高差壓減壓閥防空化解決方案

高差壓減壓閥防空化解決方案 高差壓減壓閥 減壓閥防空化解決方案 調(diào)節(jié)閥防空化解決

之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項(xiàng)，現(xiàn)在介紹高差壓減壓閥防空化解決方案什么是空化？
    高壓差調(diào)節(jié)閥高速氣-液-粒三相流傳輸引起的閥芯嚴(yán)重空蝕和沖蝕磨損問題,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、隨機(jī)軌道模型和沖蝕磨損模型,空化是流體通過閥節(jié)流時，從縮流斷面的靜壓降低到等于或低于該流體在閥入口溫度下的飽和蒸汽壓時，部分液體汽化形成氣泡，繼而靜壓又恢復(fù)到飽和蒸汽壓，氣泡潰裂恢復(fù)為液相的現(xiàn)象。這種氣泡產(chǎn)生和破裂的全過程稱為空化( cav．tan。n)。氣蝕是空化作用對材料的侵蝕?？栈蚱g的發(fā)生對控制閥閥芯產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，沖刷發(fā)生在流速大處，通7曾在閥芯和閥座環(huán)接觸處或附近。由于氣泡破裂，釋放能量，它不僅發(fā)生類似流砂流過閥門的爆裂噪聲，而且釋放的能量沖刷閥芯表面，并波及下游管道，與閃蒸沖刷不同，汽蝕沖刷使閥芯及下游管道呈現(xiàn)類似煤渣的粗糙表面。煤液化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)煤的清潔、利用和石油替代,是緩解我國能源危機(jī)的有效途徑,被列入國家能源中發(fā)展戰(zhàn)略。熱高分調(diào)節(jié)閥是煤液化系統(tǒng)的核心設(shè)備,主要用于高溫高壓實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥壓力降較高時會出現(xiàn)許多問題，例如空化、高噪聲水平和振動等。這些問題帶來的直接影響是對閥體和閥芯的磨損及空化的損傷。

高差壓減壓閥防空化解決方案調(diào)節(jié)閥空化損壞分析

本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： 

（1）構(gòu)建了單個空泡變形、潰滅的數(shù)值求解模型，得到了空泡的潰滅過程及流場中壓力、速度、溫度的變化情況?？张菰诒诿鏉鐣r，壁面承受的大壓力和高溫度隨初始半徑的增加而增大。 

（2）采用本文建立的空化求解模型和煤液化減壓閥的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算得到了不同開度下減壓閥內(nèi)的三維空化流場。隨著開度的增加，閥芯頭部附近的回流區(qū)域和回流速度均減小，且閥芯表面的空化程度降低。 

（3）基于控制減壓程度抑制空化的思想，數(shù)值預(yù)測了出口壓力增大和進(jìn)口壓力減小時減壓閥內(nèi)部的空化流動情況，提出采用兩個減壓閥串聯(lián)安裝進(jìn)行分級減壓，且*級閥門的出口壓力控制在7.5~5MPa左右的運(yùn)行優(yōu)化措施。 本文的創(chuàng)新性研究在于：

（1）建立了考慮氣液兩相的粘性、可壓縮性、熱力學(xué)性質(zhì)等因素的空泡潰滅數(shù)值計(jì)算模型，得到了空泡潰滅的過程以及壁面中心點(diǎn)的壓力、溫度隨時間的變化關(guān)系；

（2）構(gòu)建了減壓閥三維空化流動的數(shù)值預(yù)測方法，結(jié)合減壓閥的實(shí)際參數(shù)，完成了減壓閥內(nèi)部的空化流場分析，并對閥頭的空蝕進(jìn)行了原因分析； 

1.1 空化損壞分析
液體介質(zhì)在高差壓下會產(chǎn)生空化，空化產(chǎn)生于液態(tài)區(qū)的氣泡，生成氣泡的必要條件是液態(tài)所處的壓力低于該液體飽和蒸汽壓力Pv。閥座相當(dāng)于節(jié)流孔板，高壓流體流經(jīng)節(jié)流孔時，靜壓能與動壓能相互轉(zhuǎn)換，流速的增加導(dǎo)致壓力降低，見圖1。

