化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護

                   上海申弘閥門有限公司

之前介紹萬溯化學擴建自立式減壓閥，現(xiàn)在介紹化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護通過對管路或設備中流量調(diào)節(jié)閥可能出現(xiàn)的汽蝕和閃蒸的破壞原因進行理論分析，提出了采用多級節(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備中，有大量的流體流量調(diào)節(jié)閥對保證設備的正常運行起著至關(guān)重要的作用。它們有多種結(jié)構(gòu)形式，分別適用于不同場合。其主要作用即用于調(diào)節(jié)流量，以保證設備的穩(wěn)定運行。它們有操作簡單、方便，易于控制等特點，故受到廣泛的應用。但也有消耗能量過大、閥門元件易損等缺陷，若設計使用不當，會給生產(chǎn)帶來影響。本文主要討論的是對管路流量調(diào)節(jié)過大、輸送流體溫度過高，可能會產(chǎn)生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象以及其對調(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)閥中的流動過程
液體在調(diào)節(jié)閥的流道中的流動過程是極其復雜的，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，又根據(jù)伯努利方程式[1]：
式中z——位置標高，m；
p——靜壓強，Pa；
g—— 重力加速度，kg•m/s2。
忽略管道進出口流體的位置標高差別，如果通過截面時的流速增大，則意味著斷面的壓力將下降，當流體的壓力下降到該溫度下的飽和壓力Pv時，液體將出現(xiàn)汽化，同時發(fā)生汽蝕或閃蒸現(xiàn)象。
由于汽蝕現(xiàn)象和閃蒸現(xiàn)象對設備有較大的破壞力。我們以前僅對離心泵的汽蝕現(xiàn)象研究較多，而對管路中調(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過程中產(chǎn)生汽蝕和閃蒸的機理將顯得更加重要。
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）的各點的壓力變化曲線

假設閥門前后的管徑相同，液體在調(diào)節(jié)閥窗口前、后的相當長的距離內(nèi)，液體一直處于穩(wěn)定流動，同時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，當液體通過調(diào)節(jié)閥窗口時可能有三種工況：
（1）液體通過調(diào)節(jié)閥窗口時，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大于當時液體溫度下的相應的飽和壓力，在這種工況下，液體通過調(diào)節(jié)窗口后不會發(fā)生汽蝕和閃蒸現(xiàn)象。
（2）當液體通過調(diào)節(jié)窗口時，液體的壓力小于或等于當時液體溫度下的相應的飽和壓力，如圖1中曲線Ⅱ所示。根據(jù)汽蝕理論的研究，此時在金屬表面某處形成一個穩(wěn)定的汽蝕區(qū)，汽泡在金屬表面的不斷形成和增長，同時隨著流體下移壓力回升（即速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽斣撎幍囊后w壓力大于當時液體溫度下的飽和壓力時，則汽泡破裂（凝聚），而汽蝕正是由于這些汽泡的反復破裂所引起的。當汽泡破裂時，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)美國某研究所測得汽蝕汽泡中心部位的壓力高達2.0×103MPa，由于汽泡破裂產(chǎn)生的沖擊金屬表面，好似微小的高強度錘子反復錘擊金屬表面，導致表面疲勞。同時，汽泡破裂產(chǎn)生的局部溫度也可能達至攝氏幾千度，這種高溫“過熱點”在金屬表面的長期累積，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。
因大部分汽蝕汽泡遠離金屬表面，汽泡破裂產(chǎn)生的沖擊波對金屬表面的損壞不大，只有在金屬表面產(chǎn)生和增長的汽泡又同時在金屬表面破裂或者在接近金屬表面破裂，產(chǎn)生的沖擊波才會造成設備損壞。
（3）當液體通過調(diào)節(jié)窗口時，液體的壓力降低于當時液體溫度下相應的飽和壓力，而且閥門后的出口壓力仍然低于相應的飽和壓力，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 采用多級節(jié)流
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動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32 MPa，希望能長期在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，這對于單級節(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，單級節(jié)流的調(diào)節(jié)閥的壓力變化曲線的谷底，通常會低于液體在該溫度下的汽化壓力，因此汽蝕難以避免。
而采用多級節(jié)流后，其總壓降雖然大于單級節(jié)后的壓降，但每一級調(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增大在閥兩端實際壓差不變的情況下，當P1提高到使得△P< △P1時忽略△Pc 值），閥后就不會有閃蒸或汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，但在工程設計中，用提高閥前壓力P2的方法往往是不經(jīng)濟的或不允許的，所以有時可從閥門安裝位置上想辦法。如圖2所示，調(diào)節(jié)閥應安裝于管路系統(tǒng)中低位側(cè)。

      b. 多級減壓

      在普通調(diào)閥中，當調(diào)節(jié)閥兩端壓差較大時，為避免閃蒸或汽蝕的發(fā)生，可用2個調(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減壓，使每一級上的實際壓差均小于本級入口壓力對應的△p，從而避免閃蒸和汽蝕的產(chǎn)生，這實際上是通過增加管道阻力來提高整個減壓系統(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減壓的方法時，需計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%。孔板壓力按幾何級數(shù)減壓（多級孔板的計算方法），*級孔板減壓為△P/2，第二級孔板減壓為△p/22，第三級孔板減壓為△p/23，……，第n級孔板減壓為△p/2n ，直減到末級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。假若我們計算出調(diào)節(jié)閥的阻塞流壓差△p=3 MPa，則：△p=2.4MPa。
      *級孔板需減壓△p/2=1.2 MPa；
      第二級孔板需減壓△p/22=0.6 MPa；
      第二級孔板后壓力為0.8MPa。

      第二級孔板后壓力滿足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)受的壓差計算孔徑。

      多級減壓法雖能使調(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，但若處理適當時，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載，它們對金屬表面的沖擊，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)因沖刷剝落才會出現(xiàn)凹痕。

      汽蝕是由汽泡崩潰引起，較閃蒸損傷嚴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)起著截斷液體或調(diào)節(jié)流量的作用，同時也是閃蒸、汽蝕作用的嚴重損傷部分，要求較閥體更為堅硬的材料。因前仍未找出一種*抗汽蝕的理想材料。

      對于有可能發(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閥門的壽命，當然材質(zhì)的合理選取，還要結(jié)合介質(zhì)的腐蝕性、溫度、壓力、經(jīng)濟性等因素綜臺考慮。

 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原理，減壓過程類似液體在很長的管道中流過，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而復雜，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—— 單級節(jié)流壓力降曲線
II— — 多級節(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”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具有堅實的和均勻的細晶粒結(jié)構(gòu)、變形能大、抗拉強度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強度均很高的特性，目前國內(nèi)外采用4Crl3、鈷鎢錳鉬釩等硬質(zhì)合金，同時也采用噴涂硬質(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)閥盡量設在加熱前等方法，因為液體的溫度愈高，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)對象所需要的各種不同的工況參數(shù)和工藝要求而設計的，因此設計、制造要求也很高。望本文觀點能對其設計、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