高差壓減壓閥防空化解決方案

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之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項，現在介紹高差壓減壓閥防空化解決方案什么是空化？
    高壓差調節閥高速氣-液-粒三相流傳輸引起的閥芯嚴重空蝕和沖蝕磨損問題,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、隨機軌道模型和沖蝕磨損模型,空化是流體通過閥節流時，從縮流斷面的靜壓降低到等于或低于該流體在閥入口溫度下的飽和蒸汽壓時，部分液體汽化形成氣泡，繼而靜壓又恢復到飽和蒸汽壓，氣泡潰裂恢復為液相的現象。這種氣泡產生和破裂的全過程稱為空化( cav．tan。n)。氣蝕是空化作用對材料的侵蝕。空化或汽蝕的發生對控制閥閥芯產生嚴重的沖刷破壞，沖刷發生在流速大處，通7曾在閥芯和閥座環接觸處或附近。由于氣泡破裂，釋放能量，它不僅發生類似流砂流過閥門的爆裂噪聲，而且釋放的能量沖刷閥芯表面，并波及下游管道，與閃蒸沖刷不同，汽蝕沖刷使閥芯及下游管道呈現類似煤渣的粗糙表面。煤液化技術可實現煤的清潔、利用和石油替代,是緩解我國能源危機的有效途徑,被列入國家能源中發展戰略。熱高分調節閥是煤液化系統的核心設備,主要用于高溫高壓實際生產中，調節閥壓力降較高時會出現許多問題，例如空化、高噪聲水平和振動等。這些問題帶來的直接影響是對閥體和閥芯的磨損及空化的損傷。

高差壓減壓閥防空化解決方案調節閥空化損壞分析

本論文的主要研究內容和結論如下： 

（1）構建了單個空泡變形、潰滅的數值求解模型，得到了空泡的潰滅過程及流場中壓力、速度、溫度的變化情況。空泡在壁面潰滅時，壁面承受的大壓力和高溫度隨初始半徑的增加而增大。 

（2）采用本文建立的空化求解模型和煤液化減壓閥的實際運行參數，計算得到了不同開度下減壓閥內的三維空化流場。隨著開度的增加，閥芯頭部附近的回流區域和回流速度均減小，且閥芯表面的空化程度降低。 

（3）基于控制減壓程度抑制空化的思想，數值預測了出口壓力增大和進口壓力減小時減壓閥內部的空化流動情況，提出采用兩個減壓閥串聯安裝進行分級減壓，且*級閥門的出口壓力控制在7.5~5MPa左右的運行優化措施。 本文的創新性研究在于：

（1）建立了考慮氣液兩相的粘性、可壓縮性、熱力學性質等因素的空泡潰滅數值計算模型，得到了空泡潰滅的過程以及壁面中心點的壓力、溫度隨時間的變化關系；

（2）構建了減壓閥三維空化流動的數值預測方法，結合減壓閥的實際參數，完成了減壓閥內部的空化流場分析，并對閥頭的空蝕進行了原因分析； 

1.1 空化損壞分析
液體介質在高差壓下會產生空化，空化產生于液態區的氣泡，生成氣泡的必要條件是液態所處的壓力低于該液體飽和蒸汽壓力Pv。閥座相當于節流孔板，高壓流體流經節流孔時，靜壓能與動壓能相互轉換，流速的增加導致壓力降低，見圖1。

圖1 產生空化的流動曲線
由圖1可知，當壓力降低至等于或低于該流體在入口溫度下的氣化壓力Pv時，液體中的氣核即膨脹形成氣泡，帶有氣泡的液體在寬敞的下游流道中流速下降，壓力回升。當壓力回升至Pv或高于Pv時，氣泡破裂，此時將釋放出巨大的能量，對閥座、閥芯等閥內件產生破壞，即空蝕。它的特點在于液體—蒸汽—液體的過程全部是在調節閥的小面積內并在微秒時間內進行的。空化的破壞力很大，氣泡破裂的瞬時壓力高達300MPa，現有的工程材料難以抵抗其空蝕。對于不銹鋼等塑性材料，在空化作用下，將產生麻點腐蝕直至呈現蜂窩狀空洞損壞；而對于硬質合金等脆性材料則產生碎塊損壞。同時，氣泡破裂時所釋放的能量使操作人員很容易聽到像是來自于調節閥或下游管線的噪聲，并伴有強烈的振動，而終導致調節閥內件的疲勞損壞。
1.2 產生空化的條件
空化的產生必須具備5個條件：
(1)調節閥上游、下游(或調節閥內件處)的流體必須是液體；
(2)當流體進入調節閥或在調節閥下游由壓力降產生殘余蒸汽時，液體必須達到飽和狀態；
(3)閥座處的壓力降必須下降到高壓流體的蒸汽壓力之下；
(4)調節閥出口壓力必須恢復到液體蒸汽壓力水平；
(5)液體必須含有某些夾帶氣體或雜質，在形成氣泡中它起到氣核的作用。
1.3 堵塞物流
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,水減壓閥當調節閥下游壓力下降時，產生大的壓力差，此時出現初期空化，而增加了流體比容。當流量增加到一定程度時，發生堵塞物流，除非操作改變之外流速不再增加。流量Q和壓力降的平方根之間呈直線關系，見圖2。

