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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(mén)選型時(shí)，充分利用法則、控制出口流速，避免或減小閥門(mén)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(lái)愈重視如何優(yōu)化、選擇及使用控制閥這個(gè)問(wèn)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(jì)由于控制閥的故障導(dǎo)致裝置停車(chē)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(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)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(mén)，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(shí)智能診斷型定位器陸續(xù)問(wèn)世，通過(guò)定位器可以對(duì)閥門(mén)進(jìn)行良好的實(shí)時(shí)檢測(cè)、提供維護(hù)報(bào)警信息、優(yōu)化閥門(mén)使用。無(wú)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(jì)算選擇并使用閥門(mén)呢?由使用經(jīng)驗(yàn)得知，在苛刻工況中，汽蝕經(jīng)常造成閥門(mén)內(nèi)件損壞，并伴有高噪音、內(nèi)件振動(dòng)、阻塞流等情況發(fā)生，在閥門(mén)計(jì)算選型時(shí)，如何減小、避免汽蝕的發(fā)生，對(duì)閥門(mén)的正確使用至關(guān)重要。目前，閥門(mén)制造商對(duì)汽蝕的評(píng)估方法不盡相同，本文圍繞KE法、δ法和XFz法，主要針對(duì)如何減少、避免汽蝕和閥門(mén)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)常可以看到調(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(mén)的使用性能和壽命。另外，汽蝕還將導(dǎo)致嚴(yán)重的振動(dòng)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(guò)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(guò)避免阻塞流產(chǎn)生的思路來(lái)避免氣蝕的產(chǎn)生,達(dá)到控制閥使用壽命的延長(zhǎng)和工藝控制的安全。文中通過(guò)對(duì)阻塞流判斷公式分析,簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生的一種破壞形式，分為閃蒸和空化兩個(gè)階段。當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(chēng)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(chēng)為空化階段。氣泡破裂時(shí)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(guò)了大部分金屬的疲勞破壞極限，同時(shí)，局部溫度高達(dá)幾千℃。這些“過(guò)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(guò)節(jié)流孔時(shí)壓力和速度的變化圖
閃蒸會(huì)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?lèi)毫訔l件下，極硬的閥瓣和閥座也會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)遭到破壞，發(fā)生泄漏，影響閥門(mén)使用性能。
汽蝕會(huì)引起內(nèi)部零件的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。流體流經(jīng)閥瓣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生漩渦流，漩渦流和圓柱體相互作用，誘發(fā)振動(dòng)，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(shí)，振動(dòng)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(huì)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(huì)形成噪聲。另外， 空化作用時(shí)，氣泡破裂釋放出強(qiáng)大的能量， 會(huì)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(shí)， 會(huì)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(gè)極限流量稱(chēng)為阻塞流。阻塞流產(chǎn)生前后，流量計(jì)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(mén)內(nèi)各級(jí)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(mén)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(lèi)型調(diào)節(jié)閥的壓力恢復(fù)系數(shù)FL見(jiàn)表1。如果閥門(mén)壓降較大時(shí)，可采用多級(jí)減壓的方式，使每一級(jí)壓降都小于ΔPT。
表1 各類(lèi)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(jì)特殊結(jié)構(gòu)的閥座和閥瓣，使高速液體通過(guò)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(huì)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(dòng)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(duì)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(shí)便于維修和更換。閥門(mén)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)留2mm的空行程，因?yàn)殚y門(mén)在剛開(kāi)啟時(shí)，密封面處節(jié)流面積小，流速很高，會(huì)對(duì)閥瓣和閥座密封面產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，同時(shí)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。通常采用的閥門(mén)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(mén)，每個(gè)圓環(huán)產(chǎn)生一級(jí)壓降，且都不超過(guò)臨界壓差。圖4為階梯孔套筒結(jié)構(gòu)。
多級(jí)節(jié)流調(diào)節(jié)閥圖
在閥門(mén)壓降大于20MPa，采用籠式主件消除汽蝕時(shí)，隨著閥瓣離開(kāi)閥座，閥瓣和閥座線以下的壓力降分布組件開(kāi)通，液體開(kāi)始流動(dòng)，但仍有部分分布組件阻止流動(dòng)，液體會(huì)在進(jìn)口壓力作用下，通過(guò)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(huì)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(dòng)問(wèn)題，采用圖5結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅能逐級(jí)分布正常的壓力降，而且也能分級(jí)分布閥瓣和籠形主件間的間隙流動(dòng)。
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(shí)，流速zui大，壓強(qiáng)能zui低，如果這時(shí)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(guò)縮流處后，壓力升高，如果超過(guò)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(gè)過(guò)程稱(chēng)為汽蝕或空化(Cavitation)，見(jiàn)圖1。當(dāng)汽泡爆裂時(shí)，噴射釋放巨大的能量，并產(chǎn)生振動(dòng)波，實(shí)驗(yàn)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(duì)閥內(nèi)件表面造成嚴(yán)重沖擊、侵蝕磨損(見(jiàn)圖2)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致劇烈振動(dòng)和高噪音、阻塞流的發(fā)生。對(duì)于嚴(yán)重汽蝕，在很短的時(shí)間內(nèi)，閥內(nèi)件將被損壞或者閥門(mén)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
