化工調節閥閃蒸和汽化防護

                   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，現在介紹化工調節閥閃蒸和汽化防護通過對管路或設備中流量調節閥可能出現的汽蝕和閃蒸的破壞原因進行理論分析，提出了采用多級節流和選用優材等，防止其破壞的有效措施及方法。在化工生產工藝流程中的管路和設備中，有大量的流體流量調節閥對保證設備的正常運行起著至關重要的作用。它們有多種結構形式，分別適用于不同場合。其主要作用即用于調節流量，以保證設備的穩定運行。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，會給生產帶來影響。本文主要討論的是對管路流量調節過大、輸送流體溫度過高，可能會產生的汽蝕和閃蒸現象以及其對調節閥的破壞及防止方法。

1.化工調節閥閃蒸和汽化防護出現蝕和閃蒸的原因分析
1.1 流體在調節閥中的流動過程
液體在調節閥的流道中的流動過程是極其復雜的，根據連續性方程：
uAp=常數
式中u——截面平均流速，m/s；
A—— 流道截面積，m2；
p—流體介質的密度，kg/m3。
對于不可壓縮的流體，p=常數，因此uA=常數，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，液體將出現汽化，同時發生汽蝕或閃蒸現象。
由于汽蝕現象和閃蒸現象對設備有較大的破壞力。我們以前僅對離心泵的汽蝕現象研究較多，而對管路中調節閥可能產生的汽蝕和閃蒸現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生汽蝕和閃蒸的機理將顯得更加重要。
1.2 流體流經調節閥前后的壓力變化分析
圖1是液體通過調節閥調節窗口（節流孔）的各點的壓力變化曲線

假設閥門前后的管徑相同，液體在調節閥窗口前、后的相當長的距離內，液體一直處于穩定流動，同時不考慮液體的位能及節流前后的溫度變化，則根據連續性的方程，u1=U2。
Pl、p3——入口壓力及出口壓力
P2——zui小截面處（調節閥窗口）壓力
U1、u2——入口流速及出口流量
從圖1中看出，當液體通過調節閥窗口時可能有三種工況：
（1）液體通過調節閥窗口時，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，液體通過調節窗口后不會發生汽蝕和閃蒸現象。
（2）當液體通過調節窗口時，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。根據汽蝕理論的研究，此時在金屬表面某處形成一個穩定的汽蝕區，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（即速度能轉變為壓力能），當該處的液體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，汽泡破裂產生的沖擊波對金屬表面的損壞不大，只有在金屬表面產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，產生的沖擊波才會造成設備損壞。
（3）當液體通過調節窗口時，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，所以液體通過調節閥窗口后，部分液體即發生汽化，產生兩相流，汽泡有時合并、破裂和產生蒸汽，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，很易區別。

2.防止汽蝕或閃蒸破壞可采取的措施
2.1 采用多級節流
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中高壓調節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生汽蝕破壞和不產生泄漏，這對于單級節流的調節閥來說是極其困難的，由圖2的曲線I可見，單級節流的調節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。
而采用多級節流后，其總壓降雖然大于單級節后的壓降，但每一級調節壓降較小，如圖2中的曲線Ⅱ所示，即把壓降分配在幾個串聯的調節閥上，因而就可避免使調節閥產生汽蝕破壞。

      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象產生，但在工程設計中，用提高閥前壓力P2的方法往往是不經濟的或不允許的，所以有時可從閥門安裝位置上想辦法。如圖2所示，調節閥應安裝于管路系統中低位側。

      b. 多級減壓

      在普通調閥中，當調節閥兩端壓差較大時，為避免閃蒸或汽蝕的發生，可用2個調節閥串聯；也可在調節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生，這實際上是通過增加管道阻力來提高整個減壓系統的能量損耗。

 采用調節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受的壓降，從而得出所需孔板的塊數和孔徑。其具體方法為：首先計算出調節閥的阻塞流壓差△p，并考慮20/0 的安全系數，得到調節閥兩端壓差為△P=△P×80%。孔板壓力按幾何級數減壓（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：將某種液體介質的壓力從5MPa減壓到0.9 MPa以下，而不允許發生閃蒸或汽蝕現象。假若我們計算出調節閥的阻塞流壓差△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，然后再根據每塊孔板需經受的壓差計算孔徑。

      多級減壓法雖能使調節閥免于汽蝕、閃蒸的產生，但由于閥的壓降分配比S值降低，即分配在調節閥上壓力降占管系壓力降的比例降低，將導致閥容量降低，流量調節范圍變窄及闊的流量特性畸變，但若處理適當時，用于減壓系統的調節還是可行的。

      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，除非材質因沖刷剝落才會出現凹痕。

      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。

      閥芯和閥座在閥內起著截斷液體或調節流量的作用，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。

      對于有可能發生閃蒸和汽蝕的調節閥，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，當然材質的合理選取，還要結合介質的腐蝕性、溫度、壓力、經濟性等因素綜臺考慮。

 d. 采用調節閥

      防閃蒸與汽蝕的調節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，液體在閥中呈大規模紊流狀態，大大增加了摩擦損失減壓后的速度較常規閥小得多，且壓力回升幾乎為零。這種閥的值為0.87~0.96，F1約為1.00。一般說來，這種閥用于高壓差液體介質，壽命較常規閥高，還可降低噪音。
I—— 單級節流壓力降曲線
II— — 多級節流壓力降曲線
2.2 調節閥選用材料制作
除以上汽蝕或閃蒸現象對閥門的損壞外，由于調節閥在高壓差下工作，金屬與金屬之間的“間隙流動”的沖蝕作用也是不可避免的。故調節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構、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，目前國內外采用4Crl3、鈷鎢錳鉬釩等硬質合金，同時也采用噴涂硬質合金和陶瓷等方法來提高材質的性能，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；先采用節流孔節流、zui后裝調節閥；需加熱的流體的流量調節閥盡量設在加熱前等方法，因為液體的溫度愈高，就愈易產生汽蝕和閃蒸。以上措施均可有效降低或避免汽蝕或閃蒸破壞。
3.小結
調節閥的破壞形式及原因各有不同，本文僅對調節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。但調節閥并不是通用閥，而是根據具體生產中的調節對象所需要的各種不同的工況參數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，以不斷地改善調節閥的使用壽命和泄漏率。與本文相關的產品有化工隔膜閥構造原理