壓力調節閥空化現象

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用，現在介紹實際生產中，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。調節閥空化損壞分析本文主要分析了空化現象的形成機理，空化現象對閥門和管路的破壞作用，以及空化現象所帶來的噪音問題，同時也探究了在實際應用條件下，對于空化現象產生破壞的預估和防治方法。
關鍵字：控制閥 控制閥 空化現象 腐蝕 磨蝕 噪音工業中的過程控制是指以溫度、壓力、流量等工藝參數作為被控變量的自動控制。控制閥是過程控制中獲得優異性的關鍵元器件。但由于高壓的存在，常使控制閥出現沖刷、閃蒸和空化的現象，這不但影響控制閥的選擇計算，還會引起噪音、振動和材質的損壞，大大縮短控制閥的使用壽命，使其可靠性降低，進而引起工藝系統裝置的生產效率大幅度下降，嚴重時可能導致整個過程控制系統*癱瘓，因此這是一個不可忽視的問題。本文將著重分析空化現象的形成機理，空化現象對閥門和管路的破壞作用，以及空化現象所帶來的噪音問題。

1 空化現象的產生
空化現象是在流體介質為液體的情況下產生的一種現象。本文通過一個簡單的流道孔板模型來展示流體通過控制閥時產生的壓力和速度的變化，并借此來闡述控制閥內產生的空化現象的原因。見圖1。

圖1 空化現象的發生
由圖1可知，流道面積在孔板處的減小會引起流體速度的增加，并且由流體的機械能守恒（伯努利方程）可知，其會導致相應的流體壓力降低。壓力會在流束小截面處（VenaContracta，VC）降到低，其中，流束小截面的位置會發生在靠近孔板的下游處。當閥門流束小截面處的壓力Pvc低于液體氣化壓力Pv，并且閥門下游壓力P2高于Pv時，空化現象就產生了。
空化產生分為兩個階段。首先，當流體壓力減小到低于液體氣化壓力時，氣泡會在流體內形成。然后，流體壓力在通過流束小截面后會恢復到高于液體氣化壓力，這就會造成氣泡的破裂。氣泡的破裂可以是噴射形式或是球狀形式的，兩者都會引起壓力的巨幅震動。見圖2。

圖2 和氣泡破裂的類型
如果氣泡很靠近或者緊貼著管壁，破裂會以噴射的形態產生，并且會瞬間造成大約104MPa大小的壓力震動。當氣泡遠離管壁時，球狀破裂會在流體內部產生，并造成大約103MPa大小的瞬間壓力震動。如果氣泡破裂時很靠近管壁，噴射流和破裂所引起的震動波就會造成管壁材料的屈服和破損。有空化現象破壞的管壁表面通常是粗糙并且松軟的。
空化現象引起的機械破壞一直和噪音的產生密切相關。高程度的噪音通常發生在臨近閥門開始出現壅塞（choked）之前。當壅塞發生之后，氣泡破裂的位置會向下游移動。空化所造成的破壞程度通常也與閥門和下游管路所選用的材質與鍍層有關。
2 腐蝕和磨蝕
雖然空化破壞*是力學現象，但也和腐蝕與磨蝕相關。在空化腐蝕中，噴射流或者震動波會破壞金屬表面的鈍化層，正是鈍化層的存在，才能使金屬有了抗腐蝕性。鈍化層被破壞后，下面的基材會被消耗來形成新的鈍化層，長此以往，會造成在空化發生處的金屬物料相當可觀的損失。見圖3。

