调节阀气蚀原因分析
调节阀作为自动控制调节系统中的执行部件,在现代工业生产中得到广泛应用,其控制及通讯方式随着计算机及总线新技术的应用而发生了根本在化工生产过程中，一个工艺过程的控制是否平稳，超调量、衰减比、扰动是否在规定的范围内，除了工艺设计合理、设备先进外，重要的一点就是调节阀能否按照主体控制意识准确动作，从而精确地改变物料或能量。如果调节阀的流量特性差、渗漏大、动作不可靠，就会使自动控制过程的质量变差，甚至失去调节作用，从而增加了劳动强度，给生产带来重大的经济损失。因此，调节阀的选择显得非常重要。气动薄膜调节阀因具有调节性能好、结构简单、动作可靠、维护方便、防火防爆及价廉等优点，而被广泛用于化工生产过程控制中。那么如何选择合适的气动薄膜调节阀呢?这要从以下几方面进行。
1.调节阀类型的选择
化工生产过程中，被调节的介质特性千差万别，有的高压，有的高粘度，有的有腐蚀性，而且流体的流动状态也各不相同，有的流量很小，有的流量很大。因此，必须选择合适类型的调节阀去满足不同的要求。
1.1 调节阀结构形式的选择
在选择调节阀的结构形式时，主要是根据现场被控工艺介质的特点、工艺生产条件和控制要求等，结合调节阀本身的流量特性和结构特点来选择。如用于大口径、大流量、低压差或浓浊浆状及悬浮颗粒物的介质调节时，可选用气动薄膜调节蝶阀；当要求直角连接，介质为高粘度、含悬浮物和颗粒状介质的调节时，可选用流路简单、阻力小、易于冲洗的气动薄膜角型调节阀；当调节脱盐水介质时，由于脱盐水介质中含有低浓度的酸或碱，它们对衬橡胶的蝶阀、隔膜阀有较大的腐蚀性，因此可选用水处理专用球阀，以延长使用寿命；当要求阀在小开度时工作，就不应选用双座阀，因双座阀有两个阀芯，其下阀芯处于流闭状态，稳定性差，易引起阀的振荡。
此外，选用调节阀时，还应考虑调节阀的阀芯型式。阀芯是调节阀最关键的零件，有直行程阀芯和角行程阀芯两大类。直行程调节阀阀芯是垂直节流的，而介质是水平流进流出的，阀腔内流道必然转弯倒拐，使阀的流路形状如倒“S”型，因而存在许多死区，为介质的沉淀提供了空间，易造成堵塞。角行程调节阀的阀芯是水平节流的，与介质的进出方向一致，因此易把不干净介质带走，而且流路简单，介质沉淀空间少，故其防堵性能好。
再次，还应考虑调节阀上阀盖的形式和所用的填料。当介质温度为-20~200℃时，应选用普通型阀盖；当温度高于200℃时，应选用散热型阀盖；当温度低于-20℃时，应选用长颈型阀盖；在有剧毒、易挥发、易渗透等重要介质的场合，应选用波纹管密封型阀盖。上阀盖填料室中的填料有聚四氟乙烯或石墨填料，前者摩擦系数小，可减少回差，且密封性好；后者使用寿命长，但密封性差。
1.2 调节阀作用方式的选择
调节阀气开、气关形式的选择，主要从工艺生产上的安全要求出发，其原则是：当仪表供气系统发生故障中断供气或控制信号中断时，调节阀处于打开或关闭的位置由其对生产造成危害性大小决定。如阀门处于打开位置时危险性小，则应选气关阀。
2.流量特性的选择
调节阀的流量特性是指介质通过阀门的相对流量与阀门的相对开度间的关系。在阀前后压差保持不变时，称为理想流量特性。生产中常用的有直线型、等百分比型、抛物线型和快开型四种。实际生产中，由于管道系统除了调节阀外，还有其它的串、并联管道。因此，调节阀前后压差通常是变化的，这种情况下的流量特性称为工作流量特性。
流量特性的选择实质是如何选择直线和等百分比特性，因为抛物线流量特性介于直线和等百分比之间，一般可用等百分比特性代替；而快开特性用于二位式调节及程序控制中。那么，如何选择调节阀的流量特性呢？
大大提高了控制的准确度及可靠性。但在高温高压工况使用过程中,管道流体往往因设备结构设计、安装或工艺参数设计不当等原因而产生气蚀,对调节阀内件造成严重的损伤,同时引起整个系统的振动及噪声,严重影响调节阀的使用寿命及控制系统的精确性,给工业生产带来很大的隐患。
3.气蚀机理
气蚀是一种水力流动现象,气蚀的直接原因是管道流体因阻力的突变产生了闪蒸及空化。在工艺系统中调节阀属节流部件,起变阻力元件的作用,其核心是一个可移动的阀瓣与不动的阀座之间形成的节流窗口,改变阀瓣位置就可改变调节阀的阻力特性,进而改变整个工艺系统的阻力特性。在高压差(△p>2.5MPa)时,调节阀的调节过程就是阻力的突变过程,此过程极易产生气蚀。为便于分析,将调节阀的节流过程模拟为节流孔调节式。
