控制閥產生氣蝕原因及解決方案

                   控制閥產生氣蝕原因及解決方案
                    上海申弘閥門有限公司

1之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項，現在介紹控制閥產生氣蝕原因及解決方案引言

控制閥產生氣蝕原因及解決方案控制閥在工業過程控制中起著重要的作用，但是在液體壓力或流量控制中常會遇到控制閥閃蒸和氣蝕的問題。氣蝕將在破壞控制閥和管線的材質，直接影響控制閥的使用壽命和工藝控制的安全。本文從控制閥閃蒸和氣蝕產生的原因分析入手，提出幾項避免控制閥產生氣蝕的方法。引超控翻閥氣蝕的原因，除了控制閥前后高壓差等系統劇定工況，主要為線性流量特性的控制閥在小開度時流量變化極大，在高壓差工況下小開度時抗氣蝕性能差，具體在該控制閥結構上存在以下不足：

  1、閥籠節流孔節流效果差
    閥籠節流孔直徑2 mm，單}L面積3. 14 mmz，而節流孔遍布閥籠四周，數量39個，總流通面積約122 mm2．而振動時．閥座密封面間隙高度不足o．2 mm，閥座密封面處直徑約p31 mm，總流通面積不足6 mm'，控制閥小開度開啟時，受閥籠和閥桿間隙影響，閥籠底部一圈18個節流7L對節流的影響較大，通流面積仍高于密封面間隙，閥籠節流效果很差。
    2)閥芯頭部節流孔節流效果差
    節流孔直徑≠2 mm，單孔面積3.14 mmz而節流孔遍布閥芯頭部四周，數量48個，總流通面積約150 mm2，閥芯頭部靠近密封面一圈12個節流孔對節流的影響較大．通流面積仍遠高于密封面間隙，節流效果很差，見圖7-16。


    圖7-16控制閥關閉接近全關時內件結構圖
    3)閥籠與閥座中心存在偏差
    閥籠中心靠閥蓋上的凸臺定位，而閥座中心靠閥體定位，閥蓋和閥體配合軸線也有誤差，終閥籠和閥座中心偏差很難保證，閥芯與閥籠導向的間隙將無法保持均勻，控制閥功作過程中，流體在四周不均勻的通道中高速流動更容易產生氣蝕等現象。
    (4)控制閥的改進措施
    因NPS 2控制閥整體更換后，需要對相關管線進行高壓試驗，條件苛刻很難實現，決定改造控制閥內件來消除控制閥的振動。
    根據和控制閥制造廠家研究（該控制閥由美國DRESSER制造），決定改進控制閥的流量特性來消除振動，使控制閥在小開度時．閥門的流量十分微小，控制閥常開即可以滿足壓力維持的功能；另外因為控制閥在關閉過程中流量本身的變化很小，控制閥的密封面處壓降和流量變化很小，控制閥能夠平穩開肩和關閉。
    對控制閥內部零件具體改進內容：
    ①在閥芯上加裝彈性密封環，當控制閥微小開度時，密封環起到一定的節流作用，使控制閥流量降低．使閥座處壓降減小，有利于消除振動現象；閥桿徑向受到彈性力的作用，能減小閥桿在徑向上的偏動，使流體在更均勻的間隙中流動，減緩紊流現象。
    ②對閥籠節流孔進行更改減少閥籠下部的節流孔數量．減小閥籠下部的節流孔直徑．使控制閥小開度流量降低。
    ③對閥芯頭部節流孔進行更改，減小閥芯頭部密封面附近的節流孔數量、減小閥芯頭部密封面附近節流7L的直徑，使控制閥小開度流冪降低．改進后的流量特性曲線如圖7 17所示。7-17控制閥改造后流量特性
    ④在閥座上增加邊緣凸臺，凸臺和閥籠緊密配合，能夠有效減緩控制閥產生振動時的振動強度；同時閥籠和閥廑保持同軸，能促進闊桿和閥座的同軸度。
    控制閥改造前后內部零件對比和改造前后閥芯外觀對比見圖7 18。
    (5)控制闊改進后的效果
    現場更換閥門2-63332-PC,V25的內部組件后，該控制閥小開度常開控制DC壓力，壓力控制平穩，選取改進后30 min的壓力曲線，改進前30 min的壓力曲線，壓力區間都為1_O MPa—l.1 MPa，對比兩條曲線可以發現，改進后控制閥處于全開狀態，避免了經常性的啟閉動作，可以大限度地避免振動現象的出現；改進前控制閥頻繁動作，易于導致振動現象出現，振動一旦出現，控制閥頻繁的開啟能對管道進行不斷的沖擊性的破壞。控制閥改造前后除氣冷凝器的壓力曲線見圖7 1 9。