圖3 鈍化層的破壞和修復
空化現象以及空化腐蝕引起的磨蝕，會使金屬材料的損耗和破壞大量增加。金屬材料會被空化和空化腐蝕的合力軟化，這就造成了磨蝕性磨損。磨蝕的程度通常由流體速度決定。二者關系如下：
ε=KVn （1）
其中，ε為物料損失量；K為常數；V為流體速度；n為磨損系數。
磨損系數在由空化腐蝕產生的磨蝕工況下，可選到7，而在常規磨蝕的工況下，通常為2.5左右。磨損也和材質有很大關系，不銹鋼的耐磨性能要比碳鋼好一些。
在空化現象存在的工況下，需要格外注意選擇正確的閥芯類型和材質，以避免空化腐蝕引起的磨蝕。
由公式1可知：
1）通過選用多級降壓的閥芯來降低閥門內的流體速度，使流體通過閥芯時的速度降到低；
2）通過選用不銹鋼或硬化處理的材質可以減少磨損。
3 空化和噪音
空化現象發生的強度取決于閥門的型號和壓力等級，所以要簡單地給出一個不會發生空化現象的流體的界限很困難。因此，結合噪音等級和臨界壓力降來預測空化現象的發生是更為合理的方式。
空化現象造成機械損壞的取決因素很多。一些不同的參數會影響空化破壞的程度，比如，閥門選用的材料、流體特質、管路布置以及流體可能所含的固體顆粒等。發生空化現象時，閥門內的壓力降叫做是臨界壓力降。當實際的閥門內壓力降等于或大于計算得到的臨界壓力降，同時下游壓力比液體氣化壓力來得更高時，空化現象所引起的破壞便很有可能真實發生，任何防護手段都應當考慮被使用。
另一方面，圖4表明空化現象其實在臨界壓力降到達之前就已經開始發生，圖中曲線表示了一臺閥門的聲音壓力等級（soundpressurelevel，SPL）與（P1–P2）/（P1–Pv）的比率的關聯。可以看到，在層流區域，噪音等級很低，而在接下來的紊流區域，曲線會緩和地上升，當流體壓差到達一個特定值（ΔP=Z（P1-Pv））時，聲壓曲線開始快速上升。閥門初始空化壓力系數Z對應的是空化發生初期，Z是由制造商在實驗室環境下測得的流體噪音所決定的。這些參數通常會在閥門制造商的選型文件中體現。此時聲音壓力曲線上升的原因就是空化現象的發生。從實驗室的測試中可以發現聲壓曲線開始上升要早于流體中的氣泡被實際觀察到。

圖4 聲壓曲線
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調式減壓閥,自力式減壓閥當閥門壓差ΔP接近于臨界壓力降ΔPT時，聲音壓力曲線會達到大值。從圖中可知，此時，如果繼續增加（P1–P2）/（P1–Pv）的比率，將會使聲壓曲線再次降低。關于這點，可參見VDMA24422（1979）的標準，該標準的測定點在于閥門下游1米處，其他標準也有類似規定。當閥門空化現象發生嚴重時，空化產生的氣泡會在遠離閥門的下游管路中發生破裂。這就是為什么VDMA24422（1979）說聲壓曲線會降低的原因。噪音不會消失，只是移動到了另一個地方（下游管路）中。所以即便氣泡的數量是增加的，但氣泡破裂發生的區域距離越長，噪音的強度也就越弱。從另一方面講，當閥門壓差越大，流體會越接近于氣液混合的形態。
一臺在流體為液態工況下工作的閥門產生噪音，通常是發生了空化現象。空化產生的氣泡破裂引起了令人煩惱的噪音，而噪音的等級和空化現象的強度直接相關。在空化現象早期階段，噪音的聲響就像沙子通過閥門。當通過閥門的壓差增大時，空化強度也會相應增加，嚴重的空化伴隨著劇烈的噪音也就產生了。空化噪音可以被地預估，因此，噪音等級便是空化引起的機械破壞的一個很好的指標。
引起使閥門或管路受損的機械破壞的壓力降取決于閥門類型、尺寸以及材質。大量的研究表明壓力恢復系數越低的閥門，越接近于達到臨界壓力降，同時不引起空化破壞現象。也就是說壓力恢復系數越低的閥門更可能達到臨界壓力降。當然，當ΔP>ΔPT時，并不總意味著破壞的產生。當閥門上下游壓差很小時，空化現象可能來不及發生。腐蝕當然也是一個重要系數，這取決于所選用的閥門材質以及流體介質。
所以，當預估空化現象發生的強度時，有兩個系數需要被考慮。
1）通過閥門的壓力降不能超過臨界壓力降（如果ΔP很小，ΔPT可以被超過，但管路和閥門的材質選擇很重要）；
2）閥門的噪音等級不能超過表1中所給定的值。
表1 噪音等級值

有一點需要特別指出，即使聲壓等級低于表1中所的值，但閥門上下游的壓差過大以至于超過臨界壓力降時，閥門依然有可能發生嚴重的空化現象。
4 結論
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。
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***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***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
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。
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。

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。與本產品相關論文：200X先導隔膜式水用減壓閥安裝要求