产生的汽蚀和闪蒸现象以及其对调节阀的破坏及防止方法。
1.出现蚀和闪蒸的原因分析
1.1 流体在调节阀中的流动过程
液体在调节阀的流道中的流动过程是极其复杂的，根据连续性方程：
uAp=常数
式中u——截面平均流速，m/s；
A—— 流道截面积，m2；
p—流体介质的密度，kg/m3。
对于不可压缩的流体，p=常数，因此uA=常数，亦即流体的流速和通过该截面的截面积成反比。
同时，又根据伯努利方程式[1]：
式中z——位置标高，m；
p——静压强，Pa；
g—— 重力加速度，kg?m/s2。
忽略管道进出口流体的位置标高差别，如果通过截面时的流速增大，则意味着断面的压力将下降，当流体的压力下降到该温度下的饱和压力Pv时，液体将出现汽化，同时发生汽蚀或闪蒸现象。
由于汽蚀现象和闪蒸现象对设备有较大的破坏力。我们以前仅对离心泵的汽蚀现象研究较多，而对管路中调节阀可能产生的汽蚀和闪蒸现象造成的破坏未引起足够重视，因此研究防止液体在流动过程中产生汽蚀和闪蒸的机理将显得更加重要。
1.2 流体流经调节阀前后的压力变化分析
图1是液体通过调节阀调节窗口（节流孔）的各点的压力变化曲线
假设阀门前后的管径相同，液体在调节阀窗口前、后的相当长的距离内，液体一直处于稳定流动，同时不考虑液体的位能及节流前后的温度变化，则根据连续性的方程，u1=U2。
Pl、p3——入口压力及出口压力
P2——最小截面处（调节阀窗口）压力
U1、u2——入口流速及出口流量
从图1中看出，当液体通过调节阀窗口时可能有三种工况：
（1）液体通过调节阀窗口时，因液体流速增大，造成压力降低，如图1中的曲线I所示。但P2大于当时液体温度下的相应的饱和压力，在这种工况下，液体通过调节窗口后不会发生汽蚀和闪蒸现象。
（2）当液体通过调节窗口时，液体的压力小于或等于当时液体温度下的相应的饱和压力，如图1中曲线Ⅱ所示。根据汽蚀理论的研究，此时在金属表面某处形成一个稳定的汽蚀区，汽泡在金属表面的不断形成和增长，同时随着流体下移压力回升（即速度能转变为压力能），当该处的液体压力大于当时液体温度下的饱和压力时，则汽泡破裂（凝聚），而汽蚀正是由于这些汽泡的反复破裂所引起的。当汽泡破裂时，周围液体即迅速地填充破裂汽泡的空间，冲入的流体形成高速而冲击金属表面[2]。据美国某研究所测得汽蚀汽泡中心部位的压力高达2.0×103MPa，由于汽泡破裂产生的冲击金属表面，好似微小的高强度锤子反复锤击金属表面，导致表面疲劳。同时，汽泡破裂产生的局部温度也可能达至摄氏几千度，这种高温“过热点”在金属表面的长期累积，引起金属表面撕裂，出现蜂窝状的凹坑，并逐步深入金属本体，脱落下来的小块像饱含气孔的焦炭一样，很容易辨认。
因大部分汽蚀汽泡远离金属表面，汽泡破裂产生的冲击波对金属表面的损坏不大，只有在金属表面产生和增长的汽泡又同时在金属表面破裂或者在接近金属表面破裂，产生的冲击波才会造成设备损坏。
（3）当液体通过调节窗口时，液体的压力降低于当时液体温度下相应的饱和压力，而且阀门后的出口压力仍然低于相应的饱和压力，所以液体通过调节阀窗口后，部分液体即发生汽化，产生两相流，汽泡有时合并、破裂和产生蒸汽，这种过程为闪蒸，如图1中曲线Ⅲ所示。
受闪蒸破坏的金属表面没有蜂窝状的凹坑，而是大块剥落，很易区别。
2.防止汽蚀或闪蒸破坏可采取的措施
2.1 采用多级节流
由于化工生产中高压调节阀通常要承受较大的压降，如氨合成塔操作压力高达32 MPa，希望能长期在0～32MPa的压力之间工作而不发生汽蚀破坏和不产生泄漏，这对于单级节流的调节阀来说是极其困难的，由图2的曲线I可见，单级节流的调节阀的压力变化曲线的谷底，通常会低于液体在该温度下的汽化压力，因此汽蚀难以避免。
