化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護(hù) 上海申弘閥門有限公司 之前介紹萬(wàn)溯化學(xué)擴(kuò)建自立式減壓閥，現(xiàn)在介紹化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護(hù)通過對(duì)管路或設(shè)備中流量調(diào)節(jié)閥可能出現(xiàn)的汽蝕和閃蒸的破壞原因進(jìn)行理論分析，提出了采用多級(jí)節(jié)流和選用優(yōu)材等，防止其破壞的有效措施及方法。在化工生產(chǎn)工藝流程中的管路和設(shè)備中，有大量的流體流量調(diào)節(jié)閥對(duì)保證設(shè)備的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。它們有多種結(jié)構(gòu)形式，分別適用于不同場(chǎng)合。其主要作用即用于調(diào)節(jié)流量，以保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。它們有操作簡(jiǎn)單、方便，易于控制等特點(diǎn)，故受到廣泛的應(yīng)用。但也有消耗能量過大、閥門元件易損等缺陷，若設(shè)計(jì)使用不當(dāng)，會(huì)給生產(chǎn)帶來影響。本文主要討論的是對(duì)管路流量調(diào)節(jié)過大、輸送流體溫度過高，可能會(huì)產(chǎn)生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象以及其對(duì)調(diào)節(jié)閥的破壞及防止方法。 1.化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護(hù)出現(xiàn)蝕和閃蒸的原因分析
1.1 流體在調(diào)節(jié)閥中的流動(dòng)過程
液體在調(diào)節(jié)閥的流道中的流動(dòng)過程是極其復(fù)雜的，根據(jù)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(zhì)的密度，kg/m3。
對(duì)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(shí)，又根據(jù)伯努利方程式[1]：
式中z——位置標(biāo)高，m；
p——靜壓強(qiáng)，Pa；
g—— 重力加速度，kg•m/s2。
忽略管道進(jìn)出口流體的位置標(biāo)高差別，如果通過截面時(shí)的流速增大，則意味著斷面的壓力將下降，當(dāng)流體的壓力下降到該溫度下的飽和壓力Pv時(shí)，液體將出現(xiàn)汽化，同時(shí)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(duì)設(shè)備有較大的破壞力。我們以前僅對(duì)離心泵的汽蝕現(xiàn)象研究較多，而對(duì)管路中調(diào)節(jié)閥可能產(chǎn)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(dòng)過程中產(chǎn)生汽蝕和閃蒸的機(jī)理將顯得更加重要。
1.2 流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥前后的壓力變化分析
圖1是液體通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)窗口（節(jié)流孔）的各點(diǎn)的壓力變化曲線 
假設(shè)閥門前后的管徑相同，液體在調(diào)節(jié)閥窗口前、后的相當(dāng)長(zhǎng)的距離內(nèi)，液體一直處于穩(wěn)定流動(dòng)，同時(shí)不考慮液體的位能及節(jié)流前后的溫度變化，則根據(jù)連續(xù)性的方程，u1=U2。
Pl、p3——入口壓力及出口壓力
P2——zui小截面處（調(diào)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(dāng)液體通過調(diào)節(jié)閥窗口時(shí)可能有三種工況：
（1）液體通過調(diào)節(jié)閥窗口時(shí)，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(dāng)時(shí)液體溫度下的相應(yīng)的飽和壓力，在這種工況下，液體通過調(diào)節(jié)窗口后不會(huì)發(fā)生汽蝕和閃蒸現(xiàn)象。
