化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護 上海申弘閥門有限公司 之前介紹萬溯化學擴建自立式減壓閥,現(xiàn)在介紹化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護通過對管路或設備中流量調(diào)節(jié)閥可能出現(xiàn)的汽蝕和閃蒸的破壞原因進行理論分析,提出了采用多級節(jié)流和選用優(yōu)材等,防止其破壞的有效措施及方法。在化工生產(chǎn)工藝流程中的管路和設備中,有大量的流體流量調(diào)節(jié)閥對保證設備的正常運行起著至關重要的作用。它們有多種結構形式,分別適用于不同場合。其主要作用即用于調(diào)節(jié)流量,以保證設備的穩(wěn)定運行。它們有操作簡單、方便,易于控制等特點,故受到廣泛的應用。但也有消耗能量過大、閥門元件易損等缺陷,若設計使用不當,會給生產(chǎn)帶來影響。本文主要討論的是對管路流量調(diào)節(jié)過大、輸送流體溫度過高,可能會產(chǎn)生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象以及其對調(diào)節(jié)閥的破壞及防止方法。 1.化工調(diào)節(jié)閥閃蒸和汽化防護出現(xiàn)蝕和閃蒸的原因分析 1.1 流體在調(diào)節(jié)閥中的流動過程 液體在調(diào)節(jié)閥的流道中的流動過程是極其復雜的,根據(jù)連續(xù)性方程: uAp=常數(shù) 式中u——截面平均流速,m/s; A—— 流道截面積,m2; p—流體介質(zhì)的密度,kg/m3。 對于不可壓縮的流體,p=常數(shù),因此uA=常數(shù),亦即流體的流速和通過該截面的截面積成反比。 同時,又根據(jù)伯努利方程式[1]: 式中z——位置標高,m; p——靜壓強,Pa; g—— 重力加速度,kg•m/s2。 忽略管道進出口流體的位置標高差別,如果通過截面時的流速增大,則意味著斷面的壓力將下降,當流體的壓力下降到該溫度下的飽和壓力Pv時,液體將出現(xiàn)汽化,同時發(fā)生汽蝕或閃蒸現(xiàn)象。 由于汽蝕現(xiàn)象和閃蒸現(xiàn)象對設備有較大的破壞力。我們以前僅對離心泵的汽蝕現(xiàn)象研究較多,而對管路中調(diào)節(jié)閥可能產(chǎn)生的汽蝕和閃蒸現(xiàn)象造成的破壞未引起足夠重視,因此研究防止液體在流動過程中產(chǎn)生汽蝕和閃蒸的機理將顯得更加重要。 1.2 流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥前后的壓力變化分析 圖1是液體通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)窗口(節(jié)流孔)的各點的壓力變化曲線 假設閥門前后的管徑相同,液體在調(diào)節(jié)閥窗口前、后的相當長的距離內(nèi),液體一直處于穩(wěn)定流動,同時不考慮液體的位能及節(jié)流前后的溫度變化,則根據(jù)連續(xù)性的方程,u1=U2。 Pl、p3——入口壓力及出口壓力 P2——zui小截面處(調(diào)節(jié)閥窗口)壓力 U1、u2——入口流速及出口流量 從圖1中看出,當液體通過調(diào)節(jié)閥窗口時可能有三種工況: (1)液體通過調(diào)節(jié)閥窗口時,因液體流速增大,造成壓力降低,如圖1中的曲線I所示。但P2大于當時液體溫度下的相應的飽和壓力,在這種工況下,液體通過調(diào)節(jié)窗口后不會發(fā)生汽蝕和閃蒸現(xiàn)象。 (2)當液體通過調(diào)節(jié)窗口時,液體的壓力小于或等于當時液體溫度下的相應的飽和壓力,如圖1中曲線Ⅱ所示。根據(jù)汽蝕理論的研究,此時在金屬表面某處形成一個穩(wěn)定的汽蝕區(qū),汽泡在金屬表面的不斷形成和增長,同時隨著流體下移壓力回升(即速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽斣撎幍囊后w壓力大于當時液體溫度下的飽和壓力時,則汽泡破裂(凝聚),而汽蝕正是由于這些汽泡的反復破裂所引起的。