閥門技術
調節(jié)閥的汽蝕和閃蒸破壞及其防止
發(fā)布時間：2017/3/2 11:15:04 點擊次數(shù)：
在化工生產工藝流程中的管路和設備中，有大量的流體流量調節(jié)閥對保證設備的正常運行起著至關重要的作用。它們有多種結構形式，分別適用于不同場合。其主要作用即用于調節(jié)流量，以保證設備的穩(wěn)定運行。它們有操作簡單、方便，易于控制等特點，故受到廣泛的應用。但也有消耗能量過大、閥門元件易損等缺陷，若設計使用不當，會給生產帶來影響。本文主要討論的是對管路流量調節(jié)過大、輸送流體溫度過高，可能會產生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象以及其對調節(jié)閥的破壞及防止方法。
1.出現(xiàn)蝕和閃蒸的原因分析
1.1 流體在調節(jié)閥中的流動過程
液體在調節(jié)閥的流道中的流動過程是極其復雜的，根據連續(xù)性方程：
uAp=常數(shù)
式中u——截面平均流速，m/s；
A—— 流道截面積，m2；
p—流體介質的密度，kg/m3。
對于不可壓縮的流體，p=常數(shù)，因此uA=常數(shù)，亦即流體的流速和通過該截面的截面積成反比。
同時，又根據伯努利方程式[1]：
式中z——位置標高，m；
p——靜壓強，Pa；
g—— 重力加速度，kg?m/s2。
忽略管道進出口流體的位置標高差別，如果通過截面時的流速增大，則意味著斷面的壓力將下降，當流體的壓力下降到該溫度下的飽和壓力Pv時，液體將出現(xiàn)汽化，同時發(fā)生汽蝕或閃蒸現(xiàn)象。
由于汽蝕現(xiàn)象和閃蒸現(xiàn)象對設備有較大的破壞力。我們以前僅對離心泵的汽蝕現(xiàn)象研究較多，而對管路中調節(jié)閥可能產生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象造成的破壞未引起足夠重視，因此研究防止液體在流動過程中產生汽蝕和閃蒸的機理將顯得更加重要。
1.2 流體流經調節(jié)閥前后的壓力變化分析
圖1是液體通過調節(jié)閥調節(jié)窗口（節(jié)流孔）的各點的壓力變化曲線
假設閥門前后的管徑相同，液體在調節(jié)閥窗口前、后的相當長的距離內，液體一直處于穩(wěn)定流動，同時不考慮液體的位能及節(jié)流前后的溫度變化，則根據連續(xù)性的方程，u1=U2。
Pl、p3——入口壓力及出口壓力
P2——最小截面處（調節(jié)閥窗口）壓力
U1、u2——入口流速及出口流量
從圖1中看出，當液體通過調節(jié)閥窗口時可能有三種工況：
（1）液體通過調節(jié)閥窗口時，因液體流速增大，造成壓力降低，如圖1中的曲線I所示。但P2大于當時液體溫度下的相應的飽和壓力，在這種工況下，液體通過調節(jié)窗口后不會發(fā)生汽蝕和閃蒸現(xiàn)象。
（2）當液體通過調節(jié)窗口時，液體的壓力小于或等于當時液體溫度下的相應的飽和壓力，如圖1中曲線Ⅱ所示。根據汽蝕理論的研究，此時在金屬表面某處形成一個穩(wěn)定的汽蝕區(qū)，汽泡在金屬表面的不斷形成和增長，同時隨著流體下移壓力回升（即速度能轉變?yōu)閴毫δ埽斣撎幍囊后w壓力大于當時液體溫度下的飽和壓力時，則汽泡破裂（凝聚），而汽蝕正是由于這些汽泡的反復破裂所引起的。當汽泡破裂時，周圍液體即迅速地填充破裂汽泡的空間，沖入的流體形成高速而沖擊金屬表面[2]。據美國某研究所測得汽蝕汽泡中心部位的壓力高達2.0×103MPa，由于汽泡破裂產生的沖擊金屬表面，好似微小的高強度錘子反復錘擊金屬表面，導致表面疲勞。同時，汽泡破裂產生的局部溫度也可能達至攝氏幾千度，這種高溫“過熱點”在金屬表面的長期累積，引起金屬表面撕裂，出現(xiàn)蜂窩狀的凹坑，并逐步深入金屬本體，脫落下來的小塊像飽含氣孔的焦炭一樣，很容易辨認。
因大部分汽蝕汽泡遠離金屬表面，汽泡破裂產生的沖擊波對金屬表面的損壞不大，只有在金屬表面產生和增長的汽泡又同時在金屬表面破裂或者在接近金屬表面破裂，產生的沖擊波才會造成設備損壞。
（3）當液體通過調節(jié)窗口時，液體的壓力降低于當時液體溫度下相應的飽和壓力，而且閥門后的出口壓力仍然低于相應的飽和壓力，所以液體通過調節(jié)閥窗口后，部分液體即發(fā)生汽化，產生兩相流，汽泡有時合并、破裂和產生蒸汽，這種過程為閃蒸，如圖1中曲線Ⅲ所示。