圖1 產(chǎn)生空化的流動曲線
由圖1可知，當(dāng)壓力降低至等于或低于該流體在入口溫度下的氣化壓力Pv時，液體中的氣核即膨脹形成氣泡，帶有氣泡的液體在寬敞的下游流道中流速下降，壓力回升。當(dāng)壓力回升至Pv或高于Pv時，氣泡破裂，此時將釋放出巨大的能量，對閥座、閥芯等閥內(nèi)件產(chǎn)生破壞，即空蝕。它的特點(diǎn)在于液體—蒸汽—液體的過程全部是在調(diào)節(jié)閥的小面積內(nèi)并在微秒時間內(nèi)進(jìn)行的?？栈钠茐牧艽?，氣泡破裂的瞬時壓力高達(dá)300MPa，現(xiàn)有的工程材料難以抵抗其空蝕。對于不銹鋼等塑性材料，在空化作用下，將產(chǎn)生麻點(diǎn)腐蝕直至呈現(xiàn)蜂窩狀空洞損壞；而對于硬質(zhì)合金等脆性材料則產(chǎn)生碎塊損壞。同時，氣泡破裂時所釋放的能量使操作人員很容易聽到像是來自于調(diào)節(jié)閥或下游管線的噪聲，并伴有強(qiáng)烈的振動，而終導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥內(nèi)件的疲勞損壞。
1.2 產(chǎn)生空化的條件
空化的產(chǎn)生必須具備5個條件：
(1)調(diào)節(jié)閥上游、下游(或調(diào)節(jié)閥內(nèi)件處)的流體必須是液體；
(2)當(dāng)流體進(jìn)入調(diào)節(jié)閥或在調(diào)節(jié)閥下游由壓力降產(chǎn)生殘余蒸汽時，液體必須達(dá)到飽和狀態(tài)；
(3)閥座處的壓力降必須下降到高壓流體的蒸汽壓力之下；
(4)調(diào)節(jié)閥出口壓力必須恢復(fù)到液體蒸汽壓力水平；
(5)液體必須含有某些夾帶氣體或雜質(zhì)，在形成氣泡中它起到氣核的作用。
1.3 堵塞物流
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(diào)式減壓閥,水減壓閥當(dāng)調(diào)節(jié)閥下游壓力下降時，產(chǎn)生大的壓力差，此時出現(xiàn)初期空化，而增加了流體比容。當(dāng)流量增加到一定程度時，發(fā)生堵塞物流，除非操作改變之外流速不再增加。流量Q和壓力降的平方根之間呈直線關(guān)系，見圖2。

圖2 流量對壓差的流動曲線
1.4 空化與汽蝕
空化或空蝕，即通常所說的汽蝕。它是漸變的破壞過程。當(dāng)高壓流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流孔后，其出口壓力P2等于或高于該液體的汽化壓力Pv時，氣泡破裂所釋放出巨大的空化量，才對節(jié)流組件產(chǎn)生破壞，即空蝕。如果出口壓力P2低于該液體的汽化壓力Pv時，在節(jié)流降壓過程中，所產(chǎn)生的氣泡就不會破裂，而是夾在液體中成為“二相流”，即所謂的“閃蒸”流動，閃蒸流動一般不會對閥內(nèi)件產(chǎn)生破壞，但會產(chǎn)生堵塞物流。而使調(diào)節(jié)閥流量減小，與此同時還會產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和振動，該噪聲為空化噪聲。所以空蝕或汽蝕僅僅是空化作用的結(jié)果之一。防空化即是防止流體在節(jié)流過程中產(chǎn)生氣泡，使其不產(chǎn)生氣泡，當(dāng)然也就不會有汽蝕，更不會產(chǎn)生閃蒸流動和堵塞物流。這和防汽蝕是不同的，防汽蝕是指氣泡產(chǎn)生了，但不讓其對閥內(nèi)件產(chǎn)生空蝕。由于空化能很高，只有在壓差較低的情況下，選用適當(dāng)材料，也只能延緩空蝕，而不能有效抵抗空蝕。因此，防空化是治本，而防汽蝕則是治標(biāo)。
2 高差壓調(diào)節(jié)閥防空化解決方案
大慶石化儀表安裝公司在多年調(diào)節(jié)閥維修及制造過程中，積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為防空化解決方案的關(guān)鍵是如何改變流體在調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動狀態(tài)，使高壓流體在節(jié)流降壓過程中不產(chǎn)生空化。因此核心應(yīng)為閥內(nèi)件的結(jié)構(gòu)。
2.1 建立數(shù)學(xué)模型
通過多級降壓的結(jié)構(gòu)可以改變流體在調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動狀態(tài)，見圖3。

