化工调节阀闪蒸和汽化防护

                   上海申弘阀门有限公司

之前介绍万溯化学扩建自立式减压阀，现在介绍化工调节阀闪蒸和汽化防护通过对管路或设备中流量调节阀可能出现的汽蚀和闪蒸的破坏原因进行理论分析，提出了采用多级节流和选用优材等，防止其破坏的有效措施及方法。在化工生产工艺流程中的管路和设备中，有大量的流体流量调节阀对保证设备的正常运行起着至关重要的作用。它们有多种结构形式，分别适用于不同场合。其主要作用即用于调节流量，以保证设备的稳定运行。它们有操作简单、方便，易于控制等特点，故受到广泛的应用。但也有消耗能量过大、阀门元件易损等缺陷，若设计使用不当，会给生产带来影响。本文主要讨论的是对管路流量调节过大、输送流体温度过高，可能会产生的汽蚀和闪蒸现象以及其对调节阀的破坏及防止方法。

1.化工调节阀闪蒸和汽化防护出现蚀和闪蒸的原因分析
1.1 流体在调节阀中的流动过程
液体在调节阀的流道中的流动过程是极其复杂的，根据连续性方程：
uAp=常数
式中u——截面平均流速，m/s；
A—— 流道截面积，m2；
p—流体介质的密度，kg/m3。
对于不可压缩的流体，p=常数，因此uA=常数，亦即流体的流速和通过该截面的截面积成反比。
同时，又根据伯努利方程式[1]：
式中z——位置标高，m；
p——静压强，Pa；
g—— 重力加速度，kg•m/s2。
忽略管道进出口流体的位置标高差别，如果通过截面时的流速增大，则意味着断面的压力将下降，当流体的压力下降到该温度下的饱和压力Pv时，液体将出现汽化，同时发生汽蚀或闪蒸现象。
由于汽蚀现象和闪蒸现象对设备有较大的破坏力。我们以前仅对离心泵的汽蚀现象研究较多，而对管路中调节阀可能产生的汽蚀和闪蒸现象造成的破坏未引起足够重视，因此研究防止液体在流动过程中产生汽蚀和闪蒸的机理将显得更加重要。
1.2 流体流经调节阀前后的压力变化分析
图1是液体通过调节阀调节窗口（节流孔）的各点的压力变化曲线

假设阀门前后的管径相同，液体在调节阀窗口前、后的相当长的距离内，液体一直处于稳定流动，同时不考虑液体的位能及节流前后的温度变化，则根据连续性的方程，u1=U2。
Pl、p3——入口压力及出口压力
P2——zui小截面处（调节阀窗口）压力
U1、u2——入口流速及出口流量
从图1中看出，当液体通过调节阀窗口时可能有三种工况：
（1）液体通过调节阀窗口时，因液体流速增大，造成压力降低，如图1中的曲线I所示。但P2大于当时液体温度下的相应的饱和压力，在这种工况下，液体通过调节窗口后不会发生汽蚀和闪蒸现象。
（2）当液体通过调节窗口时，液体的压力小于或等于当时液体温度下的相应的饱和压力，如图1中曲线Ⅱ所示。根据汽蚀理论的研究，此时在金属表面某处形成一个稳定的汽蚀区，汽泡在金属表面的不断形成和增长，同时随着流体下移压力回升（即速度能转变为压力能），当该处的液体压力大于当时液体温度下的饱和压力时，则汽泡破裂（凝聚），而汽蚀正是由于这些汽泡的反复破裂所引起的。当汽泡破裂时，周围液体即迅速地填充破裂汽泡的空间，冲入的流体形成高速而冲击金属表面[2]。据美国某研究所测得汽蚀汽泡中心部位的压力高达2.0×103MPa，由于汽泡破裂产生的冲击金属表面，好似微小的高强度锤子反复锤击金属表面，导致表面疲劳。同时，汽泡破裂产生的局部温度也可能达至摄氏几千度，这种高温“过热点”在金属表面的长期累积，引起金属表面撕裂，出现蜂窝状的凹坑，并逐步深入金属本体，脱落下来的小块像饱含气孔的焦炭一样，很容易辨认。
因大部分汽蚀汽泡远离金属表面，汽泡破裂产生的冲击波对金属表面的损坏不大，只有在金属表面产生和增长的汽泡又同时在金属表面破裂或者在接近金属表面破裂，产生的冲击波才会造成设备损坏。
（3）当液体通过调节窗口时，液体的压力降低于当时液体温度下相应的饱和压力，而且阀门后的出口压力仍然低于相应的饱和压力，所以液体通过调节阀窗口后，部分液体即发生汽化，产生两相流，汽泡有时合并、破裂和产生蒸汽，这种过程为闪蒸，如图1中曲线Ⅲ所示。
受闪蒸破坏的金属表面没有蜂窝状的凹坑，而是大块剥落，很易区别。

2.防止汽蚀或闪蒸破坏可采取的措施
2.1 采用多级节流
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀由于化工生产中高压调节阀通常要承受较大的压降，如氨合成塔操作压力高达32 MPa，希望能长期在0～32MPa的压力之间工作而不发生汽蚀破坏和不产生泄漏，这对于单级节流的调节阀来说是极其困难的，由图2的曲线I可见，单级节流的调节阀的压力变化曲线的谷底，通常会低于液体在该温度下的汽化压力，因此汽蚀难以避免。
而采用多级节流后，其总压降虽然大于单级节后的压降，但每一级调节压降较小，如图2中的曲线Ⅱ所示，即把压降分配在几个串联的调节阀上，因而就可避免使调节阀产生汽蚀破坏。

