化工調(diào)節(jié)閥閃蒸及空化 化工調(diào)節(jié)閥閃蒸 化工調(diào)節(jié)閥空化 化工調(diào)節(jié)閥 調(diào)節(jié)閥空化 化工閥

之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現(xiàn)在介紹化工調(diào)節(jié)閥閃蒸及空化本文詳細論述調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的成因及其對生產(chǎn)所帶來的影響和危害，分別闡述如何通過計算判斷分析調(diào)節(jié)閥是否出現(xiàn)了這3種現(xiàn)象，以及發(fā)生的是其中的哪一種或幾種，并結合實例對其進行判斷分析并提出解決方案。給工程設計人員的閥門選型提供參考。
關鍵詞：調(diào)節(jié)閥；閃蒸；空化；阻塞流；選型
1 化工調(diào)節(jié)閥閃蒸及空化什么是調(diào)節(jié)閥的閃蒸、空化及阻塞流
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動的液體，常常出現(xiàn)閃蒸和空化兩種現(xiàn)象。它們的發(fā)生不但影響口徑 的選擇和計算，而且將導致嚴重的噪聲、振動、材質(zhì)的破壞等，直接影響調(diào)節(jié)閥的使用壽 命。因此在閥門的計算和選擇過程中是不可忽視的問題。
當壓力為p1的液體流經(jīng)節(jié)流孔時，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降，當孔后壓力p2達到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓pv蒸時，對閥芯等材質(zhì)已七成為氣體，形成汽液兩相共存的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為閃蒸。產(chǎn)生閃蒸時，對閥芯等材質(zhì)已開始有侵蝕破壞作用，而且影響液體計算公式的正確性，使計算復雜化。如 果產(chǎn)生閃蒸之后,p2不是保持在飽和蒸汽壓以下，在離開節(jié)流孔之后又急驟上升，這時氣 泡產(chǎn)生破裂并轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這個過程即為空化作用。所以，空化作用是一種兩階段現(xiàn)象， *階段是液體內(nèi)部形成空腔或氣泡，即閃蒸階段；第二階段是這些氣泡的破裂，即空化 階段。 在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動的液體，常常出現(xiàn)閃蒸和空化兩種現(xiàn)象。它們的發(fā)生不但影響口徑的選擇和計算，而且將導致嚴重的噪聲、振動、材質(zhì)的破壞等，直接影響調(diào)節(jié)閥的使用壽命。因此在閥門的計算和選擇過程中是不可忽視的問題。
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(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.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。

圖1 節(jié)流孔后的空化作用
如圖1所示，當壓力為p1的液體流經(jīng)節(jié)流孔時，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降，當孔后壓力p2達到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓pv蒸 時，對閥芯等材質(zhì)已七成為氣體，形成汽液兩相共存的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為閃蒸。產(chǎn)生閃蒸時，對閥芯等材質(zhì)已開始有侵蝕破壞作用，而且影響液體計算公式的正確 性，使計算復雜化。如果產(chǎn)生閃蒸之后,p2不是保持在飽和蒸汽壓以下，在離開節(jié)流孔之后又急驟上升，這時氣泡產(chǎn)生破裂并轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這個過程即為空化作 用。所以，空化作用是一種兩階段現(xiàn)象，*階段是液體內(nèi)部形成空腔或氣泡，即閃蒸階段；第二階段是這些氣泡的破裂，即空化階段。
 