圖3 迷宮式曲折通道示意
從圖3可以看出，由于采用了迷宮式的曲折通道，降低了通過調(diào)節(jié)閥的總流速，因此減少了壓力恢復(fù)。當(dāng)流體通過閥芯運(yùn)動時，迷宮式的曲折通道產(chǎn)生高的和低的壓力渦，并產(chǎn)生相當(dāng)大的摩擦損失。迷宮式的曲折通道采用一系列的直角轉(zhuǎn)角，以獲得摩擦損失和較低的流速。
確定轉(zhuǎn)角的數(shù)量是迷宮式的曲折通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定了總速度頭損失和其它結(jié)構(gòu)尺寸。在尺寸確定時，還需進(jìn)行流動曲線空化指數(shù)Kc、調(diào)節(jié)閥空化指數(shù)σ、Ks系數(shù)等的計(jì)算，由此可確定出在某一工況下的防空化閥內(nèi)件的尺寸。
2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
調(diào)節(jié)閥防空化解決方案的關(guān)鍵技術(shù)是節(jié)流組件(閥內(nèi)件)。根據(jù)防空化的原理，采用徑向多級降壓分流的迷宮式曲折通道集成塊，由若干件圓環(huán)，按一定規(guī)律疊加成節(jié)流組件集成塊。將調(diào)節(jié)閥的全開度分為若干組相互獨(dú)立的空間，在其每個獨(dú)立空間均設(shè)有徑向流道。調(diào)節(jié)閥工作時，各開度的高壓流體進(jìn)入節(jié)流組件集成塊后，分別在各自的獨(dú)立空間內(nèi)進(jìn)行多級降壓節(jié)流、緩沖膨脹、轉(zhuǎn)變折流，它們之間各行其道，互不干擾。因此各開度的高壓流體，從節(jié)流組件集成塊入口到出口，其壓力和壓差均按一定規(guī)律逐步降低，從而達(dá)到有效防止空化與空蝕的目的。
根據(jù)不同的工況條件，可以將節(jié)流組件制造成全迷宮式曲折通道集成塊，或迷宮式曲折通道集成塊與單級節(jié)流窗口相結(jié)合的組合式節(jié)流組件。這種結(jié)構(gòu)適用于鍋爐給水調(diào)節(jié)閥等變差壓工作場合，或?qū)α魍芰σ筝^大的場合。 美國Masoneilan公司生產(chǎn)的不同類型調(diào)節(jié)閥的Cf、Kc值見表12—5。 為防止空化產(chǎn)生，首先要保證滿足不產(chǎn)生空化的設(shè)計(jì)條件；其次可選擇防空化的多級降壓閥(如78000系列)；可變流阻閥(VRT)。還可選擇防止空蝕的材料制造的閥門(如表12—6)、適應(yīng)改變操作條件等方法來防止空蝕現(xiàn)象。 為防止空化作用，一般設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥開度不能小于10％。要進(jìn)行調(diào)節(jié)閥流通能力的開度驗(yàn)算，不讓閥的工況滿足式(12—53)的條件。煤液化減壓閥是煤直接液化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，用于高壓分離器的液位調(diào)節(jié)和反應(yīng)產(chǎn)物的節(jié)流降壓。該減壓閥的運(yùn)行工況具有溫度高、壓差大、含固量高的特點(diǎn)，存在嚴(yán)重的空化、空蝕和沖蝕磨損。減壓閥的材料升級和表面硬化處理可在一定程度上提高其耐磨損性能，但不足以抵抗嚴(yán)重的空蝕。了解減壓閥的內(nèi)部流動是分析其失效并進(jìn)行優(yōu)化的重要途徑之一，但實(shí)驗(yàn)研究受限于苛刻的實(shí)際運(yùn)行工況而無法開展。因此，開展煤液化減壓閥的空蝕機(jī)理和空化流動的數(shù)值預(yù)測方法研究，對于減壓閥的空化流場預(yù)測及相關(guān)優(yōu)化具有重要意義。 本文基于壁面附近單個空泡潰滅的動力學(xué)研究，得到了空泡潰滅的過程及壁面所承受的壓力、溫度等與空蝕相關(guān)的參數(shù)；在空蝕機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)流體控制方程、湍流模型、空化模型等計(jì)算流體力學(xué)方法，結(jié)合煤液化減壓閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況等參數(shù)，構(gòu)建了減壓閥三維空化流動的數(shù)值預(yù)測方法，分析了減壓閥內(nèi)部的空化流動，并提出了運(yùn)行優(yōu)化措施。
這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥在變差壓工況下運(yùn)行存在2個問題，(1)空化問題；(2)流量特性畸變問題。這就要求調(diào)節(jié)閥必須具備適應(yīng)變差壓特點(diǎn)的流阻結(jié)構(gòu)和對流量特性的補(bǔ)償能力。同時由于宮式曲折通道集成塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了，在公稱通徑相同的前提下，采用迷宮式曲折通道集成塊的調(diào)節(jié)閥其Cv值要比普通結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥略低。
僅僅改變節(jié)流組件的結(jié)構(gòu)，還不能*消除空化，因?yàn)楦邏毫黧w在迷宮式曲折通道集成塊內(nèi)，只要有極微小的泄漏或串流，就會造成高低壓空間相互串通，從而破壞各開度流體之間的節(jié)流降壓規(guī)律，引起空化與空蝕，還可通常使流量特性產(chǎn)生畸變，降低調(diào)節(jié)精度。這就要求迷宮式曲折通道集成塊的相鄰圓環(huán)之間必須保持嚴(yán)密性，這在技術(shù)上具有一定的難度。將圓環(huán)加工好后，通過特種工藝技術(shù)，將若干圓環(huán)疊加成一個不可分割的整體。

