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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(lái)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(zhǎng)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(jī)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(dòng)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(dòng)及對(duì)設(shè)備的損害,進(jìn)而嚴(yán)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(jì)和使用時(shí)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(dá)到臨界值時(shí)產(chǎn)生的一種破壞形式,分為閃蒸和空化兩個(gè)階段。閃蒸是一種非?？焖俚霓D(zhuǎn)變過程,當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí),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(dāng)壓力為P1 的流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí),流速突然急劇增加,靜壓驟然下降,當(dāng)孔后壓力P2 在達(dá)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(dāng)閥門中液體的下游壓力又升回來(lái),且高于飽和壓力時(shí),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(shuō),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(shí)所有的能量集中在破裂點(diǎn)上,產(chǎn)生幾千牛頓的沖擊力,沖擊波的壓力高達(dá)2 ×103 MPa ,大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限。同時(shí),局部溫度高達(dá)幾千攝氏度,這些過熱點(diǎn)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(huì)在很短時(shí)間內(nèi)遭到破壞,發(fā)生泄漏,影響閥門的使用性能。同時(shí)汽蝕過程中,空化時(shí)氣泡破裂釋放出巨大的能量,引起內(nèi)部零件的振動(dòng),產(chǎn)生高達(dá)10 kHz 的噪聲,氣泡越多,噪聲越嚴(yán)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。所能做到的是防止閃蒸的破壞。在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)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(jì)。對(duì)于空化破壞,可以采用曲折路徑、多級(jí)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(wú)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(dòng)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?yàn)閮H僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。
3) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
閃蒸現(xiàn)象是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)在這個(gè)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(duì)于管道來(lái)說(shuō)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(jì)有助于防止閃蒸破壞的發(fā)生。
4) 曲折路徑。
使流動(dòng)介質(zhì)通過一個(gè)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(jì)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(jì)中都是可以利用的。
5) 多級(jí)減壓。
多級(jí)減壓中的每一級(jí)都消耗一部分能量,使得下一級(jí)的入口壓力相對(duì)較低,減小了下一級(jí)的壓差,壓力恢復(fù)低,避免了汽蝕的產(chǎn)生。一個(gè)成功的設(shè)計(jì)可以使閥門在承受較大壓差的同時(shí)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(duì)于相同的壓力降,一級(jí)節(jié)流比多級(jí)節(jié)流更容易產(chǎn)生汽蝕。
6) 多孔節(jié)流設(shè)計(jì)。
多孔節(jié)流是一種綜合設(shè)計(jì)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(diǎn)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(dòng)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(duì)閥座和閥瓣表面的直接破壞。
每種不同的小孔設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)是預(yù)防汽蝕很典型的有效方案之一。
4 結(jié)語(yǔ)
汽蝕是調(diào)節(jié)閥裝置中為常見的流動(dòng)現(xiàn)象,但是通過合理的閥門設(shè)計(jì)和優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)可以有效地控制汽蝕所帶來(lái)的破壞,從而延長(zhǎng)閥門的使用壽命,閥門的可靠性能。