調節(jié)閥汽蝕現象的分析與控制
  摘要:分析了汽蝕的產生原因和給調節(jié)閥帶來的影響與危害,介紹了有效防止汽蝕破壞閥門的方法,以延長閥門的使用壽命,閥門的可靠性能。
關鍵詞:調節(jié)閥,汽蝕,閃蒸,飽和壓力,壓差
1 　概述
  在很多有水力機械的地方,經?？梢钥吹秸{節(jié)閥、減壓閥等節(jié)流閥的閥瓣和閥座等零件內部產生磨痕、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現象,這種現象既能引起調節(jié)閥流通能力kV 減小,又能產生噪音、振動及對設備的損害,進而嚴重影響閥門的使用性能和壽命。因此控制和降低調節(jié)閥受汽蝕的影響是閥門設計和使用時要考慮的問題之一。
2 　汽蝕和閃蒸
  汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達到臨界值時產生的一種破壞形式,分為閃蒸和空化兩個階段。閃蒸是一種非常快速的轉變過程,當流體流經調節(jié)閥時,由于閥座和閥瓣形成局部收縮的流通面積,產生局部阻力,使流體的壓力和速度發(fā)生變化(見圖1) 。當壓力為P1 的流體流經節(jié)流孔時,流速突然急劇增加,靜壓驟然下降,當孔后壓力P2 在達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,產生氣泡,形成氣液兩相共存現象,稱為閃蒸階段,可見它是一種系統(tǒng)現象。調節(jié)閥不能避免閃蒸的產生,除非系統(tǒng)條件改變。而當閥門中液體的下游壓力又升回來,且高于飽和壓力時,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,氣泡的爆破是從大體積向小體積的轉變。空化是一種從液態(tài)→飽和→液態(tài)的轉變過程,它不同于閃蒸現象。
  汽蝕過程中氣泡破裂時所有的能量集中在破裂點上,產生幾千牛頓的沖擊力,沖擊波的壓力高達2 ×103 MPa ,大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限。同時,局部溫度高達幾千攝氏度,這些過熱點引起的熱應力是產生汽蝕破壞作用的主要因素。閃蒸產生侵蝕破壞作用,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在很短時間內遭到破壞,發(fā)生泄漏,影響閥門的使用性能。同時汽蝕過程中,空化時氣泡破裂釋放出巨大的能量,引起內部零件的振動,產生高達10 kHz 的噪聲,氣泡越多,噪聲越嚴重。
3 　防止汽蝕破壞的方法
  調節(jié)閥里的閃蒸是不能預防的。所能做到的就是防止閃蒸的破壞。在調節(jié)閥設計中影響著閃蒸破壞的因素主要有閥門結構、材料性能和系統(tǒng)設計。對于空化破壞,可以采用曲折路徑、多級減壓和多孔節(jié)流的閥門結構形式予以防止。
1) 閥門結構。
  雖然閥門結構與產生閃蒸無關,但是卻能抑制閃蒸的破壞。采用介質由上至下方向流動的角形閥結構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直接流向閥體內部下游管道的中心,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,因為僅僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。
3) 系統(tǒng)設計。
  閃蒸現象是由系統(tǒng)設計所決定的,圖2 為加熱排水閥將閃蒸水排向冷凝器的系統(tǒng)。圖2a) 的閃蒸出現在調節(jié)閥與冷凝器之間的管道里,閃蒸破壞只會出現在這個區(qū)域。圖2b)的閃蒸現象產生在閥門的下游和冷凝器中。所以冷凝器相對于管道來說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)設計有助于防止閃蒸破壞的發(fā)生。
4) 曲折路徑。
  使流動介質通過一個含有曲折路徑的節(jié)流件是減小壓力恢復的一種方法。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。但是每一種設計的效果基本上是一樣的。這種曲折路徑在各種控制汽蝕現象發(fā)生的部件設計中都是可以利用的。
5) 多級減壓。
  多級減壓中的每一級都消耗一部分能量,使得下一級的入口壓力相對較低,減小了下一級的壓差,壓力恢復低,避免了汽蝕的產生。一個成功的設計可以使閥門在承受較大壓差的同時還能保持縮流后的壓力高于液體的飽和壓力,防止液體汽蝕的產生。因此對于相同的壓力降,一級節(jié)流比多級節(jié)流更容易產生汽蝕。
6) 多孔節(jié)流設計。
  多孔節(jié)流是一種綜合設計方案。采用特殊的閥座和閥瓣結構形式,使高速液體通過閥座和閥瓣每一點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,使調節(jié)閥中液體的動能由于相互摩擦而轉換成熱能,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,避免了對閥座和閥瓣表面的直接破壞。
  每種不同的小孔設計都影響著閥門的壓力恢復程度。圖3a)薄形金屬板式結構流通效率差,但壓力恢復系數KM 值較高,具有較低的壓力恢復,不易產生汽蝕。圖3b) 厚形金屬板式結構流通能力較高,但壓力恢復系數KM 值較低,易產生汽蝕現象。圖3c) 復合式結構是前兩種設計的綜合與平衡,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,避免了汽蝕現象的發(fā)生。因此這種設計是預防汽蝕很典型的有效方案之一。
4 　結語
  汽蝕是調節(jié)閥裝置中為常見的流動現象,但是通過合理的閥門設計和優(yōu)化閥門結構可以有效地控制汽蝕所帶來的破壞,從而延長閥門的使用壽命,閥門的可靠性能。