調(diào)節(jié)閥氣蝕與閃蒸控制介紹

中石油建設(shè)hy

摘 要：分析了氣蝕和閃蒸給調(diào)節(jié)閥帶來(lái)的影響和危害，介紹了有效防止氣蝕與閃蒸破壞的閥門結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵字：氣蝕 閃蒸 飽和壓力 氣蝕系數(shù) 壓力恢復(fù)系數(shù)
1 概述
氣蝕和閃蒸是一種水力流動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象既能引起調(diào)節(jié)閥流通能力Kv減小，又能產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)及對(duì)材料的損害。因此控制和降低調(diào)節(jié)閥受氣蝕和閃蒸的影響是閥門設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題之一。
2 氣蝕和閃蒸
氣蝕和閃蒸產(chǎn)生的條件不同。閃蒸是一種非�？焖俚霓D(zhuǎn)變過(guò)程，當(dāng)流動(dòng)液體的下游壓力低于它的飽和壓力時(shí)就會(huì)出現(xiàn)閃蒸，因此它是一種系統(tǒng)現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥能夠避免閃蒸的產(chǎn)生，除非系統(tǒng)條件改變。而當(dāng)閥門中液體的下游壓力又升回來(lái)，且高于飽和壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。在氣蝕過(guò)程中飽和氣泡不再存在，而是迅速爆破變回液態(tài)。由于氣泡的體積大多比相同形式的液體大。所以說(shuō)，氣泡的爆破是從大體積向小體積的轉(zhuǎn)變。氣蝕是一種從液態(tài)→飽和→液態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，它不同于閃蒸現(xiàn)象。正確合理地設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥能夠避免氣蝕的產(chǎn)生。
3 防止閃蒸的閥門設(shè)計(jì)
在調(diào)節(jié)閥里閃蒸是不能預(yù)防的，所能做到的就是防止閃蒸的破壞。在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中影響著閃蒸破壞的因素主要有閥門結(jié)構(gòu)、材料性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

閃蒸破壞是高速度的飽和氣泡沖擊閥體表面，并腐蝕閥體表面造成的。由于角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，而不是象球形閥一樣直接沖擊體壁，所以大大減少了沖擊閥體體壁的飽和氣泡數(shù)量。從而減弱了閃蒸的破壞力。因此在閃蒸破壞出現(xiàn)的情況下，角形閥體設(shè)計(jì)比球形閥體更為經(jīng)濟(jì)。帶有旋啟式閥瓣的閥門結(jié)構(gòu)（圖2）也是一種有效的防止閃蒸破壞的方法。在閥體內(nèi)部下游的一側(cè)安裝了旋啟式閥瓣，液體的壓力在閥體的下游處降到飽和壓力以下，閃蒸出現(xiàn)在下游管線。在某些情況下，常常采用由一段下游管道承受閃蒸破壞的方法保護(hù)閥門。

3.2 材料選擇
一般情況下，硬度較高的材料更能抵御閃蒸和氣蝕的破壞。所以，硬度高的材料常常用于制造閥體。如電力行業(yè)常選用鉻鉬合金鋼閥門，WC9是常用抵抗腐蝕的材料之一。如果角形閥下游配裝材料硬度高的管道，其閥體可以選用碳鋼材料，因?yàn)閮H僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。如果采用球形閥，最好用鉻鉬合金鋼閥體，因?yàn)殚W蒸出現(xiàn)在閥體內(nèi)部。
3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
閃蒸現(xiàn)象是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)所決定的。圖3為加熱排水閥將閃蒸水排向冷凝器的系統(tǒng)。圖3（a）的閃蒸出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥與冷凝器之間的管道里，閃蒸破壞只會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域。圖3（b）的閃蒸現(xiàn)象產(chǎn)生在閥門的下游和冷凝器中。所以冷凝器相對(duì)于管道來(lái)說(shuō)必須具有更大的容積防止高速度的氣泡沖擊材料表面。因而良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能幫助防止閃蒸破壞的發(fā)生。

4 防止氣蝕的閥門設(shè)計(jì)
調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)影響著自身防止氣蝕產(chǎn)生的能力。其主要的結(jié)構(gòu)形式有曲折路徑、多級(jí)減壓、擴(kuò)大流動(dòng)區(qū)域和多孔節(jié)流設(shè)計(jì)等。
4.1 曲折路徑
使流動(dòng)介質(zhì)通過(guò)一個(gè)含有曲折路徑的節(jié)流件是減小壓力恢復(fù)的一種方法。盡管這種曲折路徑可以有不同的形式，如小孔、放射狀的流路等。但是每一種設(shè)計(jì)的效果基本上是一樣的。這種曲折路徑在每種控制氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的部件設(shè)計(jì)中都是可以利用的。
4.2 多級(jí)減壓
多級(jí)減壓中的每一級(jí)都消耗一部分能量，使得下一級(jí)的入口壓力相對(duì)較低，減小了下一級(jí)的壓差，壓力恢復(fù)低，避免了氣蝕的發(fā)生。一個(gè)成功的設(shè)計(jì)可以使閥門在承受較大壓差的同時(shí)還能保持縮流后的壓力高于液體的飽和壓力，防止液體氣蝕的產(chǎn)生。因此對(duì)于相同的壓力降，一級(jí)節(jié)流比多級(jí)節(jié)流更易產(chǎn)生氣蝕。
4.3 擴(kuò)大流動(dòng)區(qū)域
擴(kuò)大流動(dòng)區(qū)域與多級(jí)減壓的理念是類似的。一般要求每一級(jí)節(jié)流面積都比前一級(jí)的大，第一級(jí)節(jié)流承受了大部分的壓差，壓力降通過(guò)連續(xù)節(jié)流而逐漸減小。在最后一級(jí)節(jié)流區(qū)域壓降僅占總壓差很小的百分比，所以壓力恢復(fù)是很小的。若將每一級(jí)設(shè)計(jì)為相等的節(jié)流面積，且為10級(jí)節(jié)流，那么最后一級(jí)所承受的壓差僅占總壓差的10％，因此即使最后一級(jí)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，它所造成的氣蝕破壞強(qiáng)度也是微小的。
4.4 多孔節(jié)流設(shè)計(jì)
多孔節(jié)流是一種綜合設(shè)計(jì)方案。每種不同的小孔設(shè)計(jì)都影響著閥門的壓力恢復(fù)程度（圖4）。圖4（a）薄形金屬板式結(jié)構(gòu)流通效率最差，但壓力恢復(fù)系數(shù)Km值較高，具有較低的壓力恢復(fù)，不易產(chǎn)生氣蝕。圖4（b）厚形金屬板式結(jié)構(gòu)流通能力較高，但壓力恢復(fù)系數(shù)Km值較低，具有較高的壓力恢復(fù)，易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。圖4（c）復(fù)合式結(jié)構(gòu)是前2種設(shè)計(jì)的綜合與平衡，不但有較高的流通能力而且仍能保持較高的Km值，從而具備較低的壓力恢復(fù)，避免了氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。此設(shè)計(jì)是流通能力和氣蝕控制應(yīng)用中最典型有效的方案。

5 結(jié)束語(yǔ)
氣蝕和閃蒸是調(diào)節(jié)閥裝置中最為常見(jiàn)的流動(dòng)現(xiàn)象。但是通過(guò)合理的閥門設(shè)計(jì)可以防止氣蝕的發(fā)生，通過(guò)優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)和合理地選用閥體材料可以控制閃蒸所帶來(lái)的破壞。