（2）當(dāng)液體通過調(diào)節(jié)窗口時(shí)，液體的壓力小于或等于當(dāng)時(shí)液體溫度下的相應(yīng)的飽和壓力，如圖1中曲線Ⅱ所示。根據(jù)汽蝕理論的研究，此時(shí)在金屬表面某處形成一個(gè)穩(wěn)定的汽蝕區(qū)，汽泡在金屬表面的不斷形成和增長(zhǎng)，同時(shí)隨著流體下移壓力回升（即速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽?dāng)該處的液體壓力大于當(dāng)時(shí)液體溫度下的飽和壓力時(shí)，則汽泡破裂（凝聚），而汽蝕正是由于這些汽泡的反復(fù)破裂所引起的。當(dāng)汽泡破裂時(shí)，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(jù)美國(guó)某研究所測(cè)得汽蝕汽泡中心部位的壓力高達(dá)2.0×103MPa，由于汽泡破裂產(chǎn)生的沖擊金屬表面，好似微小的高強(qiáng)度錘子反復(fù)錘擊金屬表面，導(dǎo)致表面疲勞。同時(shí)，汽泡破裂產(chǎn)生的局部溫度也可能達(dá)至攝氏幾千度，這種高溫“過熱點(diǎn)”在金屬表面的長(zhǎng)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(rèn)。
因大部分汽蝕汽泡遠(yuǎn)離金屬表面，汽泡破裂產(chǎn)生的沖擊波對(duì)金屬表面的損壞不大，只有在金屬表面產(chǎn)生和增長(zhǎng)的汽泡又同時(shí)在金屬表面破裂或者在接近金屬表面破裂，產(chǎn)生的沖擊波才會(huì)造成設(shè)備損壞。
（3）當(dāng)液體通過調(diào)節(jié)窗口時(shí)，液體的壓力降低于當(dāng)時(shí)液體溫度下相應(yīng)的飽和壓力，而且閥門后的出口壓力仍然低于相應(yīng)的飽和壓力，所以液體通過調(diào)節(jié)閥窗口后，部分液體即發(fā)生汽化，產(chǎn)生兩相流，汽泡有時(shí)合并、破裂和產(chǎn)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(jí)節(jié)流
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥由于化工生產(chǎn)中高壓調(diào)節(jié)閥通常要承受較大的壓降，如氨合成塔操作壓力高達(dá)32 MPa，希望能長(zhǎng)期在0～32MPa的壓力之間工作而不發(fā)生汽蝕破壞和不產(chǎn)生泄漏，這對(duì)于單級(jí)節(jié)流的調(diào)節(jié)閥來說是極其困難的，由圖2的曲線I可見，單級(jí)節(jié)流的調(diào)節(jié)閥的壓力變化曲線的谷底，通常會(huì)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(jí)節(jié)流后，其總壓降雖然大于單級(jí)節(jié)后的壓降，但每一級(jí)調(diào)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(gè)串聯(lián)的調(diào)節(jié)閥上，因而就可避免使調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生汽蝕破壞。
由式（1）知，提高閥前壓力P1，可使閥的阻塞流壓差△p增大在閥兩端實(shí)際壓差不變的情況下，當(dāng)P1提高到使得△P< △P1時(shí)忽略△Pc 值），閥后就不會(huì)有閃蒸或汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，但在工程設(shè)計(jì)中，用提高閥前壓力P2的方法往往是不經(jīng)濟(jì)的或不允許的，所以有時(shí)可從閥門安裝位置上想辦法。如圖2所示，調(diào)節(jié)閥應(yīng)安裝于管路系統(tǒng)中低位側(cè)。 
b. 多級(jí)減壓 在普通調(diào)閥中，當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差較大時(shí)，為避免閃蒸或汽蝕的發(fā)生，可用2個(gè)調(diào)節(jié)閥串聯(lián)；也可在調(diào)節(jié)閥后加一塊或多塊限流孔板來逐級(jí)減壓，使每一級(jí)上的實(shí)際壓差均小于本級(jí)入口壓力對(duì)應(yīng)的△p，從而避免閃蒸和汽蝕的產(chǎn)生，這實(shí)際上是通過增加管道阻力來提高整個(gè)減壓系統(tǒng)的能量損耗。 采用調(diào)節(jié)閥后加一塊或多塊限流孔板來逐級(jí)減壓的方法時(shí)，需計(jì)算出閥兩端壓差和每塊孔板所能經(jīng)受的壓降，從而得出所需孔板的塊數(shù)和孔徑。其具體方法為：首先計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的阻塞流壓差△p，并考慮20/0 的安全系數(shù)，得到調(diào)節(jié)閥兩端壓差為△P=△P×80%。孔板壓力按幾何級(jí)數(shù)減壓（多級(jí)孔板的計(jì)算方法），*級(jí)孔板減壓為△P/2，第二級(jí)孔板減壓為△p/22，第三級(jí)孔板減壓為△p/23，……，第n級(jí)孔板減壓為△p/2n ，直減到末級(jí)f孔板后壓力為所需壓力為止。 
例：將某種液體介質(zhì)的壓力從5MPa減壓到0.9 MPa以下，而不允許發(fā)生閃蒸或汽蝕現(xiàn)象。假若我們計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的阻塞流壓差△p=3 MPa，則：△p=2.4MPa。
