調節閥氣蝕與閃蒸控制介紹

中石油建設hy

摘 要：分析了氣蝕和閃蒸給調節閥帶來的影響和危害，介紹了有效防止氣蝕與閃蒸破壞的閥門結構。
關鍵字：氣蝕 閃蒸 飽和壓力 氣蝕系數 壓力恢復系數
1 概述
氣蝕和閃蒸是一種水力流動現象，這種現象既能引起調節閥流通能力Kv減小，又能產生噪聲、振動及對材料的損害。因此控制和降低調節閥受氣蝕和閃蒸的影響是閥門設計時要考慮的問題之一。
2 氣蝕和閃蒸
氣蝕和閃蒸產生的條件不同。閃蒸是一種非常快速的轉變過程，當流動液體的下游壓力低于它的飽和壓力時就會出現閃蒸，因此它是一種系統現象。調節閥能夠避免閃蒸的產生，除非系統條件改變。而當閥門中液體的下游壓力又升回來，且高于飽和壓力時，就會產生氣蝕現象。在氣蝕過程中飽和氣泡不再存在，而是迅速爆破變回液態。由于氣泡的體積大多比相同形式的液體大。所以說，氣泡的爆破是從大體積向小體積的轉變。氣蝕是一種從液態→飽和→液態的轉變過程，它不同于閃蒸現象。正確合理地設計調節閥能夠避免氣蝕的產生。
3 防止閃蒸的閥門設計
在調節閥里閃蒸是不能預防的，所能做到的就是防止閃蒸的破壞。在調節閥設計中影響著閃蒸破壞的因素主要有閥門結構、材料性能和系統設計。

閃蒸破壞是高速度的飽和氣泡沖擊閥體表面，并腐蝕閥體表面造成的。由于角形閥中的介質直接流向閥體內部下游管道的中心，而不是象球形閥一樣直接沖擊體壁，所以大大減少了沖擊閥體體壁的飽和氣泡數量。從而減弱了閃蒸的破壞力。因此在閃蒸破壞出現的情況下，角形閥體設計比球形閥體更為經濟。帶有旋啟式閥瓣的閥門結構（圖2）也是一種有效的防止閃蒸破壞的方法。在閥體內部下游的一側安裝了旋啟式閥瓣，液體的壓力在閥體的下游處降到飽和壓力以下，閃蒸出現在下游管線。在某些情況下，常常采用由一段下游管道承受閃蒸破壞的方法保護閥門。

3.2 材料選擇
一般情況下，硬度較高的材料更能抵御閃蒸和氣蝕的破壞。所以，硬度高的材料常常用于制造閥體。如電力行業常選用鉻鉬合金鋼閥門，WC9是常用抵抗腐蝕的材料之一。如果角形閥下游配裝材料硬度高的管道，其閥體可以選用碳鋼材料，因為僅僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。如果采用球形閥，最好用鉻鉬合金鋼閥體，因為閃蒸出現在閥體內部。
3.3 系統設計
閃蒸現象是由系統設計所決定的。圖3為加熱排水閥將閃蒸水排向冷凝器的系統。圖3（a）的閃蒸出現在調節閥與冷凝器之間的管道里，閃蒸破壞只會出現在這個區域。圖3（b）的閃蒸現象產生在閥門的下游和冷凝器中。所以冷凝器相對于管道來說必須具有更大的容積防止高速度的氣泡沖擊材料表面。因而良好的系統設計能幫助防止閃蒸破壞的發生。

4 防止氣蝕的閥門設計
調節閥的結構影響著自身防止氣蝕產生的能力。其主要的結構形式有曲折路徑、多級減壓、擴大流動區域和多孔節流設計等。
4.1 曲折路徑
使流動介質通過一個含有曲折路徑的節流件是減小壓力恢復的一種方法。盡管這種曲折路徑可以有不同的形式，如小孔、放射狀的流路等。但是每一種設計的效果基本上是一樣的。這種曲折路徑在每種控制氣蝕現象發生的部件設計中都是可以利用的。
4.2 多級減壓
多級減壓中的每一級都消耗一部分能量，使得下一級的入口壓力相對較低，減小了下一級的壓差，壓力恢復低，避免了氣蝕的發生。一個成功的設計可以使閥門在承受較大壓差的同時還能保持縮流后的壓力高于液體的飽和壓力，防止液體氣蝕的產生。因此對于相同的壓力降，一級節流比多級節流更易產生氣蝕。
4.3 擴大流動區域
擴大流動區域與多級減壓的理念是類似的。一般要求每一級節流面積都比前一級的大，第一級節流承受了大部分的壓差，壓力降通過連續節流而逐漸減小。在最后一級節流區域壓降僅占總壓差很小的百分比，所以壓力恢復是很小的。若將每一級設計為相等的節流面積，且為10級節流，那么最后一級所承受的壓差僅占總壓差的10％，因此即使最后一級產生氣蝕現象，它所造成的氣蝕破壞強度也是微小的。
4.4 多孔節流設計
多孔節流是一種綜合設計方案。每種不同的小孔設計都影響著閥門的壓力恢復程度（圖4）。圖4（a）薄形金屬板式結構流通效率最差，但壓力恢復系數Km值較高，具有較低的壓力恢復，不易產生氣蝕。圖4（b）厚形金屬板式結構流通能力較高，但壓力恢復系數Km值較低，具有較高的壓力恢復，易產生氣蝕現象。圖4（c）復合式結構是前2種設計的綜合與平衡，不但有較高的流通能力而且仍能保持較高的Km值，從而具備較低的壓力恢復，避免了氣蝕現象的發生。此設計是流通能力和氣蝕控制應用中最典型有效的方案。

5 結束語
氣蝕和閃蒸是調節閥裝置中最為常見的流動現象。但是通過合理的閥門設計可以防止氣蝕的發生，通過優化閥門結構和合理地選用閥體材料可以控制閃蒸所帶來的破壞。