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技術支持
如何應對調節閥的氣蝕及防護?
2013-11-6 10:46:18

一、氣蝕的產生及危害

氣蝕是材料在液體的壓力和溫度達到臨界值時產生破壞的一種形式。當液體通過節流孔時,流體流道面積的縮小導致流速迅速增加,速度的增加,產生了速度和壓力之間的能量轉換,流體壓力下降。壓力在節流孔下游側附近達到最低值,這時其速度最大,壓力最小。當該處的壓力Pvc低于液體蒸汽壓Pv且閥門下游壓力P2高于液體蒸汽壓時,就會發生氣蝕(圖1)。氣蝕產生時
    Pvc      式中
    Pvc——節流孔處的壓力,MPa
    P2——閥門下游壓力,MPa
    Pv——液體蒸汽壓,MPa

 2.氣蝕一般出現在兩個階段。首先,當液體壓力低于液體蒸汽壓時,在液體中形成蒸汽泡,由液體攜帶氣泡的邊緣層向下游移動。其次,如果出口壓力大于液體蒸汽壓力,氣泡就會破裂或爆破,同時產生巨大的壓力沖擊波,并通過液體向外傳播,集中撞擊管道壁和閥內零件,沖擊到相近的金屬表面上。氣泡破裂對金屬表面的沖擊類似于微流噴射,它能以104MPa的壓力,振動和碰撞管壁。在液體內,當氣泡遠離金屬表面破裂時,產生球形壓力波,此時,碰撞壓力約為103MPa,且微流噴射的影響未達到金屬固體壁。如果氣泡接近金屬表面破裂,微流噴射將直接沖擊金屬表面。由于沖擊波反復沖擊,導致金屬表面疲勞、撕裂和其他缺陷。氣蝕損壞表現為金屬表面凹凸不平和多孔現象。如果閥門出口壓力低于液體蒸汽壓時,蒸汽氣泡不會破裂,液體以氣液兩相混合狀態存在,液流速度將繼續增大,這種狀態稱為閃蒸(圖2)。閃蒸并不是一個主要問題,其損害與氣蝕不同,通常選用抗沖蝕的閥體和閥瓣材料,限制閥門出口流速,可大大降低和消除,延長調節閥的使用壽命。閃蒸時Pv>P2。

表面上看氣蝕破壞是一種機械性的破壞。但是,在腐蝕性介質中,氣蝕會加快腐蝕侵蝕。氣蝕發生時,微流噴射(或沖擊波)破壞了金屬表面的鈍化膜保護層,基體金屬受到侵蝕,產生化學腐蝕。沖蝕又把產生的腐蝕介質沖掉,引起新的腐蝕。與氣蝕或氣蝕腐蝕相關的沖蝕導致金屬進一步磨損和破壞,通過氣蝕和腐蝕的影響,材料被沖蝕磨損(圖3)。

    沖蝕強度與流體流速有關
    e=KVn
    式中e——材料損耗
    K——常數
    V——流速,m/s
    n——磨損指數
    一般沖蝕下,磨損指數n≈2.5,當氣蝕和腐蝕相結合影響時,磨損指數可達n=7。
    氣蝕不僅對閥門產生機械損害,導致閥門失效,而且產生嚴重的噪聲。當液體流過閥座通孔或節流孔時,會突然加速、氣化和膨脹,在管路中產生紊流、振動和動力噪聲。氣蝕氣泡的破裂是噪聲的主要來源,通常有氣蝕就有噪聲,噪聲量直接與氣蝕程度有關。因此,氣蝕對調節閥系統管路的影響相當大。
3. 氣蝕的防護
    3.1 材料的選擇
    氣蝕破壞與金屬的機械性能和抗腐蝕能力有關,因為抗氣蝕破壞主要是材料抵抗氣泡破裂時形成重疊凹坑的能力,它隨材料吸收能量的能力而改變。抗氣蝕破壞較好的材料應具備堅實和均勻的細晶粒結構,變形能力大,抗拉強度和硬度高,加工硬化性好,疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強度高。韌性材料抗氣蝕能力要高于脆性材料,因此,通常可選用不銹鋼閥門,提高抗氣蝕能力。
    3.2 閥門的形式
    調節閥的形式將影響其對氣蝕的敏感性,調節閥一般有兩種形式,即低復原閥門(如截止閥等)和高復原閥門(如球閥和蝶閥等)。這2種形式的閥門在進口壓力和壓降相同的情況下,流體通過收縮截面時,高復原閥門的閥后出口壓力恢復遠大于低復原閥門。對截止閥而言,其通道的幾何形狀和湍流存在,會產生很大的流體阻力,因此,在閥后出口壓力不會恢復很多。而對球閥而言,其進口流體阻力不大,在閥后出口壓力恢復很多,閥門的復原性可用壓力恢復系數FL表示(圖4)。
    
    FL越接近1.0,壓力恢復越少。

    3.3 壓力降的分布
    壓力降分布的均勻性也對氣蝕產生影響,可以采用幾個串聯閥門和一系列節流孔板,把壓力降分布在幾個串聯閥門之間或分布在一個閥門和節流孔板之間。閥門和節流孔板沿介質流動方向的合理設置,可以經濟和有效地控制氣蝕。采用多級壓降和增加流體出口面積,可以有效地控制流體速度。控制流體速度(相當于控制閥內的壓力)是避免氣蝕的有效手段,其目的是使閥內壓力高于流體最低壓力蒸汽壓,避免蒸汽氣泡破裂,較好的避免了閥內的氣蝕。
    閥門的壓降可以分成幾段來實現。當調節閥上的壓降產生在多級閥瓣上時,總壓降(P1-Pn)被劃分成幾個較小的連續壓降P2、P3、…Pn,在下一個節流級之前,流體壓力被允許恢復到中間壓力P2、P3、…Pn-1,一直到最后的壓降Pn,使氣蝕消除在一個較大的延伸區內(圖5)。

   4. 結語
    長期以來,氣蝕現象縮短了管線設備的使用壽命,消耗了大量的人力和物力,正確認識氣蝕產生的原因及危害,降低和消除氣蝕的潛在影響,對提高設備長周期、安全、經濟運行,具有特別重要的現實意 。





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