而采用多级节流后，其总压降虽然大于单级节后的压降，但每一级调节压降较小，如图2中的曲线Ⅱ所示，即把压降分配在几个串联的调节阀上，因而就可避免使调节阀产生汽蚀破坏。
I—— 单级节流压力降曲线
II— — 多级节流压力降曲线
2.2 调节阀选用优质材料制作
除以上汽蚀或闪蒸现象对阀门的损坏外，由于调节阀在高压差下工作，金属与金属之间的“间隙流动”的冲蚀作用也是不可避免的。故调节阀一般可选用表面硬度高并抗气蚀的材料。理想的抗汽蚀材料应具有坚实的和均匀的细晶粒结构、变形能大、抗拉强度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲劳极限和抗腐蚀疲劳极限强度均很高的特性，目前国内外采用4Crl3、钴钨锰钼钒等硬质合金，同时也采用喷涂硬质合金和陶瓷等方法来提高材质的性能，以达到防汽蚀和闪蒸的目的。
2.3 其它方法
还可采用增加阀门窗口后的管道截面；先采用节流孔节流、最后装调节阀；需加热的流体的流量调节阀尽量设在加热前等方法，因为液体的温度愈以上措施均可有效降低或避免汽蚀或闪蒸破坏。
3.小结
在化工生产工艺流程中的管路和设备中，有大量的流体流量调节阀对保证设备的正常运行起着至关重要的作用。它们有多种结构形式，分别适用于不同场合。其主要作用即用于调节流量，以保证设备的稳定运行。它们有操作简单、方便，易于控制等特点，故受到广泛的应用。但也有消耗能量过大、阀门元件易损等缺陷，若设计使用不当，会给生产带来影响。本文主要讨论的是对管路流量调节过大、输送流体温度过高，可能会产生的汽蚀和闪蒸现象以及其对调节阀的破坏及防止方法。
1.出现蚀和闪蒸的原因分析
1.1 流体在调节阀中的流动过程
液体在调节阀的流道中的流动过程是极其复杂的，根据连续性方程：
uAp=常数
式中u——截面平均流速，m/s；
A—— 流道截面积，m2；
p—流体介质的密度，kg/m3。
对于不可压缩的流体，p=常数，因此uA=常数，亦即流体的流速和通过该截面的截面积成反比。
同时，又根据伯努利方程式[1]：
式中z——位置标高，m；
p——静压强，Pa；
g—— 重力加速度，kg?m/s2。
忽略管道进出口流体的位置标高差别，如果通过截面时的流速增大，则意味着断面的压力将下降，当流体的压力下降到该温度下的饱和压力Pv时，液体将出现汽化，同时发生汽蚀或闪蒸现象。
由于汽蚀现象和闪蒸现象对设备有较大的破坏力。我们以前仅对离心泵的汽蚀现象研究较多，而对管路中调节阀可能产生的汽蚀和闪蒸现象造成的破坏未引起足够重视，因此研究防止液体在流动过程中产生汽蚀和闪蒸的机理将显得更加重要。
1.2 流体流经调节阀前后的压力变化分析
图1是液体通过调节阀调节窗口（节流孔）的各点的压力变化曲线
假设阀门前后的管径相同，液体在调节阀窗口前、后的相当长的距离内，液体一直处于稳定流动，同时不考虑液体的位能及节流前后的温度变化，则根据连续性的方程，u1=U2。
Pl、p3——入口压力及出口压力
P2——最小截面处（调节阀窗口）压力
U1、u2——入口流速及出口流量
从图1中看出，当液体通过调节阀窗口时可能有三种工况：
（1）液体通过调节阀窗口时，因液体流速增大，造成压力降低，如图1中的曲线I所示。但P2大于当时液体温度下的相应的饱和压力，在这种工况下，液体通过调节窗口后不会发生汽蚀和闪蒸现象。
