化工调节阀闪蒸的防护措施 调节阀闪蒸的防护措施 化工调节阀闪蒸 化工阀闪蒸的防护施

之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍化工调节阀闪蒸的防护措施气化炉底到高压闪蒸罐及洗涤塔底部到高压闪蒸罐设置黑水调节阀多台。这些调节阀工作温度较高、压降大、灰渣含量也zui高，应能够耐受通过阀门压力降引起的高流速，还要耐受闪蒸溶解汽的汽蚀、水的汽化和煤灰颗粒引起的腐蚀及磨蚀。尤其是在*级闪蒸，黑水从高压经过闪蒸阀直接降到中低压，由于闪蒸出大量工艺蒸汽，物料流过闪蒸阀节流元件的速度非常高，导致阀内件磨损严重，阀门的使用寿命大大降低。因此，针对这类阀门内部的流场进行CFD数值模拟分析，得到可视化的结果，找出其闪蒸、空化的区域对改进设计结构，提高使用寿命至关重要。
1化工调节阀闪蒸的防护措施结构简介
黑水调节阀多为角阀，广泛适用于控制高黏度介质、含有颗粒的流体和泥浆及闪蒸流体等。本文选取DN150，PN11.0的黑水调节阀为研究对象，其三维结构如图1所示。从图1可以看出，该型号黑水调节阀主要有阀体、阀盖、阀杆、阀头、阀座段和扩散段组成。工作时，介质从入口流入，流经阀头与阀座之间形成的节流口，再依次经过阀座段和扩散段后流出，通过阀杆的上、下移动改变阀头与阀座之间的相对位置从而改变流量。

图1 DN150，PN11.0黑水调节阀三维结构简图   调节阀是自控系统中的终端现场调节仪表。它安装在工艺管道上，调节介质的流量，按设定要求控制工艺参数。调节阀直接接触高温、高压、深冷、腐蚀等工艺流体介质，因而是zui容易被腐蚀、冲蚀、气蚀、老化、损坏的仪表，往往给生产过程的控制造成困难。尤其是在液体工况下，如果调节阀上的压差ΔP（P1－P2）大于zui大允许计算压力降ΔPmax，那么就会产生闪蒸或气蚀，这种现象会引起调节阀或相邻管道结构上的损坏，同时还可能引起整个系统的振动和噪音，严重影响调节阀的使用寿命和整个自控系统的性，给装置生产带来极大的隐患。

2数值模拟
2.1 建模
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀分别建立该型号黑水调节阀开度分别为30%、60%时的流道模型，并划分网格，其中开度为30%的流道模型如图2所示。为使流动更充分，出、入口分别延长300mm。
闪蒸和气蚀是一个物理现象名词，因为它描述了流体介质在形式上的实际变化。这种变化是从液态变为气态，由于通常是在阀座口的zui大流道缩径处或其下游的流体速度的增加而引起的。随着流体通过缩径，流束会变细或收缩。流束的zui小横断面出现在实际缩径的下游被称为缩流断面处，如图1所示。

图1 缩流断面示意图
    为维持流体稳定地流过调节阀，在截面zui小的缩流断面处，流速是zui大的。流速（或动能）的增加伴随着缩流断面处压力（或势能）大大的降低。再往下游，随着流束扩展进入更大的区域，流速下降，压力增加；但下游压力不会*恢复到与调节阀上游相等的压力，调节阀两侧的压差ΔP表示阀门中消耗的能量。图2为高压力恢复和低压力恢复调节阀的压力变化曲线，反映了由于较大的内部紊流和能量消耗，一个流线型高压力恢复调节阀如球阀与一个低压力恢复调节阀的不同性能。

图2 阀门打开30%时的流道三维模型
2.2 数值计算
将GAMBIT导出的网格文件读入FLUENT后，选择求解器，求解方程及模型（选用k－ε标准湍流模型）。根据表1提供的计算条件设置流体物性及进出口的边界条件，进行流场初始化，设定控制参数及定义迭代次数后就可以进行求解。
表1 计算条件

2.3 数值模拟结果分析
由于该黑水调节阀的固有流量特性为等百分比，主要工作区间为开度为10%～90%，选取30%和60%两个开度进行计算并分析。
1）开度为30%时的流场特性
从图3压力云图可以看出，节流口前及节流口后的区域压力分布均匀，不存在压力陡升的区域，节流口处压力骤降，出现一小段负压区，节流口后压力慢慢回升，但至出口始终没有超过介质的饱和蒸汽压力，故从节流口到出口这段区域的压力都小于介质的饱和蒸汽压力，因此该段出现闪蒸现象，该阀门能够实现通过闪蒸将介质压力降下来的功能。