受閃蒸破壞的金屬表面沒有蜂窩狀的凹坑，而是大塊剝落，很易區(qū)別。
2.防止汽蝕或閃蒸破壞可采取的措施
2.1 采用多級節(jié)流
由于化工生產中高壓調節(jié)閥通常要承受較大的壓降，如氨合成塔操作壓力高達32 MPa，希望能長期在0～32MPa的壓力之間工作而不發(fā)生汽蝕破壞和不產生泄漏，這對于單級節(jié)流的調節(jié)閥來說是極其困難的，由圖2的曲線I可見，單級節(jié)流的調節(jié)閥的壓力變化曲線的谷底，通常會低于液體在該溫度下的汽化壓力，因此汽蝕難以避免。
而采用多級節(jié)流后，其總壓降雖然大于單級節(jié)后的壓降，但每一級調節(jié)壓降較小，如圖2中的曲線Ⅱ所示，即把壓降分配在幾個串聯(lián)的調節(jié)閥上，因而就可避免使調節(jié)閥產生汽蝕破壞。
I—— 單級節(jié)流壓力降曲線
II— — 多級節(jié)流壓力降曲線
2.2 調節(jié)閥選用優(yōu)質材料制作
除以上汽蝕或閃蒸現(xiàn)象對閥門的損壞外，由于調節(jié)閥在高壓差下工作，金屬與金屬之間的“間隙流動”的沖蝕作用也是不可避免的。故調節(jié)閥一般可選用表面硬度高并抗氣蝕的材料。理想的抗汽蝕材料應具有堅實的和均勻的細晶粒結構、變形能大、抗拉強度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強度均很高的特性，目前國內外采用4Crl3、鈷鎢錳鉬釩等硬質合金，同時也采用噴涂硬質合金和陶瓷等方法來提高材質的性能，以達到防汽蝕和閃蒸的目的。
2.3 其它方法
還可采用增加閥門窗口后的管道截面；先采用節(jié)流孔節(jié)流、最后裝調節(jié)閥；需加熱的流體的流量調節(jié)閥盡量設在加熱前等方法，因為液體的溫度愈以上措施均可有效降低或避免汽蝕或閃蒸破壞。
3.小結
在化工生產工藝流程中的管路和設備中，有大量的流體流量調節(jié)閥對保證設備的正常運行起著至關重要的作用。它們有多種結構形式，分別適用于不同場合。其主要作用即用于調節(jié)流量，以保證設備的穩(wěn)定運行。它們有操作簡單、方便，易于控制等特點，故受到廣泛的應用。但也有消耗能量過大、閥門元件易損等缺陷，若設計使用不當，會給生產帶來影響。本文主要討論的是對管路流量調節(jié)過大、輸送流體溫度過高，可能會產生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象以及其對調節(jié)閥的破壞及防止方法。
1.出現(xiàn)蝕和閃蒸的原因分析
1.1 流體在調節(jié)閥中的流動過程
液體在調節(jié)閥的流道中的流動過程是極其復雜的，根據連續(xù)性方程：
uAp=常數(shù)
式中u——截面平均流速，m/s；
A—— 流道截面積，m2；
p—流體介質的密度，kg/m3。
對于不可壓縮的流體，p=常數(shù)，因此uA=常數(shù)，亦即流體的流速和通過該截面的截面積成反比。
同時，又根據伯努利方程式[1]：
式中z——位置標高，m；
p——靜壓強，Pa；
g—— 重力加速度，kg?m/s2。
忽略管道進出口流體的位置標高差別，如果通過截面時的流速增大，則意味著斷面的壓力將下降，當流體的壓力下降到該溫度下的飽和壓力Pv時，液體將出現(xiàn)汽化，同時發(fā)生汽蝕或閃蒸現(xiàn)象。
由于汽蝕現(xiàn)象和閃蒸現(xiàn)象對設備有較大的破壞力。我們以前僅對離心泵的汽蝕現(xiàn)象研究較多，而對管路中調節(jié)閥可能產生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象造成的破壞未引起足夠重視，因此研究防止液體在流動過程中產生汽蝕和閃蒸的機理將顯得更加重要。
1.2 流體流經調節(jié)閥前后的壓力變化分析
圖1是液體通過調節(jié)閥調節(jié)窗口（節(jié)流孔）的各點的壓力變化曲線
假設閥門前后的管徑相同，液體在調節(jié)閥窗口前、后的相當長的距離內，液體一直處于穩(wěn)定流動，同時不考慮液體的位能及節(jié)流前后的溫度變化，則根據連續(xù)性的方程，u1=U2。
Pl、p3——入口壓力及出口壓力
