調(diào)節(jié)閥氣蝕機理分析及其選型

王 晶

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

高壓差液體介質(zhì)工況下，調(diào)節(jié)閥易產(chǎn)生阻塞流，并可能發(fā)生氣蝕。這種情況下不僅影響閥門尺寸的計算，而且很可能導(dǎo)致嚴重的噪聲、震動和閥內(nèi)件的沖刷和腐蝕，進而影響調(diào)節(jié)閥的壽命和調(diào)節(jié)性能，甚至導(dǎo)致整個過程工藝系統(tǒng)的失效和停機。因此，調(diào)節(jié)閥的氣蝕工況必須在材料選擇、閥門結(jié)構(gòu)及工藝條件上進行必要的應(yīng)對，規(guī)避風(fēng)險。

1 氣蝕產(chǎn)生機理

液體介質(zhì)在閥芯處節(jié)流時，流速增加，壓力下降，如圖1所示，P1為閥門入口壓力，Pvc為閥門縮流斷面處的壓力，Pv為液體飽和蒸汽壓。當(dāng)壓力降低到液體飽和蒸汽壓以下時，液體氣化，這一現(xiàn)象稱為閃蒸。介質(zhì)流過節(jié)流處后，流速下降，壓力恢復(fù)，若此時閥后壓力P2仍小于飽和蒸汽壓，則閥門僅有閃蒸工況；若壓力恢復(fù)到大于液體飽和蒸汽壓時，閃蒸產(chǎn)生的氣泡破裂變?yōu)橐后w狀態(tài)。這時氣泡破裂釋放的巨大能量會引起閥門噪音、震動及閥內(nèi)件的損壞，這一現(xiàn)象即為氣蝕[1]。

圖1 調(diào)節(jié)閥壓力分布示意Fig.1 Pressure profile through control valve

由以上分析可知，產(chǎn)生氣蝕的前提是閃蒸，而發(fā)生閃蒸的原因是節(jié)流引起了壓力的降低，產(chǎn)生閃蒸的臨界壓差，即形成阻塞流的壓差[2]。當(dāng)閥門前后壓差滿足式（1）時，阻塞流形成，閃蒸工況發(fā)生。此時閥后壓力大于飽和蒸汽壓，則產(chǎn)生氣蝕。

式中：ΔP 為閥門前后壓力差，ΔP＝P1-P2；FL為閥門壓力恢復(fù)系數(shù)，；FF為液體臨界壓力系數(shù)，此處FF未考慮管線形式因素。

2 抗氣蝕閥門選型

2.1 閥門材料選擇

閥門材料的選擇不是為了消除氣蝕，而是盡可能減小或隔離其破壞。這種方法的目標(biāo)是把氣蝕與閥內(nèi)表面隔離開來，并硬化那些會受到氣蝕沖擊的表面，如閥座表面，選擇盡可能硬的材料或堆焊司太萊合金等[4]。這種方式的獨立應(yīng)用僅適用于氣蝕程度不高的情況。

2.2 改變工藝條件

如果能將P2升高以致于縮流斷面處的壓力不會降到蒸汽壓力以下，也就是說閥門不再被阻塞，不會發(fā)生閃蒸，那么氣蝕就可以避免了。將閥門移到下游處有較高靜壓頭的位置可以提高P2的值。增加一個限流孔板或類似的背壓裝置也能升高閥門的P2值；下游存在把氣蝕從閥門轉(zhuǎn)移到限流孔板處的潛在的可能性[4]。

2.3 閥門結(jié)構(gòu)的選擇

多級降壓閥如多級套筒、多級軸流式閥，可以使流體在通過縮流斷面處的壓力都高于在該溫度下的飽和蒸氣壓，每一個較小壓降都確保其縮流斷面處的壓力大于飽和蒸汽壓力，進而消除了阻塞流即閃蒸，也就消除了氣蝕，如圖2所示?；蛘哌x用迷宮式、疊片式等結(jié)構(gòu)閥門，使閥內(nèi)流體互相撞擊，進而減少氣泡的產(chǎn)生、消除氣蝕影響。同時選擇壓力恢復(fù)系數(shù)小的閥門，也可以減少氣蝕發(fā)生和破壞。

圖2 多級降壓抗氣蝕原理Fig.2 Multi-stage pressure reducing to anti cavitation

3 抗氣蝕閥門判定方法

若已選定閥門，可以通過氣蝕系數(shù)δ定量來判斷其抗氣蝕能力和選型的合理性[5]。

氣蝕系數(shù)δ是基于氣蝕等級來定義的，如圖3所示[6]，隨著δ的減小，震動逐漸增大。圖3是在實驗基礎(chǔ)上獲得的，從最大可能壓差ΔP開始逐漸降低，保持上游壓力P1和溫度，測量每個噪音、震動和流量，進而獲得氣蝕系數(shù)與氣蝕程度關(guān)系圖。δi為氣泡開始形成，氣蝕開始發(fā)生的點，δc是氣蝕持續(xù)穩(wěn)定發(fā)生的點，δmv為震動最大等級點。在δi和δc之間為氣蝕開始發(fā)生區(qū)，在這一區(qū)域氣蝕對閥門的損壞并不大。因此，將閥門的工作范圍限制在δc以右是一種相對保守的做法。δc和δmv之間區(qū)域為氣蝕完全發(fā)展區(qū)，在這一區(qū)域的某一點閥門開始被損壞，叫做初始破壞點。

圖3 氣蝕系數(shù)等級示意Fig.3 Cavitation index level plot

制造商推薦氣蝕系數(shù)限值δmr用于指定特定閥門的工作極限。由圖3可以看出，當(dāng)操作工況的氣蝕系數(shù)大于δmr時，即可認為閥門適用當(dāng)前工況，選型合理。但是δmr是制造商在特定閥門尺寸和壓力下的試驗結(jié)果，所以制造商給出的δmr需要對尺寸和壓力進行整定，為此引入壓力整定系數(shù)PSE和尺寸整定系數(shù)SSE，則閥門實際氣蝕限值δv為

當(dāng)工況δ≥δv時，閥門工作在可接受的氣蝕條件下。

4 結(jié)語

本文從氣蝕發(fā)生的機理出發(fā)，從材料選擇，閥門結(jié)構(gòu)選擇，工藝條件等角度介紹了閥門抗氣蝕選型方法，并給出了基于氣蝕系數(shù)的抗氣蝕閥門選型合理性的判定方法。通過合理選型、精確計算，可有效解決閥門氣蝕工況選型問題。

[1]李艷榮.阻塞流及其在控制閥選型中的影響[J].控制閥信息，2013（1）：64-67.

[2]ANSI/ISA S75.23 Considerations for Evaluating Control Valve Cavitation[M].Instrumentation，Systems，and Automation Society，1995.

[3]Handbook for Control Valve Sizing[M].7th edition.Masoneilan Dresser，1987.

[4]Fisher Controls International LLC.Control Valve Handbook[M].4th Edition，2005.

[5]彭鳳祥.閥門氣蝕研究[J].閥門，1994（3）：11-16.

[6]Lipták.InstrumentEngineers’s Handbook[M].4th edition.Instrumentation，Systems，and Automation Society，2006.