化工調節閥閃蒸的防護措施 調節閥閃蒸的防護措施 化工調節閥閃蒸 化工閥閃蒸的防護施

之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹化工調節閥閃蒸的防護措施氣化爐底到高壓閃蒸罐及洗滌塔底部到高壓閃蒸罐設置黑水調節閥多臺。這些調節閥工作溫度較高、壓降大、灰渣含量也zui高，應能夠耐受通過閥門壓力降引起的高流速，還要耐受閃蒸溶解汽的汽蝕、水的汽化和煤灰顆粒引起的腐蝕及磨蝕。尤其是在*級閃蒸，黑水從高壓經過閃蒸閥直接降到中低壓，由于閃蒸出大量工藝蒸汽，物料流過閃蒸閥節流元件的速度非常高，導致閥內件磨損嚴重，閥門的使用壽命大大降低。因此，針對這類閥門內部的流場進行CFD數值模擬分析，得到可視化的結果，找出其閃蒸、空化的區域對改進設計結構，提高使用壽命至關重要。
1化工調節閥閃蒸的防護措施結構簡介
黑水調節閥多為角閥，廣泛適用于控制高黏度介質、含有顆粒的流體和泥漿及閃蒸流體等。本文選取DN150，PN11.0的黑水調節閥為研究對象，其三維結構如圖1所示。從圖1可以看出，該型號黑水調節閥主要有閥體、閥蓋、閥桿、閥頭、閥座段和擴散段組成。工作時，介質從入口流入，流經閥頭與閥座之間形成的節流口，再依次經過閥座段和擴散段后流出，通過閥桿的上、下移動改變閥頭與閥座之間的相對位置從而改變流量。

圖1 DN150，PN11.0黑水調節閥三維結構簡圖   調節閥是自控系統中的終端現場調節儀表。它安裝在工藝管道上，調節介質的流量，按設定要求控制工藝參數。調節閥直接接觸高溫、高壓、深冷、腐蝕等工藝流體介質，因而是zui容易被腐蝕、沖蝕、氣蝕、老化、損壞的儀表，往往給生產過程的控制造成困難。尤其是在液體工況下，如果調節閥上的壓差ΔP（P1－P2）大于zui大允許計算壓力降ΔPmax，那么就會產生閃蒸或氣蝕，這種現象會引起調節閥或相鄰管道結構上的損壞，同時還可能引起整個系統的振動和噪音，嚴重影響調節閥的使用壽命和整個自控系統的性，給裝置生產帶來極大的隱患。

2數值模擬
2.1 建模
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥分別建立該型號黑水調節閥開度分別為30%、60%時的流道模型，并劃分網格，其中開度為30%的流道模型如圖2所示。為使流動更充分，出、入口分別延長300mm。
閃蒸和氣蝕是一個物理現象名詞，因為它描述了流體介質在形式上的實際變化。這種變化是從液態變為氣態，由于通常是在閥座口的zui大流道縮徑處或其下游的流體速度的增加而引起的。隨著流體通過縮徑，流束會變細或收縮。流束的zui小橫斷面出現在實際縮徑的下游被稱為縮流斷面處，如圖1所示。

圖1 縮流斷面示意圖
    為維持流體穩定地流過調節閥，在截面zui小的縮流斷面處，流速是zui大的。流速（或動能）的增加伴隨著縮流斷面處壓力（或勢能）大大的降低。再往下游，隨著流束擴展進入更大的區域，流速下降，壓力增加；但下游壓力不會*恢復到與調節閥上游相等的壓力，調節閥兩側的壓差ΔP表示閥門中消耗的能量。圖2為高壓力恢復和低壓力恢復調節閥的壓力變化曲線，反映了由于較大的內部紊流和能量消耗，一個流線型高壓力恢復調節閥如球閥與一個低壓力恢復調節閥的不同性能。

圖2 閥門打開30%時的流道三維模型
2.2 數值計算
將GAMBIT導出的網格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型（選用k－ε標準湍流模型）。根據表1提供的計算條件設置流體物性及進出口的邊界條件，進行流場初始化，設定控制參數及定義迭代次數后就可以進行求解。
表1 計算條件

2.3 數值模擬結果分析
由于該黑水調節閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區間為開度為10%～90%，選取30%和60%兩個開度進行計算并分析。
1）開度為30%時的流場特性
從圖3壓力云圖可以看出，節流口前及節流口后的區域壓力分布均勻，不存在壓力陡升的區域，節流口處壓力驟降，出現一小段負壓區，節流口后壓力慢慢回升，但至出口始終沒有超過介質的飽和蒸汽壓力，故從節流口到出口這段區域的壓力都小于介質的飽和蒸汽壓力，因此該段出現閃蒸現象，該閥門能夠實現通過閃蒸將介質壓力降下來的功能。