當汽泡破裂時,周圍液體即迅速地填充破裂汽泡的空間,沖入的流體形成高速而沖擊金屬表面[2]。據(jù)美國某研究所測得汽蝕汽泡中心部位的壓力高達2.0×103MPa,由于汽泡破裂產(chǎn)生的沖擊金屬表面,好似微小的高強度錘子反復錘擊金屬表面,導致表面疲勞。同時,汽泡破裂產(chǎn)生的局部溫度也可能達至攝氏幾千度,這種高溫“過熱點”在金屬表面的長期累積,引起金屬表面撕裂,出現(xiàn)蜂窩狀的凹坑,并逐步深入金屬本體,脫落下來的小塊像飽含氣孔的焦炭一樣,很容易辨認。 因大部分汽蝕汽泡遠離金屬表面,汽泡破裂產(chǎn)生的沖擊波對金屬表面的損壞不大,只有在金屬表面產(chǎn)生和增長的汽泡又同時在金屬表面破裂或者在接近金屬表面破裂,產(chǎn)生的沖擊波才會造成設備損壞。 (3)當液體通過調(diào)節(jié)窗口時,液體的壓力降低于當時液體溫度下相應的飽和壓力,而且閥門后的出口壓力仍然低于相應的飽和壓力,所以液體通過調(diào)節(jié)閥窗口后,部分液體即發(fā)生汽化,產(chǎn)生兩相流,汽泡有時合并、破裂和產(chǎn)生蒸汽,這種過程為閃蒸,如圖1中曲線Ⅲ所示。 受閃蒸破壞的金屬表面沒有蜂窩狀的凹坑,而是大塊剝落,很易區(qū)別。 2.防止汽蝕或閃蒸破壞可采取的措施 2.1 采用多級節(jié)流 上海申弘閥門有限公司主營閥門有:截止閥,電動截止閥由于化工生產(chǎn)中高壓調(diào)節(jié)閥通常要承受較大的壓降,如氨合成塔操作壓力高達32 MPa,希望能長期在0~32MPa的壓力之間工作而不發(fā)生汽蝕破壞和不產(chǎn)生泄漏,這對于單級節(jié)流的調(diào)節(jié)閥來說是極其困難的,由圖2的曲線I可見,單級節(jié)流的調(diào)節(jié)閥的壓力變化曲線的谷底,通常會低于液體在該溫度下的汽化壓力,因此汽蝕難以避免。 而采用多級節(jié)流后,其總壓降雖然大于單級節(jié)后的壓降,但每一級調(diào)節(jié)壓降較小,如圖2中的曲線Ⅱ所示,即把壓降分配在幾個串聯(lián)的調(diào)節(jié)閥上,因而就可避免使調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生汽蝕破壞。
由式(1)知,提高閥前壓力P1,可使閥的阻塞流壓差△p增大在閥兩端實際壓差不變的情況下,當P1提高到使得△P< △P1時忽略△Pc 值),閥后就不會有閃蒸或汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生,但在工程設計中,用提高閥前壓力P2的方法往往是不經(jīng)濟的或不允許的,所以有時可從閥門安裝位置上想辦法。如圖2所示,調(diào)節(jié)閥應安裝于管路系統(tǒng)中低位側。 b. 多級減壓 在普通調(diào)閥中,當調(diào)節(jié)閥兩端壓差較大時,為避免閃蒸或汽蝕的發(fā)生,可用2個調(diào)節(jié)閥串聯(lián);也可在調(diào)節(jié)閥后加一塊或多塊限流孔板來逐級減壓,使每一級上的實際壓差均小于本級入口壓力對應的△p,從而避免閃蒸和汽蝕的產(chǎn)生,這實際上是通過增加管道阻力來提高整個減壓系統(tǒng)的能量損耗。 采用調(diào)節(jié)閥后加一塊或多塊限流孔板來逐級減壓的方法時,需計算出閥兩端壓差和每塊孔板所能經(jīng)受的壓降,從而得出所需孔板的塊數(shù)和孔徑。其具體方法為:首先計算出調(diào)節(jié)閥的阻塞流壓差△p,并考慮20/0 的安全系數(shù),得到調(diào)節(jié)閥兩端壓差為△P=△P×80%。孔板壓力按幾何級數(shù)減壓(多級孔板的計算方法),*級孔板減壓為△P/2,第二級孔板減壓為△p/22,第三級孔板減壓為△p/23,……,第n級孔板減壓為△p/2n ,直減到末級f孔板后壓力為所需壓力為止。 例:將某種液體介質(zhì)的壓力從5MPa減壓到0.9 MPa以下,而不允許發(fā)生閃蒸或汽蝕現(xiàn)象。假若我們計算出調(diào)節(jié)閥的阻塞流壓差△p=3 MPa,則:△p=2.4MPa。 *級孔板需減壓△p/2=1.2 MPa; 第二級孔板需減壓△p/22=0.6 MPa; 第二級孔板后壓力為0.8MPa。 第二級孔板后壓力滿足zui終減壓的要求,故選擇合理。這樣就得出減壓需兩塊限流孔板,然后再根據(jù)每塊孔板需經(jīng)受的壓差計算孔徑。 多級減壓法雖能使調(diào)節(jié)閥免于汽蝕、閃蒸的產(chǎn)生,但由于閥的壓降分配比S值降低,即分配在調(diào)節(jié)閥上壓力降占管系壓力降的比例降低,將導致閥容量降低,流量調(diào)節(jié)范圍變窄及闊的流量特性畸變,但若處理適當時,用于減壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)還是可行的。 c. 材料選擇 閃蒸與汽蝕對閥的損傷是不同的。閃蒸損傷是由于液體中,液相的液滴被高速汽相運載,它們對金屬表面的沖擊,屬于沖刷磨蝕型。被損傷的部件,幾何形狀均勻減小,具有光滑的外表,除非材質(zhì)因沖刷剝落才會出現(xiàn)凹痕。 汽蝕是由汽泡崩潰引起,較閃蒸損傷嚴重得多主要損傷部位在汽泡崩潰處,被損傷部件的幾何形狀不是均勻減小,而是表面粗糙呈海綿狀孔洞。 閥芯和閥座在閥內(nèi)起著截斷液體或調(diào)節(jié)流量的作用,同時也是閃蒸、汽蝕作用的嚴重損傷部分,要求較閥體更為堅硬的材料。因前仍未找出一種*抗汽蝕的理想材料。 對于有可能發(fā)生閃蒸和汽蝕的調(diào)節(jié)閥,一般選用硬度高,軔性好的材料,可視工藝條件酌情選擇碳素鋼,臺金鋼或不銹鋼等。閥桿一般選用不銹鋼閥芯和閥座要求選用較閥體更為堅硬的材料,但由于汽蝕產(chǎn)生的沖擊力*,任何材料都難于承受,這種方法只能在一定程度上延長閥門的壽命,當然材質(zhì)的合理選取,還要結合介質(zhì)的腐蝕性、溫度、壓力、經(jīng)濟性等因素綜臺考慮。 d. 采用調(diào)節(jié)閥 防閃蒸與汽蝕的調(diào)節(jié)閥利用帶摩擦的絕熱流動原理,減壓過程類似液體在很長的管道中流過,因摩擦使壓力能轉(zhuǎn)化為熱能,從而使壓力降低這種閥的流路長而復雜,液體在閥中呈大規(guī)模紊流狀態(tài),大大增加了摩擦損失減壓后的速度較常規(guī)閥小得多,且壓力回升幾乎為零。這種閥的值為0.87~0.96,F(xiàn)1約為1.00。一般說來,這種閥用于高壓差液體介質(zhì),壽命較常規(guī)閥高,還可降低噪音。 I—— 單級節(jié)流壓力降曲線 II— — 多級節(jié)流壓力降曲線 2.2 調(diào)節(jié)閥選用材料制作 除以上汽蝕或閃蒸現(xiàn)象對閥門的損壞外,由于調(diào)節(jié)閥在高壓差下工作,金屬與金屬之間的“間隙流動”的沖蝕作用也是不可避免的。故調(diào)節(jié)閥一般可選用表面硬度高并抗氣蝕的材料。理想的抗汽蝕材料應具有堅實的和均勻的細晶粒結構、變形能大、抗拉強度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強度均很高的特性,目前國內(nèi)外采用4Crl3、鈷鎢錳鉬釩等硬質(zhì)合金,同時也采用噴涂硬質(zhì)合金和陶瓷等方法來提高材質(zhì)的性能,以達到防汽蝕和閃蒸的目的。 2.3 其它方法 還可采用增加閥門窗口后的管道截面;先采用節(jié)流孔節(jié)流、zui后裝調(diào)節(jié)閥;需加熱的流體的流量調(diào)節(jié)閥盡量設在加熱前等方法,因為液體的溫度愈高,就愈易產(chǎn)生汽蝕和閃蒸。以上措施均可有效降低或避免汽蝕或閃蒸破壞。 3.小結 調(diào)節(jié)閥的破壞形式及原因各有不同,本文僅對調(diào)節(jié)閥的汽蝕和閃蒸破壞的原因做出分析,并提出防止其破壞的措施和方法。但調(diào)節(jié)閥并不是通用閥,而是根據(jù)具體生產(chǎn)中的調(diào)節(jié)對象所需要的各種不同的工況參數(shù)和工藝要求而設計的,因此設計、制造要求也很高。望本文觀點能對其設計、制造有所借鑒,以不斷地改善調(diào)節(jié)閥的使用壽命和泄漏率。與本文相關的產(chǎn)品有化工隔膜閥構造原理
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