圖1就是一個在節(jié)流孔后產(chǎn)生空化作用的示意圖。許多氣泡集中在節(jié)流孔閥后，自然影響了流量的增加，產(chǎn)生了阻塞情況，因此，閃蒸和空化作用產(chǎn)生的前后的計 算公式必然不同。在產(chǎn)生空化作用時，在縮流處的后面，由于壓力恢復，升高的壓力壓縮氣泡，達到臨界尺寸的氣泡開始變?yōu)闄E圓形，接著，在上游表面開始變平， 然后突然爆裂，所有的能量集中在破裂點上，產(chǎn)生極大的沖擊力。
1.1 不可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象
當不可壓縮流體（通常指液體），通過調(diào)節(jié)閥時，根據(jù)伯努利方程可知，流道變化，截面積越小流速越大，靜壓越低。根據(jù)圖2，當閥前壓力P1一定，而閥后壓力P2逐漸降低時，縮流斷面的壓力Pvc低于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓時，就會產(chǎn)生汽泡出現(xiàn)兩相流，縮流斷面后伴隨著流道截面積的擴大，動壓越來越大，如果閥后壓力不能恢復到飽和蒸汽壓以上，則汽泡不會破裂，并伴隨液體流出調(diào)節(jié)閥，這個過程叫做閃蒸；若P2恢復到飽和蒸汽壓以上，則閥后汽泡破裂，這個過程叫做空化或者汽蝕；如果縮流斷面的壓力Pvc繼續(xù)降低，閥后的氣相將繼續(xù)增加，到某一時刻，流量將達到極限值，此時，無論如何降低閥后壓力都不能增加流量大小，此時的流動狀況稱為阻塞流[1]。
通俗地說，阻塞流就是閥后氣相迅速增加，導致物料體積快速膨脹，在管道管徑的限制下，無法及時流通即為阻塞流。由于閃蒸、空化的這種特點，某些工段工藝會利用閥門的閃蒸和空化來達到霧化或者將物料氣化的目的。
1.2 可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象
氣體在低流速時屬于不可以壓縮流體，其熱力狀態(tài)的變化可以忽略，但在高速流動下（如大于0.3馬赫時），氣體的壓縮效應不能忽略，其熱力狀態(tài)也發(fā)生明顯變化，氣體運動既要滿足流體力學定律，也要滿足熱力學定律。當可壓縮流體通過調(diào)節(jié)閥時，根據(jù)伯努利方程，由于流道的變化，截面積越小流速越大，靜壓越低；但是如果當縮流口已經(jīng)達到臨界流速時，此時伯努利方程不再適用，根據(jù)氣體動力學，此時情況恰恰相反，閥后截面越大，流速越快，氣體膨脹，此時無論閥門兩端壓差怎樣提升，流量也不會改變，而是恒定不變，這種現(xiàn)象稱為可壓縮流體的阻塞流。由于可壓縮流體本身就是氣態(tài)，所以沒有閃蒸和空化現(xiàn)象。
2 閃蒸、空化及阻塞流的危害與處理
2.1 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的危害

閥門的閃蒸、空化zui重要的特點是流體伴隨著兩相流，而氣泡在發(fā)生破裂或者向內(nèi)爆炸的瞬間，氣泡原來占據(jù)的空間就會形成高真空空穴，液相在這種差壓作用下，以*的速度填充氣泡原來的空間，形成具有沖擊力的微噴射和壓力波，而閥門的流道往往不會是直通的，由于這種閥芯的阻擋，很多沒有來得及溶解、凝結和破裂的氣泡，在撞擊的作用下，變成更多的小氣泡，這些氣泡在閥門的流路和閥內(nèi)件表面被壓縮、凝結和破裂，并產(chǎn)生一種砂石流過閥門的噪聲，這種周而復始的能量釋放，猶如水滴石穿，會慢慢撕裂材料或者造成材料的剝落。閃蒸破壞的特點是受沖刷表面有平滑拋光的外形，而空化則會造成流道或者閥內(nèi)件類似于煤渣的粗糙表面。阻塞流工況下常常伴隨高噪音，在現(xiàn)實工況環(huán)境下，還往往伴隨著流體的腐蝕作用，這種多重作用下的損害往往比單一作用產(chǎn)生的危害更加*[2,3]。

閃蒸和汽蝕現(xiàn)象可能出現(xiàn)阻塞流，而當閥門出現(xiàn)阻塞流的情況下，肯定伴隨著閥門的閃蒸，如果閥后壓力高于入口溫度下的飽和蒸汽壓，還會出現(xiàn)空化。閥門的閃蒸、空化產(chǎn)生噪音的物理過程中也會引起振動，如果閥門安裝位置、零部件固定等對振動敏感的因素比較突出，那么在這種現(xiàn)場劇烈的地方可能會對閥門產(chǎn)生嚴重的影響，甚至引發(fā)安全事故。由圖1可以清楚地看到，在閥門的選型計算中，如果不考慮阻塞流的情況，那么計算出來的流量與情況將嚴重不符，這將直接導致選型不準。所以對閥門的閃蒸、空化及阻塞流的判斷分析，并采取適當?shù)拇胧﹣頊p小和排除它們的危害對于工程設計至關重要。與本文相關的產(chǎn)品有化工調(diào)節(jié)閥壓力恢復系數(shù)FL