圖2 流量對壓差的流動曲線
1.4 空化與汽蝕
空化或空蝕，即通常所說的汽蝕。它是漸變的破壞過程。當高壓流體流經調節閥的節流孔后，其出口壓力P2等于或高于該液體的汽化壓力Pv時，氣泡破裂所釋放出巨大的空化量，才對節流組件產生破壞，即空蝕。如果出口壓力P2低于該液體的汽化壓力Pv時，在節流降壓過程中，所產生的氣泡就不會破裂，而是夾在液體中成為“二相流”，即所謂的“閃蒸”流動，閃蒸流動一般不會對閥內件產生破壞，但會產生堵塞物流。而使調節閥流量減小，與此同時還會產生強烈的噪聲和振動，該噪聲為空化噪聲。所以空蝕或汽蝕僅僅是空化作用的結果之一。防空化即是防止流體在節流過程中產生氣泡，使其不產生氣泡，當然也就不會有汽蝕，更不會產生閃蒸流動和堵塞物流。這和防汽蝕是不同的，防汽蝕是指氣泡產生了，但不讓其對閥內件產生空蝕。由于空化能很高，只有在壓差較低的情況下，選用適當材料，也只能延緩空蝕，而不能有效抵抗空蝕。因此，防空化是治本，而防汽蝕則是治標。
2 高差壓調節閥防空化解決方案
大慶石化儀表安裝公司在多年調節閥維修及制造過程中，積累了許多寶貴經驗，認為防空化解決方案的關鍵是如何改變流體在調節閥內的流動狀態，使高壓流體在節流降壓過程中不產生空化。因此核心應為閥內件的結構。
2.1 建立數學模型
通過多級降壓的結構可以改變流體在調節閥內的流動狀態，見圖3。

圖3 迷宮式曲折通道示意
從圖3可以看出，由于采用了迷宮式的曲折通道，降低了通過調節閥的總流速，因此減少了壓力恢復。當流體通過閥芯運動時，迷宮式的曲折通道產生高的和低的壓力渦，并產生相當大的摩擦損失。迷宮式的曲折通道采用一系列的直角轉角，以獲得摩擦損失和較低的流速。
確定轉角的數量是迷宮式的曲折通道結構設計的關鍵，因為它決定了總速度頭損失和其它結構尺寸。在尺寸確定時，還需進行流動曲線空化指數Kc、調節閥空化指數σ、Ks系數等的計算，由此可確定出在某一工況下的防空化閥內件的尺寸。
2.2 結構特點
調節閥防空化解決方案的關鍵技術是節流組件(閥內件)。根據防空化的原理，采用徑向多級降壓分流的迷宮式曲折通道集成塊，由若干件圓環，按一定規律疊加成節流組件集成塊。將調節閥的全開度分為若干組相互獨立的空間，在其每個獨立空間均設有徑向流道。調節閥工作時，各開度的高壓流體進入節流組件集成塊后，分別在各自的獨立空間內進行多級降壓節流、緩沖膨脹、轉變折流，它們之間各行其道，互不干擾。因此各開度的高壓流體，從節流組件集成塊入口到出口，其壓力和壓差均按一定規律逐步降低，從而達到有效防止空化與空蝕的目的。
根據不同的工況條件，可以將節流組件制造成全迷宮式曲折通道集成塊，或迷宮式曲折通道集成塊與單級節流窗口相結合的組合式節流組件。這種結構適用于鍋爐給水調節閥等變差壓工作場合，或對流通能力要求較大的場合。 美國Masoneilan公司生產的不同類型調節閥的Cf、Kc值見表12—5。 為防止空化產生，首先要保證滿足不產生空化的設計條件；其次可選擇防空化的多級降壓閥(如78000系列)；可變流阻閥(VRT)。還可選擇防止空蝕的材料制造的閥門(如表12—6)、適應改變操作條件等方法來防止空蝕現象。 為防止空化作用，一般設計調節閥開度不能小于10％。要進行調節閥流通能力的開度驗算，不讓閥的工況滿足式(12—53)的條件。煤液化減壓閥是煤直接液化系統的關鍵設備，用于高壓分離器的液位調節和反應產物的節流降壓。該減壓閥的運行工況具有溫度高、壓差大、含固量高的特點，存在嚴重的空化、空蝕和沖蝕磨損。減壓閥的材料升級和表面硬化處理可在一定程度上提高其耐磨損性能，但不足以抵抗嚴重的空蝕。了解減壓閥的內部流動是分析其失效并進行優化的重要途徑之一，但實驗研究受限于苛刻的實際運行工況而無法開展。因此，開展煤液化減壓閥的空蝕機理和空化流動的數值預測方法研究，對于減壓閥的空化流場預測及相關優化具有重要意義。 本文基于壁面附近單個空泡潰滅的動力學研究，得到了空泡潰滅的過程及壁面所承受的壓力、溫度等與空蝕相關的參數；在空蝕機理分析的基礎上，根據流體控制方程、湍流模型、空化模型等計算流體力學方法，結合煤液化減壓閥的實際結構、運行工況等參數，構建了減壓閥三維空化流動的數值預測方法，分析了減壓閥內部的空化流動，并提出了運行優化措施。
這是因為調節閥在變差壓工況下運行存在2個問題，(1)空化問題；(2)流量特性畸變問題。這就要求調節閥必須具備適應變差壓特點的流阻結構和對流量特性的補償能力。同時由于宮式曲折通道集成塊的結構特點決定了，在公稱通徑相同的前提下，采用迷宮式曲折通道集成塊的調節閥其Cv值要比普通結構的調節閥略低。
僅僅改變節流組件的結構，還不能*消除空化，因為高壓流體在迷宮式曲折通道集成塊內，只要有極微小的泄漏或串流，就會造成高低壓空間相互串通，從而破壞各開度流體之間的節流降壓規律，引起空化與空蝕，還可通常使流量特性產生畸變，降低調節精度。這就要求迷宮式曲折通道集成塊的相鄰圓環之間必須保持嚴密性，這在技術上具有一定的難度。將圓環加工好后，通過特種工藝技術，將若干圓環疊加成一個不可分割的整體。