P2——最小截面處（調節(jié)閥窗口）壓力
U1、u2——入口流速及出口流量
從圖1中看出，當液體通過調節(jié)閥窗口時可能有三種工況：
（1）液體通過調節(jié)閥窗口時，因液體流速增大，造成壓力降低，如圖1中的曲線I所示。但P2大于當時液體溫度下的相應的飽和壓力，在這種工況下，液體通過調節(jié)窗口后不會發(fā)生汽蝕和閃蒸現(xiàn)象。
（2）當液體通過調節(jié)窗口時，液體的壓力小于或等于當時液體溫度下的相應的飽和壓力，如圖1中曲線Ⅱ所示。根據汽蝕理論的研究，此時在金屬表面某處形成一個穩(wěn)定的汽蝕區(qū)，汽泡在金屬表面的不斷形成和增長，同時隨著流體下移壓力回升（即速度能轉變?yōu)閴毫δ埽斣撎幍囊后w壓力大于當時液體溫度下的飽和壓力時，則汽泡破裂（凝聚），而汽蝕正是由于這些汽泡的反復破裂所引起的。當汽泡破裂時，周圍液體即迅速地填充破裂汽泡的空間，沖入的流體形成高速而沖擊金屬表面[2]。據美國某研究所測得汽蝕汽泡中心部位的壓力高達2.0×103MPa，由于汽泡破裂產生的沖擊金屬表面，好似微小的高強度錘子反復錘擊金屬表面，導致表面疲勞。同時，汽泡破裂產生的局部溫度也可能達至攝氏幾千度，這種高溫“過熱點”在金屬表面的長期累積，引起金屬表面撕裂，出現(xiàn)蜂窩狀的凹坑，并逐步深入金屬本體，脫落下來的小塊像飽含氣孔的焦炭一樣，很容易辨認。
因大部分汽蝕汽泡遠離金屬表面，汽泡破裂產生的沖擊波對金屬表面的損壞不大，只有在金屬表面產生和增長的汽泡又同時在金屬表面破裂或者在接近金屬表面破裂，產生的沖擊波才會造成設備損壞。
（3）當液體通過調節(jié)窗口時，液體的壓力降低于當時液體溫度下相應的飽和壓力，而且閥門后的出口壓力仍然低于相應的飽和壓力，所以液體通過調節(jié)閥窗口后，部分液體即發(fā)生汽化，產生兩相流，汽泡有時合并、破裂和產生蒸汽，這種過程為閃蒸，如圖1中曲線Ⅲ所示。
受閃蒸破壞的金屬表面沒有蜂窩狀的凹坑，而是大塊剝落，很易區(qū)別。
2.防止汽蝕或閃蒸破壞可采取的措施
2.1 采用多級節(jié)流
由于化工生產中高壓調節(jié)閥通常要承受較大的壓降，如氨合成塔操作壓力高達32 MPa，希望能長期在0～32MPa的壓力之間工作而不發(fā)生汽蝕破壞和不產生泄漏，這對于單級節(jié)流的調節(jié)閥來說是極其困難的，由圖2的曲線I可見，單級節(jié)流的調節(jié)閥的壓力變化曲線的谷底，通常會低于液體在該溫度下的汽化壓力，因此汽蝕難以避免。
而采用多級節(jié)流后，其總壓降雖然大于單級節(jié)后的壓降，但每一級調節(jié)壓降較小，如圖2中的曲線Ⅱ所示，即把壓降分配在幾個串聯(lián)的調節(jié)閥上，因而就可避免使調節(jié)閥產生汽蝕破壞。
I—— 單級節(jié)流壓力降曲線
II— — 多級節(jié)流壓力降曲線
2.2 調節(jié)閥選用優(yōu)質材料制作
除以上汽蝕或閃蒸現(xiàn)象對閥門的損壞外，由于調節(jié)閥在高壓差下工作，金屬與金屬之間的“間隙流動”的沖蝕作用也是不可避免的。故調節(jié)閥一般可選用表面硬度高并抗氣蝕的材料。理想的抗汽蝕材料應具有堅實的和均勻的細晶粒結構、變形能大、抗拉強度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強度均很高的特性，目前國內外采用4Crl3、鈷鎢錳鉬釩等硬質合金，同時也采用噴涂硬質合金和陶瓷等方法來提高材質的性能，以達到防汽蝕和閃蒸的目的。
2.3 其它方法
還可采用增加閥門窗口后的管道截面；先采用節(jié)流孔節(jié)流、最后裝調節(jié)閥；需加熱的流體的流量調節(jié)閥盡量設在加熱前等方法，因為液體的溫度愈以上措施均可有效降低或避免汽蝕或閃蒸破壞。
3.小結
調節(jié)閥的破壞形式及原因各有不同，本文僅對調節(jié)閥的汽蝕和閃蒸破壞的原因做出分析，并提出防止其破壞的措施和方法。但調節(jié)閥并不是通用閥，而是根據具體生產中的調節(jié)對象所需要的各種不同的工況參數(shù)和工藝要求而設計的，因此設計、制造要求也很高。望本文觀點能對其設計、制造有所借鑒，以不斷地改善調節(jié)閥的使用壽命和泄漏率。
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