圖3 30%開度時節流口處壓力云圖
由于出現了閃蒸，流動的液體變成有氣泡存在的氣、液兩相的混合體，兩相介質的減速和膨脹作用會形成噪聲。
從圖4速度矢量圖可以看出，30%開度下，閥門內的流動比較平穩，節流口前后速度較為均勻。

圖4 30%開度時節流口處速度矢量圖
閃蒸對閥門的閥芯會產生嚴重的沖刷破壞，沖刷zui嚴重的地方一般是在流速zui高處。從圖4～圖6可以清楚看出在節流口處出現高速區，應盡量將這些表面硬化，來抵抗高速流的沖刷。
從圖5可以看出，過節流口后有渦流產生，這是因為節流口處的空間不規則，高速射流狀態下引起了流動速度的不均勻，旋渦的出現會使零件受力不平衡，產生振動。

圖5 30%開度時z=0局部速度矢量圖

圖6 30%開度時z=0、x=0局部速度矢量圖
2）開度為60%時的流場特性
從圖7壓力云圖可以看出，60%開度下與前面所述30%開度下的壓力分布相似，不過60%開度時節流口處的負壓區比30%時擴大了。

圖7 60%開度時節流口處壓力云圖
從圖8速度矢量圖可以看出，60%開度下過節流口后的高速區域比30%時有所擴大，這與上面的壓力對比是對應的。通過與其他開度下的速度矢量圖對比，發現隨著開度的增大，過節流口后的高速區域也增大。

圖8 60%開度時節流口處速度矢量圖
從圖9兩個截面的速度矢量圖可以看出，過節流口后仍然有渦流出現。
閃蒸和氣蝕現象的防護措施
    3.1 閃蒸的防護措施
    閃蒸的產生是因為Pvc＜Pv且P2＜Pv。閃蒸不能由調節閥直接控制。這意味著對任何調節閥來說都無法防止閃蒸。閃蒸不能靠調節閥來避免，的辦法是選用合適的幾何形狀和材料的調節閥來避免或盡量減小破壞。
    1）防止或減少液滴或氣泡沖擊閥體表面。選擇流體方向改變盡可能少的閥門，以使液滴或氣泡沖擊數量減到zui小。直行程角形閥中的介質直接流向閥體內部下游管道的中心，而不是直接沖擊閥體內壁，所以大大減少了沖擊閥體內壁的飽和氣泡數量，從而減弱了閃蒸的破壞力。一些旋轉閥如偏心旋轉球塞閥和V形球閥也提供直通式流道。
    2）將受沖刷的表面盡可能硬化。對于流體肯定會沖擊閥門內表面的區域，如閥座表面，盡可能選擇較硬的材料。但能夠長時間抵御閃蒸沖刷的材料很少，且價格昂貴，國內外常用的材料為司太萊合金（含鈷、鉻、鎢的合金，45HRC）、硬化工具鋼（60HRC）和鎢碳鋼（70HRC）等。但硬度高的材料加工成型成本高，而且易脆裂。一般常用的方法是在不銹鋼基體上進行堆焊或噴焊司太萊合金，形成硬化表面。當硬化表面出現損傷后，可以進行二次堆焊或噴焊，這樣既能增加設備的使用壽命，又減少了維修費用。
    3）降低流體沖刷速度。在閥的下游加擴展式流通區域的閥門也是有效的，這樣會大大減小沖刷速度。
    4）既有閃蒸又有腐蝕性的流體比較麻煩。在這種情況下，流體會使閥門腐蝕，而閃蒸會沖刷由腐蝕產生的軟性氧化層，這種綜合作用比兩種機理單獨產生的破壞要大。在這種情況下，選擇一種低合金鋼以防止腐蝕是基本的解決方案。
圖9 60%開度時z=0、x=0局部速度矢量圖

3結論
（1）通過數值模擬得到了黑水調節閥的流場特性，根據流場特性可以判斷閥門內部出現閃蒸的區域；
（2）根據數值模擬結果，在出現高速流沖擊的區域可以堆焊或噴焊STL合金，這樣可以抵抗高速流的沖刷，從而延長閥的使用壽命；
（3）閃蒸帶來的破壞不易避免，但可以通過降低沖刷性流體的速度來減小破壞，下一步可以嘗試改變出口結構，使出口段的流道更符合流線型，以期能夠降低高速流的速度，減小高速流區域的面積。
采用CFD分析方法對黑水調節閥內出現的閃蒸現象進行了初步探索，得到了一些基本結論，由于出現閃蒸時介質已變成氣液兩相，因此要得到更準確閃蒸對閥門的影響還需要進行多相流的數值模擬。與本文相關的產品有化工調節閥壓力恢復系數FL