可以看出进口压力为p1,流速为V1的流体流经节流孔时,流速突然急剧增加,根据流体能量守恒定律,流速增加静压力便骤然下降。当出口压力p2达到或者低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压pv时,部分液体就汽化为气体,形成气液两相共存的现象,此既为闪蒸的形成。如果产生闪蒸之后,p2不是保持在饱和蒸汽压之下,在离开节流孔后随着流道截面的增大流速相应减小,阀后压力急骤上升。升高的压力压缩闪蒸产生的气泡,气泡由圆形变为椭圆形,随后达到临界尺寸的气泡上游表面开始变平,然后突然爆裂。所有的能量集中在破裂点上,产生巨大的冲击力,其强度可达几千牛顿。此冲击力冲撞在阀瓣、阀座和阀体上,使其表面产生塑性变形,形成一个个粗糙的蜂窝渣孔,这便是气蚀形成的过程。气蚀现象不仅仅存在于高压差的调节阀内部,在工业生产的很多领域都存在此现象。
4.防止气蚀的措施
4.1、类型选择
从分析可以看出,产生气蚀是因为发生了空化,而发生空化的原因是节流引起了压力的突变,因此应避免空化的产生。而产生空化的临界压差即阻塞流形成的压差△pT为
△pT=FL2(p1-pvc)
式中FL———压力恢复系数
在工艺条件允许的情况下尽量选用△p<△pT的阀门,即选用压力恢复系数小的阀门,如球阀或蝶阀等。如果工艺条件必须使△p>△pT,可以将两个调节阀串联起来使用,这样每个调节阀的压差△p都小于△pT,空化便不会产生。如果阀的压差△p小于2.5MPa,一般不会产生气蚀,即使有气蚀的产生也不会对阀门造成严重的损坏。
另外,选用角形调节阀也可减弱闪蒸破坏力。因为角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心,而不是直接冲击体壁,所以减少了冲击阀体体壁的饱和气泡数量和次数,相应的减少了气蚀的发生。
4.2、材料选择
从气蚀的结果分析,材料硬度不能抵抗气泡破裂而释放的冲击力是造成损伤的主要原因之一,但能够长时间抵御严重空化作用的材料很少,价格昂贵,国内外常用的材料为司太莱合金(含钴、铬、钨的合金,45HRC)、硬化工具钢(60HRC)和钨碳钢(70HRC)等。但硬度高的材料加工成型不方便,极易脆裂,加工成本大,一般常用的方法是在不锈钢基体上进行堆焊或喷焊司太莱合金(图2),在流体气蚀冲刷处形成硬化表面。当硬化表面出现损伤后,可以进行二次堆焊或喷焊,这样既能增加设备的使用寿命,又减少了装置的维修费用。
4.3、结构选择
分析结果证明,空化是因为压力的突变所引起,而系统要求的压降又不能降低,所以采用将一次大的压力突变分解为若干次的多级阀瓣结构(图3),这种结构的阀瓣可以把总压差分成几个小压差,逐级降压,使每一级都不超过临界压差。或设计成特殊结构的阀瓣和阀座,如迷宫式阀瓣及叠片式阀瓣等,都可以使高速流体在通过阀瓣和阀座时,每一点的压力都高于在该温度下的饱和蒸汽压,或使液体本身相互冲撞,在通道间导致高度紊流,使液体的动能由于相互摩擦而变为热能,可减少气泡的形成。
不同结构形式的阀门有其不同的气蚀系数δ
式中H1———阀后(出口)压力,MPa
H2———大气压与其温度相对应的饱和蒸汽压力之差,MPa
Δp———阀门前后的压差,MPa
各种阀门由于构造不同,允许的气蚀系数δ也不同,如计算的气蚀系数大于容许气蚀系数,则不会发生气蚀。以蝶阀容许气蚀系数为215为例进行说明。当δ>2.5时,不发生气蚀。当2.5>δ>1.5时,发生轻微气蚀。当δ<1.5时,产生振动。当δ<0.5时,如继续使用,则会损伤阀门和下游配管。从计算中可以看出,产生气蚀与阀门出口压力H1有关,加大H1会使情况改变。其改进方法很多,如把阀门安装在管道较低点,或在阀门后管道上装孔板增加阻力,也可将阀门出口直接接蓄水池,使气泡炸裂的空间增大,气蚀减小。
调节阀的气蚀现象受到阀门用材料、流体、力学、结构和介质等多种因素的影响,通过合理的选择,精确的计算,以及阀门新技术和新结构的应用,气蚀现象会在生产中得到更好的解决。
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