图3 30%开度时节流口处压力云图
由于出现了闪蒸，流动的液体变成有气泡存在的气、液两相的混合体，两相介质的减速和膨胀作用会形成噪声。
从图4速度矢量图可以看出，30%开度下，阀门内的流动比较平稳，节流口前后速度较为均匀。

图4 30%开度时节流口处速度矢量图
闪蒸对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏，冲刷zui严重的地方一般是在流速zui高处。从图4～图6可以清楚看出在节流口处出现高速区，应尽量将这些表面硬化，来抵抗高速流的冲刷。
从图5可以看出，过节流口后有涡流产生，这是因为节流口处的空间不规则，高速射流状态下引起了流动速度的不均匀，旋涡的出现会使零件受力不平衡，产生振动。

图5 30%开度时z=0局部速度矢量图

图6 30%开度时z=0、x=0局部速度矢量图
2）开度为60%时的流场特性
从图7压力云图可以看出，60%开度下与前面所述30%开度下的压力分布相似，不过60%开度时节流口处的负压区比30%时扩大了。

图7 60%开度时节流口处压力云图
从图8速度矢量图可以看出，60%开度下过节流口后的高速区域比30%时有所扩大，这与上面的压力对比是对应的。通过与其他开度下的速度矢量图对比，发现随着开度的增大，过节流口后的高速区域也增大。

图8 60%开度时节流口处速度矢量图
从图9两个截面的速度矢量图可以看出，过节流口后仍然有涡流出现。
闪蒸和气蚀现象的防护措施
    3.1 闪蒸的防护措施
    闪蒸的产生是因为Pvc＜Pv且P2＜Pv。闪蒸不能由调节阀直接控制。这意味着对任何调节阀来说都无法防止闪蒸。闪蒸不能靠调节阀来避免，的办法是选用合适的几何形状和材料的调节阀来避免或尽量减小破坏。
    1）防止或减少液滴或气泡冲击阀体表面。选择流体方向改变尽可能少的阀门，以使液滴或气泡冲击数量减到zui小。直行程角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心，而不是直接冲击阀体内壁，所以大大减少了冲击阀体内壁的饱和气泡数量，从而减弱了闪蒸的破坏力。一些旋转阀如偏心旋转球塞阀和V形球阀也提供直通式流道。
    2）将受冲刷的表面尽可能硬化。对于流体肯定会冲击阀门内表面的区域，如阀座表面，尽可能选择较硬的材料。但能够长时间抵御闪蒸冲刷的材料很少，且价格昂贵，国内外常用的材料为司太莱合金（含钴、铬、钨的合金，45HRC）、硬化工具钢（60HRC）和钨碳钢（70HRC）等。但硬度高的材料加工成型成本高，而且易脆裂。一般常用的方法是在不锈钢基体上进行堆焊或喷焊司太莱合金，形成硬化表面。当硬化表面出现损伤后，可以进行二次堆焊或喷焊，这样既能增加设备的使用寿命，又减少了维修费用。
    3）降低流体冲刷速度。在阀的下游加扩展式流通区域的阀门也是有效的，这样会大大减小冲刷速度。
    4）既有闪蒸又有腐蚀性的流体比较麻烦。在这种情况下，流体会使阀门腐蚀，而闪蒸会冲刷由腐蚀产生的软性氧化层，这种综合作用比两种机理单独产生的破坏要大。在这种情况下，选择一种低合金钢以防止腐蚀是基本的解决方案。
图9 60%开度时z=0、x=0局部速度矢量图

3结论
（1）通过数值模拟得到了黑水调节阀的流场特性，根据流场特性可以判断阀门内部出现闪蒸的区域；
（2）根据数值模拟结果，在出现高速流冲击的区域可以堆焊或喷焊STL合金，这样可以抵抗高速流的冲刷，从而延长阀的使用寿命；
（3）闪蒸带来的破坏不易避免，但可以通过降低冲刷性流体的速度来减小破坏，下一步可以尝试改变出口结构，使出口段的流道更符合流线型，以期能够降低高速流的速度，减小高速流区域的面积。
采用CFD分析方法对黑水调节阀内出现的闪蒸现象进行了初步探索，得到了一些基本结论，由于出现闪蒸时介质已变成气液两相，因此要得到更准确闪蒸对阀门的影响还需要进行多相流的数值模拟。与本文相关的产品有化工调节阀压力恢复系数FL