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      防氣蝕控制閥的應用

      李艷榮     瑞萊爾(天津)控制閥有限公司

             氣蝕是材料在液體的壓力和溫度達到或超過臨界值時產生破壞的一種形式,它的產生將會使閥門遭到機械結構方面的破壞和產生嚴重的噪音,因此在工程項目的工藝過程控制系統中,根據選型參數正確判斷氣蝕及選用防氣蝕控制閥是至關重要的。

      1.氣蝕產生的原理及危害

             如圖1所示,當液體介質接近于管線中的閥門時,它的截面積必須縮小以通過閥門的縮流處,其流速與流體的截面積成反比,為維持流體能夠穩定的流過閥門,因此流速必須增加,因為流速和壓力的總和要保證大約相等,因此必將導致壓力的下降,在流體流經控制閥的縮流斷面處時,將會產生最大速度和最小壓力(PVC)。如圖2所示當壓力降低到介質的飽和蒸汽壓以下時,將會有氣泡產生,當流體離開縮流斷面后,截面積增大,液體的摩擦會引起流體減速,這樣壓力會逐漸上升,當壓力上升到液體介質的飽和蒸汽壓以上時,氣泡會破裂或向內爆炸,從而產生氣蝕。

             氣蝕過程中氣泡破裂時所有的能量都集中在破裂點上,產生幾千牛頓的沖擊力,沖擊波的壓力高達2×105 MPa,大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限,同時局部的溫度高達幾千攝氏度,這些過熱點引起的熱應力是產生氣蝕破壞作用的主要因素,氣蝕如同砂子噴在零件表面,將零件表層撕裂,形成粗糙的渣孔般的外表面,在高壓差惡劣條件下,極硬的閥芯和閥座也會在短時間內遭到破壞,發生泄漏,影響閥門的使用性能,同時氣蝕過程中產生的氣泡破裂釋放出巨大的能量,引起內部零件的振動,產生高達10KHZ的噪聲,氣泡越多,噪聲越嚴重。如圖3所示為氣蝕破壞的閥芯表面。

      2.判斷產生氣蝕的方法

      第一步:首先判斷阻塞流

      當△P = P1- P2≥FL2(P1-FF X PV)時,液體介質就會產生阻塞流。

         式中:

      P1—閥前絕對壓力,kPaA;

      P2—閥后絕對壓力,kPaA;

      △P — 閥前后壓差,kPa;

      FL—液體壓力恢復系數;

      PV—入口溫度下液體蒸汽的絕對壓力,kPaA

      FF—液體臨界壓力比系數,

       

      PC—絕對熱力學臨界壓力,kPaA

      第二步:對比P2和Pv的數值

         當P2>Pv  時,則會產生氣蝕現象。

      第三步:計算氣蝕允許最大壓差值

                   △Pc=Kc X (P1-PV)            

      式中 :

      △Pc— 氣蝕初期允許的壓降,kPa

      Kc—氣蝕指數  

             Kc值是描述閥門是否產生氣蝕的重要參數,它的數值可以由試驗獲得,由各個控制閥生產廠提供。根據不同的控制閥種類其Kc 值的大概數值都在0.15~ 0.8之間。

      即:當△P ≥△P值時,建議選用防氣蝕閥門。

      3、常用防氣蝕閥門的結構分析

             對于產生氣蝕的場合,我們一般選用防氣蝕控制閥來予以避免,現在常用的防氣蝕控制閥結構一般為:曲折路徑型、多級減壓型和多孔節流型。

      • 1)曲折路徑型

             如圖4所示,使流動的介質通過含有曲折路徑的節流件來減小壓力恢復的一種方法為曲折路徑型,流路是曲折的,使流體節流并迫使其通過曲折變化的流道,流體在每通過一個彎角就起到一級降壓的目的,使下一級的入口壓力逐漸降低,且使每一級的壓降都小于氣蝕允許的最大壓降值△Pc ,就能夠避免氣蝕現象的產生,這種曲折路徑的設計方法在各種控制氣蝕產生的閥門設計中很常用。下面簡單介紹一下此種結構每級壓降的計算方法。

      根據迷宮閥的多級節流原理,每一級的壓降按幾何級數遞減即:

      ?P=?P1+?P2+?P3+?P4+??+?Pn+1

      或?P=?P1+?P1/2+?P1/22+?P1/23+??+?P1/2n

      注:?P1— 一級壓降數值MPa      ?P2— 二級壓降數值MPa

             ?P3— 三級壓降數值MPa       ?P4— 四級壓降數值MPa

            ?Pn+1 — n+1級壓降數值MPa   ?P —閥門前后總壓降數值MPa

             在計算時只要保證每一級的壓降數值都小于該級阻塞流允許的壓降數值,即能避免閃蒸和氣蝕的產生。在一定的工藝條件下能夠成功確定迷宮閥的降壓級數。

      1. 2)多級減壓型

             如圖5所示為常見的2種多級減壓結構,當閥門工作時,流體通過多級閥芯的臺階進行節流,使得高壓降的流體沿著閥芯軸線的方向流動,通過閥芯和閥籠的特殊設計,使得流體不斷的轉彎降低流體的壓降和流速,且下一級的入口壓力相對較低,使得閥門在承受較大壓差的同時,也能夠保證流體節流后的壓力高于液體的飽和蒸汽壓力,防止液體氣蝕的產生。這種多級降壓的控制閥一般都為4級降壓結構,根據各個控制閥廠家的模擬壓降試驗得出,它的大部分壓降都發生在第一級和第二級,在最后一級壓降很小,這樣可以避免流體流速過快而沖刷閥芯、閥座密封面。這種多級減壓型的防氣蝕控制閥可以通過壓降模擬或計算的方式來確定壓降的分配原則。即第一級:全壓降的37%;第二級:全壓降的37%;第三級:全壓降的16%;第四級:全壓降的10%。其計算方法是計算每一級的KC 值,即

             計算后使每一級節流處的氣蝕指數為0.25~0.45之間(降壓級數越多,氣蝕指數的數值越接近中間值,這樣可以更有效防止氣蝕現象產生)。

      • 3)多孔節流型

             如圖6所示為多孔節流型結構,多孔節流是一種綜合的設計方案,它是通過多孔節流和匯聚噴射的方式來降低閥門的入口壓力。而會聚噴射也是解決氣蝕問題的基本方法,也就是使用帶鉆孔的特殊閥籠,即在閥籠圓周壁的每個孔上均有“有效”的銳邊,通過該孔產生P1和P2之間的壓降,并通過多層噴射進行逐級降壓。且當流體流到最后一級,當閥芯離開閥座時,液體就從許多開啟的小孔噴出,每一個孔都向中心噴射,并與徑向相反的噴射流相會,這樣在氣蝕液體中心的周圍形成了一個緩沖墊,可以避免破裂的氣泡沖擊到金屬閥座表面如圖7所示。

             這種多孔節流的防氣蝕控制閥也可以通過壓降模擬或計算的方式來確定每一級壓降的分配原則。其計算方法與多級減壓型結構的防氣蝕籠式閥相同。即計算每一級的Kc 值,即

             在防氣蝕控制閥結構為2級防氣蝕時,使每一級節流處的氣蝕指數Kc 小于0.7,可以有效防止氣蝕現象產生。2級防氣蝕控制閥壓降分配數值為:第一級:全壓降的51%,第二級:全壓降的49%。;在防氣蝕控制閥結構為3級防氣蝕時,使每一級節流處的氣蝕指數Kc 在0.25-0.6之間,可以有效防止氣蝕現象產生。3級防氣蝕控制閥壓降分配數值為:第一級:全壓降的50%,第二級:全壓降的33%,第三級:全壓降的17%;在控制閥結構為3級及以上防氣蝕閥門時,一般使計算后每一級節流處的氣蝕指數Kc 為0.25~0.45之間,(降壓級數越多,氣蝕指數的數值越接近中間值,這樣可以更有效防止氣蝕現象產生)。3級防氣蝕控制閥壓降分配數值為:4級防氣蝕控制閥壓降分配數值為:第一級:全壓降的37%;第二級:全壓降的37%;第三級:全壓降的16%;第四級:全壓降的10%。

             綜上所述,以上為3種比較常用的防氣蝕閥門結構,根據設計的方法和原理不同,其各級的壓降分配及防氣蝕程度也各有不同,這些防氣蝕閥門的流量特性均為直線特性。而且對于多級減壓型的防氣蝕閥門一般為角閥,對于現場管道的安裝有一定的要求。用戶和設計院可以根據現場工況的需要,適當選用不同結構的防氣蝕閥門。

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