1-96控制閥的直線流量特性表達(dá)式是如何推導(dǎo)的？
    直線流量特性是指控制閥的相對流量與相對位移成宣線關(guān)系，即單位位移的變化引起的流量變化是常數(shù)，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：
    當(dāng)液體通過調(diào)節(jié)閥時，在調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用下便會產(chǎn)生壓力降。在流束小截面處(參見圖12—49、圖12—50)(vena contracta，VC)，流速快，而靜壓卻小。當(dāng)該處壓力Pc低于該液體的氣化壓力Pv時，則有部分液體閃蒸成為氣泡。流體經(jīng)過調(diào)節(jié)閥后，其壓力有所恢復(fù)。若恢復(fù)后的壓力P2仍低于該液體的氣化壓力Pv時，則會有部分液體氣化，這種現(xiàn)象稱為閃蒸(flash)。 圖12—49  閃蒸狀態(tài)壓力分布曲線  VC為調(diào)節(jié)閥流束小截面處   閃蒸作用產(chǎn)生的氣泡對閥芯、閥座、閥體均無嚴(yán)重的損傷，但當(dāng)恢復(fù)后壓力P2>P1時，必然會使上述氣泡被壓破，并爆發(fā)出強(qiáng)大的爆破力。調(diào)節(jié)閥的金屬表面在反復(fù)不斷地受到該沖擊力作用后，會產(chǎn)生疲勞而形成剝落、空洞，這就是空化現(xiàn)象，也稱空蝕現(xiàn)象。 
 
圖12—50  空化狀態(tài)壓力分布曲線 VC為調(diào)節(jié)閥流束小截面處   空化現(xiàn)象的爆破力足以使閥內(nèi)部件(特別是閥芯)遭到極其嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重的空化作用只需幾小時調(diào)節(jié)閥就損壞了，以致于調(diào)節(jié)過程失控，產(chǎn)生重大安全事故。因此，在進(jìn)行控制工程設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮到防止空化現(xiàn)象的出現(xiàn)。特別對高壓力降工況、低揮發(fā)性介質(zhì)控制的場合，在防止空化作用方面要給予足夠的重視。實(shí)驗(yàn)證明，調(diào)節(jié)閥容量曲線折點(diǎn)和空化開始點(diǎn)相一致。當(dāng)調(diào)節(jié)閥發(fā)生空化現(xiàn)象時，閥內(nèi)的壓力降叫做是臨界壓力降△Pc。若實(shí)際壓力降△P>△Pc，且閥出口壓力P2又高于該液體的氣化壓力Pv，則必然產(chǎn)生空化現(xiàn)象。對不可壓縮的流體而言，空化臨界流量條件是： 
△P≥Cf(△Ps)             
式中，Cf是臨界流量系數(shù)，其數(shù)學(xué)式為 對于不允許產(chǎn)生空化的調(diào)節(jié)閥而言，用初始空化系數(shù)Kc代替臨界流量系數(shù)Cf的平方值，則防止空化的條件為： 
△P初始空化＝Kc△Ps  
當(dāng)Pv<0．5P1時，△Ps＝P1—Pv；故判斷產(chǎn)生空化的數(shù)學(xué)式為： 

3 結(jié)束語
高壓水調(diào)節(jié)閥、鍋爐給水調(diào)節(jié)閥，都存在嚴(yán)重的空化損壞問題，而影響裝置的長周期運(yùn)行。由于這些調(diào)節(jié)閥對流通能力要求較大，故采用迷宮式曲折通道集成塊與單級節(jié)流窗口相結(jié)合的組合式節(jié)流組件型式，將20%以下開度采用迷宮式曲折通道集成塊結(jié)構(gòu)，20%~99%開度為單級節(jié)流窗口(即套筒)結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)調(diào)節(jié)閥在小于或等于20%的小開度下工作時，由于流體進(jìn)入迷宮式曲折通道集成塊進(jìn)行節(jié)流降壓，雖然壓差很高，但依然不會產(chǎn)生空化；將調(diào)節(jié)閥處在20%~99%開度時，流體基本上由套筒的窗口控制，屬于單級節(jié)流，所產(chǎn)生的流阻壓降遠(yuǎn)比多級迷宮式曲折通道集成塊小，能夠滿足其對大流量的要求。經(jīng)過多年現(xiàn)場應(yīng)用考核，防空化效果明顯。

基于控制減壓程度抑制空化的思想，提出采用兩個減壓閥串聯(lián)安裝進(jìn)行分級減壓，且*個閥門的出口壓力控制在7.5~5MPa左右的運(yùn)行優(yōu)化措施。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：波紋管減壓閥波紋管材料