調(diào)節(jié)閥汽蝕現(xiàn)象的分析與控制
  摘要:分析了汽蝕的產(chǎn)生原因和給調(diào)節(jié)閥帶來的影響與危害,介紹了有效防止汽蝕破壞閥門的方法,以延長閥門的使用壽命,閥門的可靠性能。
關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)閥,汽蝕,閃蒸,飽和壓力,壓差
1 　概述
  在很多有水力機械的地方,經(jīng)?？梢钥吹秸{(diào)節(jié)閥、減壓閥等節(jié)流閥的閥瓣和閥座等零件內(nèi)部產(chǎn)生磨痕、深溝及凹坑,這些大多是由汽蝕引起的。汽蝕是一種水力流動現(xiàn)象,這種現(xiàn)象既能引起調(diào)節(jié)閥流通能力kV 減小,又能產(chǎn)生噪音、振動及對設(shè)備的損害,進而嚴重影響閥門的使用性能和壽命。因此控制和降低調(diào)節(jié)閥受汽蝕的影響是閥門設(shè)計和使用時要考慮的問題之一。
2 　汽蝕和閃蒸
  汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達到臨界值時產(chǎn)生的一種破壞形式,分為閃蒸和空化兩個階段。閃蒸是一種非常快速的轉(zhuǎn)變過程,當流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時,由于閥座和閥瓣形成局部收縮的流通面積,產(chǎn)生局部阻力,使流體的壓力和速度發(fā)生變化(見圖1) 。當壓力為P1 的流體流經(jīng)節(jié)流孔時,流速突然急劇增加,靜壓驟然下降,當孔后壓力P2 在達到該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力Pv 前,部分流體汽化成氣體,產(chǎn)生氣泡,形成氣液兩相共存現(xiàn)象,稱為閃蒸階段,可見它是一種系統(tǒng)現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥不能避免閃蒸的產(chǎn)生,除非系統(tǒng)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,升高的壓力壓縮氣泡,使之突然破裂,稱為空化階段。在空化過程中飽和氣泡不再存在,而是迅速爆破變回液態(tài)。由于氣泡的體積大多比相同的液體體積大。所以說,氣泡的爆破是從大體積向小體積的轉(zhuǎn)變?？栈且环N從液態(tài)→飽和→液態(tài)的轉(zhuǎn)變過程,它不同于閃蒸現(xiàn)象。
  汽蝕過程中氣泡破裂時所有的能量集中在破裂點上,產(chǎn)生幾千牛頓的沖擊力,沖擊波的壓力高達2 ×103 MPa ,大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限。同時,局部溫度高達幾千攝氏度,這些過熱點引起的熱應(yīng)力是產(chǎn)生汽蝕破壞作用的主要因素。閃蒸產(chǎn)生侵蝕破壞作用,在零件表面形成光滑的磨痕。汽蝕如同砂子噴在零件表面一樣,將零件表層撕裂,形成粗糙的渣孔般的外表面。在高壓差惡劣條件下,極硬的閥瓣和閥座也會在很短時間內(nèi)遭到破壞,發(fā)生泄漏,影響閥門的使用性能。同時汽蝕過程中,空化時氣泡破裂釋放出巨大的能量,引起內(nèi)部零件的振動,產(chǎn)生高達10 kHz 的噪聲,氣泡越多,噪聲越嚴重。
3 　防止汽蝕破壞的方法
  調(diào)節(jié)閥里的閃蒸是不能預(yù)防的。所能做到的就是防止閃蒸的破壞。在調(diào)節(jié)閥設(shè)計中影響著閃蒸破壞的因素主要有閥門結(jié)構(gòu)、材料性能和系統(tǒng)設(shè)計。對于空化破壞,可以采用曲折路徑、多級減壓和多孔節(jié)流的閥門結(jié)構(gòu)形式予以防止。
1) 閥門結(jié)構(gòu)。
  雖然閥門結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生閃蒸無關(guān),但是卻能抑制閃蒸的破壞。采用介質(zhì)由上至下方向流動的角形閥結(jié)構(gòu)比用球形閥體更能防止閃蒸破壞。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(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心,而不象球形閥一樣直接沖擊體壁,所以大大減弱了閃蒸的破壞力。
2) 材料選擇。
  一般情況下,高硬度的材料更能抵御閃蒸和空化的破壞。硬度高的材料一般用于制造閥體。如電力行業(yè)常選用鉻鉬合金鋼閥門,WC9 是常用抗腐蝕的材料之一。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。
3) 系統(tǒng)設(shè)計。
  閃蒸現(xiàn)象是由系統(tǒng)設(shè)計所決定的,圖2 為加熱排水閥將閃蒸水排向冷凝器的系統(tǒng)。圖2a) 的閃蒸出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥與冷凝器之間的管道里,閃蒸破壞只會出現(xiàn)在這個區(qū)域。圖2b)的閃蒸現(xiàn)象產(chǎn)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,以防止高速度的氣泡沖擊材料表面。因此良好的系統(tǒng)設(shè)計有助于防止閃蒸破壞的發(fā)生。
4) 曲折路徑。
  使流動介質(zhì)通過一個含有曲折路徑的節(jié)流件是減小壓力恢復(fù)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(shè)計的效果基本上是一樣的。這種曲折路徑在各種控制汽蝕現(xiàn)象發(fā)生的部件設(shè)計中都是可以利用的。
5) 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(fù)低,避免了汽蝕的產(chǎn)生。一個成功的設(shè)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,防止液體汽蝕的產(chǎn)生。因此對于相同的壓力降,一級節(jié)流比多級節(jié)流更容易產(chǎn)生汽蝕。
6) 多孔節(jié)流設(shè)計。
  多孔節(jié)流是一種綜合設(shè)計方案。采用特殊的閥座和閥瓣結(jié)構(gòu)形式,使高速液體通過閥座和閥瓣每一點的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓,并采用匯聚噴射的方法,使調(diào)節(jié)閥中液體的動能由于相互摩擦而轉(zhuǎn)換成熱能,從而減少氣泡的形成。另一方面,使氣泡的破裂發(fā)生在套筒中心,避免了對閥座和閥瓣表面的直接破壞。
  每種不同的小孔設(shè)計都影響著閥門的壓力恢復(fù)程度。圖3a)薄形金屬板式結(jié)構(gòu)流通效率差,但壓力恢復(fù)系數(shù)KM 值較高,具有較低的壓力恢復(fù),不易產(chǎn)生汽蝕。圖3b) 厚形金屬板式結(jié)構(gòu)流通能力較高,但壓力恢復(fù)系數(shù)KM 值較低,易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。圖3c) 復(fù)合式結(jié)構(gòu)是前兩種設(shè)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(fù),避免了汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。因此這種設(shè)計是預(yù)防汽蝕很典型的有效方案之一。
4 　結(jié)語
  汽蝕是調(diào)節(jié)閥裝置中為常見的流動現(xiàn)象,但是通過合理的閥門設(shè)計和優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)可以有效地控制汽蝕所帶來的破壞,從而延長閥門的使用壽命,閥門的可靠性能。