控制閥在工業過程控制中起著重要的作用，但是在液體壓力或流量控制中常會遇到控制閥閃蒸和氣蝕的問題。氣蝕將在破壞控制閥和管線的材質，直接影響控制閥的使用壽命和工藝控制的安全。

2 氣蝕產生的原因

在一個大氣壓環境中，水在100℃時沸騰，水從液態轉化為氣態，整個水體內部不斷涌現大量氣泡，并逸出水面。在常溫下(20℃)，若使壓強降低到水的飽和蒸汽壓強2.4kPa(壓強)以下時，則水也沸騰。通常將這種現象稱為空化，以示和真正的沸騰相區別，此時水中的氣泡稱為空泡。常把在管道中由于低壓產生的空化叫做閃蒸。當管道中的空泡進入壓強較高的區域時將突然潰滅，空泡潰滅的時間僅是毫秒級，空泡在潰滅時形成一股微射流，局部壓強可達到800MPa，這會使壁面材料疲勞損壞。這種現象我們稱之為氣蝕或空蝕。

現以水為例說明控制閥產生氣蝕的原因。控制閥閥芯處截流，使過流斷面減小，由1-1到2-2過流斷面的總流伯努利方程：其中：z1為過流斷面1-1的形心高度;z2為過流斷面2-2的形心高度;g為重力加速度;p1為過流斷面1-1的形心處的壓強(絕壓);p2為過流斷面2-2的形心處的壓強(絕壓);υ1為過流斷面1-1的形心處的流速;υ2為過流斷面2-2的形心處的流速;Y為液體的重度;hL為總水頭損失。

因1-1和2-2的過流斷面的形心位置于同一水平線上(若不在同一水平線上，因1-1到2-2距離較近可近似認為在同一水平線上)，即z1=z2，所以有，那么p2=，隨著過流斷面2-2的減小，將增大，γhL也將隨之增大，當增大到一定值時，p2將低于其所在溫度下的水的飽和蒸氣壓，這時水將氣化產生空泡(即閃蒸現象)。當含有空泡的水從過流斷面2-2流至3-3時，由于過流斷面突然增大，υ3將減少，那么p3將大于水的飽和蒸氣壓，水中包含的空泡將被潰滅，這就是氣蝕。



3阻塞流的產生及影響

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,水減壓閥控制閥是一個局部阻力可以變化的節流元件，對于不可壓縮流體，由能量守恒原理可知，控制閥上的水頭損失，式中，hL為控制閥上水頭損失;ε為控制閥局部水頭損失因數(隨閥門開度面變化);g為重力加速度;υ為流體的平均速度，υ=Q/S;ρ為流體密度;p1為控制閥上游取壓口的壓力(壓力);p2為控制閥下游取壓口的壓力(壓力);Δp為控制閥上、下游取壓口的壓力差，Δp=p1-p2;Q為流體體積流量;S為控制閥流通面積。

所以上面水頭損失的等式可變為

當控制閥開度不變的情況下，如果保持控制閥前壓力不變，當逐漸減少控制閥后壓力時，流過控制閥的流量將隨等比增大。但是當控制閥后壓力減小到一定數值時，閥前閥后差大于時，流過控制閥的流量不再隨等比而增大，這時的流態被稱為阻塞流。

阻塞流不一定會發生閃蒸(空化)或氣蝕現象，但閃蒸或氣蝕一定發生在阻塞流情況下，所以阻塞流是產生閃蒸或氣蝕的必要條件，如果避免了阻塞流的產生就從根本上避免氣蝕產生。GB/T17213.2標準中判斷是否為阻塞流的依據是Δp與之間的關系，當FFpv)時為非阻塞流，當時為阻塞流。

