壓力調(diào)節(jié)閥空化現(xiàn)象

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹實際生產(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。調(diào)節(jié)閥空化損壞分析本文主要分析了空化現(xiàn)象的形成機理，空化現(xiàn)象對閥門和管路的破壞作用，以及空化現(xiàn)象所帶來的噪音問題，同時也探究了在實際應(yīng)用條件下，對于空化現(xiàn)象產(chǎn)生破壞的預(yù)估和防治方法。
關(guān)鍵字：控制閥 控制閥 空化現(xiàn)象 腐蝕 磨蝕 噪音工業(yè)中的過程控制是指以溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)作為被控變量的自動控制。控制閥是過程控制中獲得優(yōu)異性的關(guān)鍵元器件。但由于高壓的存在，常使控制閥出現(xiàn)沖刷、閃蒸和空化的現(xiàn)象，這不但影響控制閥的選擇計算，還會引起噪音、振動和材質(zhì)的損壞，大大縮短控制閥的使用壽命，使其可靠性降低，進而引起工藝系統(tǒng)裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致整個過程控制系統(tǒng)*癱瘓，因此這是一個不可忽視的問題。本文將著重分析空化現(xiàn)象的形成機理，空化現(xiàn)象對閥門和管路的破壞作用，以及空化現(xiàn)象所帶來的噪音問題。

1 空化現(xiàn)象的產(chǎn)生
空化現(xiàn)象是在流體介質(zhì)為液體的情況下產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。本文通過一個簡單的流道孔板模型來展示流體通過控制閥時產(chǎn)生的壓力和速度的變化，并借此來闡述控制閥內(nèi)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象的原因。見圖1。

圖1 空化現(xiàn)象的發(fā)生
由圖1可知，流道面積在孔板處的減小會引起流體速度的增加，并且由流體的機械能守恒（伯努利方程）可知，其會導(dǎo)致相應(yīng)的流體壓力降低。壓力會在流束小截面處（VenaContracta，VC）降到低，其中，流束小截面的位置會發(fā)生在靠近孔板的下游處。當(dāng)閥門流束小截面處的壓力Pvc低于液體氣化壓力Pv，并且閥門下游壓力P2高于Pv時，空化現(xiàn)象就產(chǎn)生了。
空化產(chǎn)生分為兩個階段。首先，當(dāng)流體壓力減小到低于液體氣化壓力時，氣泡會在流體內(nèi)形成。然后，流體壓力在通過流束小截面后會恢復(fù)到高于液體氣化壓力，這就會造成氣泡的破裂。氣泡的破裂可以是噴射形式或是球狀形式的，兩者都會引起壓力的巨幅震動。見圖2。

圖2 和氣泡破裂的類型
如果氣泡很靠近或者緊貼著管壁，破裂會以噴射的形態(tài)產(chǎn)生，并且會瞬間造成大約104MPa大小的壓力震動。當(dāng)氣泡遠離管壁時，球狀破裂會在流體內(nèi)部產(chǎn)生，并造成大約103MPa大小的瞬間壓力震動。如果氣泡破裂時很靠近管壁，噴射流和破裂所引起的震動波就會造成管壁材料的屈服和破損。有空化現(xiàn)象破壞的管壁表面通常是粗糙并且松軟的。
空化現(xiàn)象引起的機械破壞一直和噪音的產(chǎn)生密切相關(guān)。高程度的噪音通常發(fā)生在臨近閥門開始出現(xiàn)壅塞（choked）之前。當(dāng)壅塞發(fā)生之后，氣泡破裂的位置會向下游移動。空化所造成的破壞程度通常也與閥門和下游管路所選用的材質(zhì)與鍍層有關(guān)。
2 腐蝕和磨蝕
雖然空化破壞*是力學(xué)現(xiàn)象，但也和腐蝕與磨蝕相關(guān)。在空化腐蝕中，噴射流或者震動波會破壞金屬表面的鈍化層，正是鈍化層的存在，才能使金屬有了抗腐蝕性。鈍化層被破壞后，下面的基材會被消耗來形成新的鈍化層，長此以往，會造成在空化發(fā)生處的金屬物料相當(dāng)可觀的損失。見圖3。