1-96控制閥的直線流量特性表達式是如何推導的？
    直線流量特性是指控制閥的相對流量與相對位移成宣線關系，即單位位移的變化引起的流量變化是常數，用數學表達式表示：
    當液體通過調節閥時，在調節閥的節流作用下便會產生壓力降。在流束小截面處(參見圖12—49、圖12—50)(vena contracta，VC)，流速快，而靜壓卻小。當該處壓力Pc低于該液體的氣化壓力Pv時，則有部分液體閃蒸成為氣泡。流體經過調節閥后，其壓力有所恢復。若恢復后的壓力P2仍低于該液體的氣化壓力Pv時，則會有部分液體氣化，這種現象稱為閃蒸(flash)。 圖12—49  閃蒸狀態壓力分布曲線  VC為調節閥流束小截面處   閃蒸作用產生的氣泡對閥芯、閥座、閥體均無嚴重的損傷，但當恢復后壓力P2>P1時，必然會使上述氣泡被壓破，并爆發出*的爆破力。調節閥的金屬表面在反復不斷地受到該沖擊力作用后，會產生疲勞而形成剝落、空洞，這就是空化現象，也稱空蝕現象。 
 
圖12—50  空化狀態壓力分布曲線 VC為調節閥流束小截面處   空化現象的爆破力足以使閥內部件(特別是閥芯)遭到極其嚴重的破壞，嚴重的空化作用只需幾小時調節閥就損壞了，以致于調節過程失控，產生重大安全事故。因此，在進行控制工程設計時，應充分考慮到防止空化現象的出現。特別對高壓力降工況、低揮發性介質控制的場合，在防止空化作用方面要給予足夠的重視。實驗證明，調節閥容量曲線折點和空化開始點相一致。當調節閥發生空化現象時，閥內的壓力降叫做是臨界壓力降△Pc。若實際壓力降△P>△Pc，且閥出口壓力P2又高于該液體的氣化壓力Pv，則必然產生空化現象。對不可壓縮的流體而言，空化臨界流量條件是： 
△P≥Cf(△Ps)             
式中，Cf是臨界流量系數，其數學式為 對于不允許產生空化的調節閥而言，用初始空化系數Kc代替臨界流量系數Cf的平方值，則防止空化的條件為： 
△P初始空化＝Kc△Ps  
當Pv<0．5P1時，△Ps＝P1—Pv；故判斷產生空化的數學式為： 

3 結束語
高壓水調節閥、鍋爐給水調節閥，都存在嚴重的空化損壞問題，而影響裝置的長周期運行。由于這些調節閥對流通能力要求較大，故采用迷宮式曲折通道集成塊與單級節流窗口相結合的組合式節流組件型式，將20%以下開度采用迷宮式曲折通道集成塊結構，20%~99%開度為單級節流窗口(即套筒)結構，這樣當調節閥在小于或等于20%的小開度下工作時，由于流體進入迷宮式曲折通道集成塊進行節流降壓，雖然壓差很高，但依然不會產生空化；將調節閥處在20%~99%開度時，流體基本上由套筒的窗口控制，屬于單級節流，所產生的流阻壓降遠比多級迷宮式曲折通道集成塊小，能夠滿足其對大流量的要求。經過多年現場應用考核，防空化效果明顯。

基于控制減壓程度抑制空化的思想，提出采用兩個減壓閥串聯安裝進行分級減壓，且*個閥門的出口壓力控制在7.5~5MPa左右的運行優化措施。與本產品相關論文：波紋管減壓閥波紋管材料