（2）当液体通过调节窗口时，液体的压力小于或等于当时液体温度下的相应的饱和压力，如图1中曲线Ⅱ所示。根据汽蚀理论的研究，此时在金属表面某处形成一个稳定的汽蚀区，汽泡在金属表面的不断形成和增长，同时随着流体下移压力回升（即速度能转变为压力能），当该处的液体压力大于当时液体温度下的饱和压力时，则汽泡破裂（凝聚），而汽蚀正是由于这些汽泡的反复破裂所引起的。当汽泡破裂时，周围液体即迅速地填充破裂汽泡的空间，冲入的流体形成高速而冲击金属表面[2]。据美国某研究所测得汽蚀汽泡中心部位的压力高达2.0×103MPa，由于汽泡破裂产生的冲击金属表面，好似微小的高强度锤子反复锤击金属表面，导致表面疲劳。同时，汽泡破裂产生的局部温度也可能达至摄氏几千度，这种高温“过热点”在金属表面的长期累积，引起金属表面撕裂，出现蜂窝状的凹坑，并逐步深入金属本体，脱落下来的小块像饱含气孔的焦炭一样，很容易辨认。
因大部分汽蚀汽泡远离金属表面，汽泡破裂产生的冲击波对金属表面的损坏不大，只有在金属表面产生和增长的汽泡又同时在金属表面破裂或者在接近金属表面破裂，产生的冲击波才会造成设备损坏。
（3）当液体通过调节窗口时，液体的压力降低于当时液体温度下相应的饱和压力，而且阀门后的出口压力仍然低于相应的饱和压力，所以液体通过调节阀窗口后，部分液体即发生汽化，产生两相流，汽泡有时合并、破裂和产生蒸汽，这种过程为闪蒸，如图1中曲线Ⅲ所示。
受闪蒸破坏的金属表面没有蜂窝状的凹坑，而是大块剥落，很易区别。
2.防止汽蚀或闪蒸破坏可采取的措施
2.1 采用多级节流
由于化工生产中高压调节阀通常要承受较大的压降，如氨合成塔操作压力高达32 MPa，希望能长期在0～32MPa的压力之间工作而不发生汽蚀破坏和不产生泄漏，这对于单级节流的调节阀来说是极其困难的，由图2的曲线I可见，单级节流的调节阀的压力变化曲线的谷底，通常会低于液体在该温度下的汽化压力，因此汽蚀难以避免。
而采用多级节流后，其总压降虽然大于单级节后的压降，但每一级调节压降较小，如图2中的曲线Ⅱ所示，即把压降分配在几个串联的调节阀上，因而就可避免使调节阀产生汽蚀破坏。
I—— 单级节流压力降曲线
II— — 多级节流压力降曲线
2.2 调节阀选用优质材料制作
除以上汽蚀或闪蒸现象对阀门的损坏外，由于调节阀在高压差下工作，金属与金属之间的“间隙流动”的冲蚀作用也是不可避免的。故调节阀一般可选用表面硬度高并抗气蚀的材料。理想的抗汽蚀材料应具有坚实的和均匀的细晶粒结构、变形能大、抗拉强度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲劳极限和抗腐蚀疲劳极限强度均很高的特性，目前国内外采用4Crl3、钴钨锰钼钒等硬质合金，同时也采用喷涂硬质合金和陶瓷等方法来提高材质的性能，以达到防汽蚀和闪蒸的目的。
2.3 其它方法
还可采用增加阀门窗口后的管道截面；先采用节流孔节流、最后装调节阀；需加热的流体的流量调节阀尽量设在加热前等方法，因为液体的温度愈以上措施均可有效降低或避免汽蚀或闪蒸破坏。
3.小结
调节阀的破坏形式及原因各有不同，本文仅对调节阀的汽蚀和闪蒸破坏的原因做出分析，并提出防止其破坏的措施和方法。但调节阀并不是通用阀，而是根据具体生产中的调节对象所需要的各种不同的工况参数和工艺要求而设计的，因此设计、制造要求也很高。望本文观点能对其设计、制造有所借鉴，以不断地改善调节阀的使用寿命和泄漏率。
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