圖3 鈍化層的破壞和修復(fù)
空化現(xiàn)象以及空化腐蝕引起的磨蝕，會使金屬材料的損耗和破壞大量增加。金屬材料會被空化和空化腐蝕的合力軟化，這就造成了磨蝕性磨損。磨蝕的程度通常由流體速度決定。二者關(guān)系如下：
ε=KVn （1）
其中，ε為物料損失量；K為常數(shù)；V為流體速度；n為磨損系數(shù)。
磨損系數(shù)在由空化腐蝕產(chǎn)生的磨蝕工況下，可選到7，而在常規(guī)磨蝕的工況下，通常為2.5左右。磨損也和材質(zhì)有很大關(guān)系，不銹鋼的耐磨性能要比碳鋼好一些。
在空化現(xiàn)象存在的工況下，需要格外注意選擇正確的閥芯類型和材質(zhì)，以避免空化腐蝕引起的磨蝕。
由公式1可知：
1）通過選用多級降壓的閥芯來降低閥門內(nèi)的流體速度，使流體通過閥芯時的速度降到低；
2）通過選用不銹鋼或硬化處理的材質(zhì)可以減少磨損。
3 空化和噪音
空化現(xiàn)象發(fā)生的強度取決于閥門的型號和壓力等級，所以要簡單地給出一個不會發(fā)生空化現(xiàn)象的流體的界限很困難。因此，結(jié)合噪音等級和臨界壓力降來預(yù)測空化現(xiàn)象的發(fā)生是更為合理的方式。
空化現(xiàn)象造成機械損壞的取決因素很多。一些不同的參數(shù)會影響空化破壞的程度，比如，閥門選用的材料、流體特質(zhì)、管路布置以及流體可能所含的固體顆粒等。發(fā)生空化現(xiàn)象時，閥門內(nèi)的壓力降叫做是臨界壓力降。當(dāng)實際的閥門內(nèi)壓力降等于或大于計算得到的臨界壓力降，同時下游壓力比液體氣化壓力來得更高時，空化現(xiàn)象所引起的破壞便很有可能真實發(fā)生，任何防護手段都應(yīng)當(dāng)考慮被使用。
另一方面，圖4表明空化現(xiàn)象其實在臨界壓力降到達之前就已經(jīng)開始發(fā)生，圖中曲線表示了一臺閥門的聲音壓力等級（soundpressurelevel，SPL）與（P1–P2）/（P1–Pv）的比率的關(guān)聯(lián)?？梢钥吹剑趯恿鲄^(qū)域，噪音等級很低，而在接下來的紊流區(qū)域，曲線會緩和地上升，當(dāng)流體壓差到達一個特定值（ΔP=Z（P1-Pv））時，聲壓曲線開始快速上升。閥門初始空化壓力系數(shù)Z對應(yīng)的是空化發(fā)生初期，Z是由制造商在實驗室環(huán)境下測得的流體噪音所決定的。這些參數(shù)通常會在閥門制造商的選型文件中體現(xiàn)。此時聲音壓力曲線上升的原因就是空化現(xiàn)象的發(fā)生。從實驗室的測試中可以發(fā)現(xiàn)聲壓曲線開始上升要早于流體中的氣泡被實際觀察到。

圖4 聲壓曲線
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調(diào)式減壓閥,自力式減壓閥當(dāng)閥門壓差ΔP接近于臨界壓力降ΔPT時，聲音壓力曲線會達到大值。從圖中可知，此時，如果繼續(xù)增加（P1–P2）/（P1–Pv）的比率，將會使聲壓曲線再次降低。關(guān)于這點，可參見VDMA24422（1979）的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的測定點在于閥門下游1米處，其他標(biāo)準(zhǔn)也有類似規(guī)定。當(dāng)閥門空化現(xiàn)象發(fā)生嚴(yán)重時，空化產(chǎn)生的氣泡會在遠離閥門的下游管路中發(fā)生破裂。這就是為什么VDMA24422（1979）說聲壓曲線會降低的原因。噪音不會消失，只是移動到了另一個地方（下游管路）中。所以即便氣泡的數(shù)量是增加的，但氣泡破裂發(fā)生的區(qū)域距離越長，噪音的強度也就越弱。從另一方面講，當(dāng)閥門壓差越大，流體會越接近于氣液混合的形態(tài)。
一臺在流體為液態(tài)工況下工作的閥門產(chǎn)生噪音，通常是發(fā)生了空化現(xiàn)象。空化產(chǎn)生的氣泡破裂引起了令人煩惱的噪音，而噪音的等級和空化現(xiàn)象的強度直接相關(guān)。在空化現(xiàn)象早期階段，噪音的聲響就像沙子通過閥門。當(dāng)通過閥門的壓差增大時，空化強度也會相應(yīng)增加，嚴(yán)重的空化伴隨著劇烈的噪音也就產(chǎn)生了?？栈胍艨梢员坏仡A(yù)估，因此，噪音等級便是空化引起的機械破壞的一個很好的指標(biāo)。
引起使閥門或管路受損的機械破壞的壓力降取決于閥門類型、尺寸以及材質(zhì)。大量的研究表明壓力恢復(fù)系數(shù)越低的閥門，越接近于達到臨界壓力降，同時不引起空化破壞現(xiàn)象。也就是說壓力恢復(fù)系數(shù)越低的閥門更可能達到臨界壓力降。當(dāng)然，當(dāng)ΔP>ΔPT時，并不總意味著破壞的產(chǎn)生。當(dāng)閥門上下游壓差很小時，空化現(xiàn)象可能來不及發(fā)生。腐蝕當(dāng)然也是一個重要系數(shù)，這取決于所選用的閥門材質(zhì)以及流體介質(zhì)。
所以，當(dāng)預(yù)估空化現(xiàn)象發(fā)生的強度時，有兩個系數(shù)需要被考慮。
1）通過閥門的壓力降不能超過臨界壓力降（如果ΔP很小，ΔPT可以被超過，但管路和閥門的材質(zhì)選擇很重要）；
2）閥門的噪音等級不能超過表1中所給定的值。
表1 噪音等級值

有一點需要特別指出，即使聲壓等級低于表1中所的值，但閥門上下游的壓差過大以至于超過臨界壓力降時，閥門依然有可能發(fā)生嚴(yán)重的空化現(xiàn)象。
4 結(jié)論
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，在進行控制工程設(shè)計時，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。
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***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)進行的?？栈钠茐牧艽?，氣泡破裂的瞬時壓力高達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)生麻點腐蝕直***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
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，認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)計的關(guān)鍵，因為它決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
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立的空間，在其每個獨立空間均設(shè)有徑向流道。調(diào)節(jié)閥工作時，各開度的高壓流體進入節(jié)流組件集成塊后，分別在各自的獨立空間內(nèi)進行多級降壓節(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。
這是因為調(diào)節(jié)閥在變差壓工況下運行存在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)變差壓特點的流阻結(jié)構(gòu)和對流量特性的補償能力。同時由于宮式曲折通道集成塊的結(jié)構(gòu)特點決定了，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，因為高壓流體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。

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，由于流體進入迷宮式曲折通道集成塊進行節(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。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：200X先導(dǎo)隔膜式水用減壓閥安裝要求