*級(jí)孔板需減壓△p/2=1.2 MPa；
第二級(jí)孔板需減壓△p/22=0.6 MPa；
第二級(jí)孔板后壓力為0.8MPa。 第二級(jí)孔板后壓力滿足zui終減壓的要求，故選擇合理。這樣就得出減壓需兩塊限流孔板，然后再根據(jù)每塊孔板需經(jīng)受的壓差計(jì)算孔徑。 多級(jí)減壓法雖能使調(diào)節(jié)閥免于汽蝕、閃蒸的產(chǎn)生，但由于閥的壓降分配比S值降低，即分配在調(diào)節(jié)閥上壓力降占管系壓力降的比例降低，將導(dǎo)致閥容量降低，流量調(diào)節(jié)范圍變窄及闊的流量特性畸變，但若處理適當(dāng)時(shí)，用于減壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)還是可行的。 c. 材料選擇 閃蒸與汽蝕對(duì)閥的損傷是不同的。閃蒸損傷是由于液體中，液相的液滴被高速汽相運(yùn)載，它們對(duì)金屬表面的沖擊，屬于沖刷磨蝕型。被損傷的部件，幾何形狀均勻減小，具有光滑的外表，除非材質(zhì)因沖刷剝落才會(huì)出現(xiàn)凹痕。 汽蝕是由汽泡崩潰引起，較閃蒸損傷嚴(yán)重得多主要損傷部位在汽泡崩潰處，被損傷部件的幾何形狀不是均勻減小，而是表面粗糙呈海綿狀孔洞。 閥芯和閥座在閥內(nèi)起著截?cái)嘁后w或調(diào)節(jié)流量的作用，同時(shí)也是閃蒸、汽蝕作用的嚴(yán)重?fù)p傷部分，要求較閥體更為堅(jiān)硬的材料。因前仍未找出一種*抗汽蝕的理想材料。 對(duì)于有可能發(fā)生閃蒸和汽蝕的調(diào)節(jié)閥，一般選用硬度高，軔性好的材料，可視工藝條件酌情選擇碳素鋼，臺(tái)金鋼或不銹鋼等。閥桿一般選用不銹鋼閥芯和閥座要求選用較閥體更為堅(jiān)硬的材料，但由于汽蝕產(chǎn)生的沖擊力*，任何材料都難于承受，這種方法只能在一定程度上延長(zhǎng)閥門的壽命，當(dāng)然材質(zhì)的合理選取，還要結(jié)合介質(zhì)的腐蝕性、溫度、壓力、經(jīng)濟(jì)性等因素綜臺(tái)考慮。 d. 采用調(diào)節(jié)閥 防閃蒸與汽蝕的調(diào)節(jié)閥利用帶摩擦的絕熱流動(dòng)原理，減壓過程類似液體在很長(zhǎng)的管道中流過，因摩擦使壓力能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使壓力降低這種閥的流路長(zhǎng)而復(fù)雜，液體在閥中呈大規(guī)模紊流狀態(tài)，大大增加了摩擦損失減壓后的速度較常規(guī)閥小得多，且壓力回升幾乎為零。這種閥的值為0.87~0.96，F(xiàn)1約為1.00。一般說來，這種閥用于高壓差液體介質(zhì)，壽命較常規(guī)閥高，還可降低噪音。
I—— 單級(jí)節(jié)流壓力降曲線
II— — 多級(jí)節(jié)流壓力降曲線
2.2 調(diào)節(jié)閥選用材料制作
除以上汽蝕或閃蒸現(xiàn)象對(duì)閥門的損壞外，由于調(diào)節(jié)閥在高壓差下工作，金屬與金屬之間的“間隙流動(dòng)”的沖蝕作用也是不可避免的。故調(diào)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(yīng)具有堅(jiān)實(shí)的和均勻的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)、變形能大、抗拉強(qiáng)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(qiáng)度均很高的特性，目前國(guó)內(nèi)外采用4Crl3、鈷鎢錳鉬釩等硬質(zhì)合金，同時(shí)也采用噴涂硬質(zhì)合金和陶瓷等方法來提高材質(zhì)的性能，以達(dá)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、zui后裝調(diào)節(jié)閥；需加熱的流體的流量調(diào)節(jié)閥盡量設(shè)在加熱前等方法，因?yàn)橐后w的溫度愈高，就愈易產(chǎn)生汽蝕和閃蒸。以上措施均可有效降低或避免汽蝕或閃蒸破壞。
3.小結(jié)
調(diào)節(jié)閥的破壞形式及原因各有不同，本文僅對(duì)調(diào)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(diào)節(jié)閥并不是通用閥，而是根據(jù)具體生產(chǎn)中的調(diào)節(jié)對(duì)象所需要的各種不同的工況參數(shù)和工藝要求而設(shè)計(jì)的，因此設(shè)計(jì)、制造要求也很高。望本文觀點(diǎn)能對(duì)其設(shè)計(jì)、制造有所借鑒，以不斷地改善調(diào)節(jié)閥的使用壽命和泄漏率。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有化工隔膜閥構(gòu)造原理
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