      由式（1）知，提高阀前压力P1，可使阀的阻塞流压差△p增大在阀两端实际压差不变的情况下，当P1提高到使得△P< △P1时忽略△Pc 值），阀后就不会有闪蒸或汽蚀现象产生，但在工程设计中，用提高阀前压力P2的方法往往是不经济的或不允许的，所以有时可从阀门安装位置上想办法。如图2所示，调节阀应安装于管路系统中低位侧。

      b. 多级减压

      在普通调阀中，当调节阀两端压差较大时，为避免闪蒸或汽蚀的发生，可用2个调节阀串联；也可在调节阀后加一块或多块限流孔板来逐级减压，使每一级上的实际压差均小于本级入口压力对应的△p，从而避免闪蒸和汽蚀的产生，这实际上是通过增加管道阻力来提高整个减压系统的能量损耗。

 采用调节阀后加一块或多块限流孔板来逐级减压的方法时，需计算出阀两端压差和每块孔板所能经受的压降，从而得出所需孔板的块数和孔径。其具体方法为：首先计算出调节阀的阻塞流压差△p，并考虑20/0 的安全系数，得到调节阀两端压差为△P=△P×80%。孔板压力按几何级数减压（多级孔板的计算方法），*级孔板减压为△P/2，第二级孔板减压为△p/22，第三级孔板减压为△p/23，……，第n级孔板减压为△p/2n ，直减到末级f孔板后压力为所需压力为止。

      例：将某种液体介质的压力从5MPa减压到0.9 MPa以下，而不允许发生闪蒸或汽蚀现象。假若我们计算出调节阀的阻塞流压差△p=3 MPa，则：△p=2.4MPa。
      *级孔板需减压△p/2=1.2 MPa；
      第二级孔板需减压△p/22=0.6 MPa；
      第二级孔板后压力为0.8MPa。

      第二级孔板后压力满足zui终减压的要求，故选择合理。这样就得出减压需两块限流孔板，然后再根据每块孔板需经受的压差计算孔径。

      多级减压法虽能使调节阀免于汽蚀、闪蒸的产生，但由于阀的压降分配比S值降低，即分配在调节阀上压力降占管系压力降的比例降低，将导致阀容量降低，流量调节范围变窄及阔的流量特性畸变，但若处理适当时，用于减压系统的调节还是可行的。

      c. 材料选择

      闪蒸与汽蚀对阀的损伤是不同的。闪蒸损伤是由于液体中，液相的液滴被高速汽相运载，它们对金属表面的冲击，属于冲刷磨蚀型。被损伤的部件，几何形状均匀减小，具有光滑的外表，除非材质因冲刷剥落才会出现凹痕。

      汽蚀是由汽泡崩溃引起，较闪蒸损伤严重得多主要损伤部位在汽泡崩溃处，被损伤部件的几何形状不是均匀减小，而是表面粗糙呈海绵状孔洞。

      阀芯和阀座在阀内起着截断液体或调节流量的作用，同时也是闪蒸、汽蚀作用的严重损伤部分，要求较阀体更为坚硬的材料。因前仍未找出一种*抗汽蚀的理想材料。

      对于有可能发生闪蒸和汽蚀的调节阀，一般选用硬度高，轫性好的材料，可视工艺条件酌情选择碳素钢，台金钢或不锈钢等。阀杆一般选用不锈钢阀芯和阀座要求选用较阀体更为坚硬的材料，但由于汽蚀产生的冲击力*，任何材料都难于承受，这种方法只能在一定程度上延长阀门的寿命，当然材质的合理选取，还要结合介质的腐蚀性、温度、压力、经济性等因素综台考虑。

 d. 采用调节阀

      防闪蒸与汽蚀的调节阀利用带摩擦的绝热流动原理，减压过程类似液体在很长的管道中流过，因摩擦使压力能转化为热能，从而使压力降低这种阀的流路长而复杂，液体在阀中呈大规模紊流状态，大大增加了摩擦损失减压后的速度较常规阀小得多，且压力回升几乎为零。这种阀的值为0.87~0.96，F1约为1.00。一般说来，这种阀用于高压差液体介质，寿命较常规阀高，还可降低噪音。
I—— 单级节流压力降曲线
II— — 多级节流压力降曲线
2.2 调节阀选用材料制作
除以上汽蚀或闪蒸现象对阀门的损坏外，由于调节阀在高压差下工作，金属与金属之间的“间隙流动”的冲蚀作用也是不可避免的。故调节阀一般可选用表面硬度高并抗气蚀的材料。理想的抗汽蚀材料应具有坚实的和均匀的细晶粒结构、变形能大、抗拉强度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲劳极限和抗腐蚀疲劳极限强度均很高的特性，目前国内外采用4Crl3、钴钨锰钼钒等硬质合金，同时也采用喷涂硬质合金和陶瓷等方法来提高材质的性能，以达到防汽蚀和闪蒸的目的。

2.3 其它方法
还可采用增加阀门窗口后的管道截面；先采用节流孔节流、zui后装调节阀；需加热的流体的流量调节阀尽量设在加热前等方法，因为液体的温度愈高，就愈易产生汽蚀和闪蒸。以上措施均可有效降低或避免汽蚀或闪蒸破坏。
3.小结
调节阀的破坏形式及原因各有不同，本文仅对调节阀的汽蚀和闪蒸破坏的原因做出分析，并提出防止其破坏的措施和方法。但调节阀并不是通用阀，而是根据具体生产中的调节对象所需要的各种不同的工况参数和工艺要求而设计的，因此设计、制造要求也很高。望本文观点能对其设计、制造有所借鉴，以不断地改善调节阀的使用寿命和泄漏率。与本文相关的产品有化工隔膜阀构造原理