其中，Δp為控制閥上、下游取壓口的壓力差p1-p2;p1為控制閥上游取壓口的壓力(壓力);p2為控制閥下游取壓口的壓力(壓力);FL為無附接管件控制閥的液體壓力恢復系數;FF為液體臨界壓力比系數;pv為入口溫度下液體的飽和蒸氣壓力(壓力);pc為熱力學臨界壓力(壓力)。

4避免氣蝕產生的方法

要從根本上避免氣蝕需避免阻塞流，根據阻塞流判斷公式可知，要為了使成立，應當減小Δp和FFpv，增大FL和p1;所以可以用以下幾種方法避免氣蝕的產生。

1)降低介質的飽和蒸汽壓

根據GB/T17213.2說明，FF可由公式FF=0.96-0.28近似求得，且可知0.65

2)串聯控制閥

通過2個串聯的控制閥共同實現流量和壓力控制是避免氣蝕產生的有效方法。串聯的本質意義在于它減小了Δp。設2個串聯控制閥中第1個閥閥后壓力為pm，則對控制閥1來說Δp1=p1-pm，對控制閥2來說Δp2=pm-p2，Δp1=Δp2-Δp2。所以通過合理的選擇pm可以用兩個串聯的控制閥來替換一個會產生氣蝕的控制閥。

3)選擇控制閥的閥內件類型和流向

FL是無附接管件的液體壓力恢復系數。該系數表示阻塞流條件下閥體內幾何形狀對閥容量的影響。它定義為阻塞流條件下的實際大流量與理論上非阻塞流條件下的流量之比。系數FL可以由符合GB/T17213.9的試驗來確定。在GB/T17213.2中列出了幾種常用類型的控制閥的FL值。從表中我們可知不同類型的控制閥的FL值不同，即使相同類型的控制閥，其閥內件類型不同或流向不同，其FL值也不相同。我們通過選擇不同類型的控制閥，并選擇合適的閥內件類型和流向，來使FL較大，這樣也可以避免阻塞流的產生。如蝶閥的FL均小于0.7，球形柱塞型閥芯流開式控制閥的FL為0.9。

4)提高控制閥閥前閥后壓力

這里所說的提高控制閥閥前閥后壓力，指的不是改變Δp的值，因為有時工藝狀況要求的Δp必須是某一數值，在這種情況下，提高控制閥閥前閥后壓力實際上就是改變控制閥的安裝位置。例如在長距離輸水路線上，如果在某一條線路上，必須完成Δp的壓降，如果控制閥安裝在終點附近，若終點要求壓力接近大氣壓力，那么p1=Δp+p0(p0為大氣壓力)。但是如果我們將控制閥的位置向上游移動單位長度，由達西公式推導出，液體在單位長度上的壓力損失為其中：pL為壓力損失量;λ為沿程摩阻因數;l為管線長度;d為管線直徑;υ為管線內流體流速。所以，將控制閥位置上移后的閥前壓力可用p1=Δp+p0+pL表示，這樣就在Δp保持不變的情況下增大了閥前閥后的壓力，也可以避免阻塞流的產生，來防止氣蝕出現。



5)選擇多級控制閥

GB/T17213.17標準中提供了多級控制閥的計算方法。多級控制閥就像將多個串聯的控制閥做成一個控制閥一樣。同時，從GB/T17213.17標準可以看出，多級控制閥的液體壓力恢復系數FL≥0.97，所以在相同的壓力、壓差情況下也避免了氣蝕的產生。需要說明的是，使用多級控制閥時，阻塞流的判斷公式與普通控制閥不同，在GB/T17213.17標準。

5 結語

阻塞流是氣蝕產生的必要條件，本文列舉了多種方法來避免阻塞流的產生，從而避免產生氣蝕。在實際設計過程中，設計者應當根據工藝狀況和經濟投入情況選擇一種或多種方法并用的方式來避氣蝕產生。與本產品相關論文：斯派莎克蒸汽減壓閥在化纖管路應用