阀门气蚀研究.pdf

年第期闷门 阀门气 蚀 研究 沈阳阀门研究所彭凤样 摘要在初步给出闪门气性现象及气蚀 损伤 产生机理的基拙上 , 介绍 了国外一些预防 气蚀 发 生的阀门结构 。 主题词冲刷腐蚀耐气蚀阀结构 一 、 前 、理 曰 广 阀门一旦发生气蚀 , 就会降低阀门的承载 能力 , 产生振动和噪音 , 造成零部件的破坏 , 影 响阀门的正常运转 。 气蚀损坏常常发生在决定 阀门 ‘主 要性能 的关键部位 , 如切断用阀门的关 闭件 , 控制阀的节流阀瓣 , 有密封要求阀门的密 封副等等 。 所以 , 研究阀门的气蚀现象已越来越 受到重视 。在 国外 , 关于气蚀发生机理的研究一 直非常活跃 , 并应用可视性实验设备观察气蚀 的发生过程 , 对气蚀现象和气蚀损伤进行了系 统的研究 。 二 、 气蚀形成机理 阔门中的流体状态 管路内介质的运动通常有两种情况 , 即滞 流和湍流 。 当表示介质流动状况的雷诺数几成 时 , 流体的 流 动类型 属于滞 流 、当 凡妻 时 , 流动类型属于湍流 当肠值在 时 , 为不稳定的过渡区 , 可能是滞流 , 也可 能是湍流 。 向改变 , 使通过阀门的介质 、 特别是非压缩性流 体混合和搅拌 , 形成由旋转流 、卡尔涡旋和 分支 流复合而成的复杂湍流 。 图是不 同型式截止 阀内的介质运动情况 。 图为角式截止阀 , 因通道有方 向的改变 , 使 出口侧流体处于非定 常状态 , 产生旋转流 。 所以 , 在节流点附近反复 受到不规则时间间隔的依附流和自由喷射流的 交互作用 。 正是由于这种复杂的湍流 , 才是产 生 气蚀的前提条件 。 因此 , 容易产生气蚀损伤的主 要是节流阀 、 角式阀和蝶阀等阀类 。 、 一一一一一洲洲 一一 日日日日 洲洲 一一一一一州州 ‘ 训训 勺勺甲 甲甲甲甲 「「「「「「 匕匕匕匕 」」 州州州州州 」」 一一一一 、 」」“ 刃刃一 一 彝彝曝 图不同型式截止阀的介质运动情况 由于 阀门中通道横截面积的变化和通道方 图水的压力一温度曲线 三态点液态水汽态过热蒸汽 固态冰溶解压力曲线汽化压力曲线 气蚀性气泡的形成 水的蒸汽压力曲线图表明了液态和 汽 化状态下的压力与温度的应变关系与沸腾过 程相比 , 沸腾是通过输热实现的汽化 。而在 节流 年第期 损失 尸 召。 当流体通 过节流 区域时达到最高流 速和最低的静压 尸 。 随后 , 流体在扩散过程 中 减速 , 对应于能量损失大 小 , 静 压恢复了 」尸。 , 最后 , 伴随着阀后压力损失凡流出 。 整个过程 产生的总压差 尸 。 然而 , 决定气蚀 生成 的不是总压差 」尸 , 而 是节流区域的压力降 八 , 也就是说 , 只有此处 的静压 尸 降低到汽化压力凡 以下时 , 才能产 生气蚀性气泡 。 图说明了阀门在节流点的压 力降与总压差 尸之间的区别 。 髻十止卡 二 另 凡 点产 生的气泡 则是由于 流体加速 , 在局部产生 静压降 , 形成的微小的蒸汽 范 围 。这 时的静压被 称为汽化压力 , 用 尸 , 表示图 。 应该指 出 , 水在 大气压 力 下的沸 点 是 ℃ , 但 在其温度接近 ℃时 , 由 于 流体惯 性 , 即使是最微小的压力变动也会使蒸汽气泡 膨胀溢出 。 所以 , 高于 ℃时 , 水受热力的影响 比压力影响更有效 。 除处于汽化压力 之外 , 气泡的形成还取决 于水中既有的非溶解性气泡 。 因为微观上没有 促成蒸汽气泡生成的条件 , 只有这些既存 的气 泡从水中溢出时 , 才使介质达到最大可能的体 积 , 并使其在局部形成处于 汽化压力 范 围的静 压 。 压力降的形成 气蚀 的产生过程也是一个 消耗能量 的过 程 , 即节流区域动能与势能的转换过程 。 这里的 能量损失通过压力降和静压恢复表现出来 。 为 理解流体通过阀门时的压力变化 , 常用图所 示的浦场一次模型 。 ‘‘‘ 火火 怀 一一扣卜一 两 哥哥哥 任 口 一一 音音音 不不不不 之之之之之之之之之 耳 勺勺 睁一一一一 厂件一 一一一 口口口口口口 之之之 图阀门内的流场模型 , 一阁前压力 尸一阀后压力 巧最低静压力 。一 恢复压差凡一阀后压力损失 一总压差 护 一阀前压 力损失 一节流压力损失一节流区域压力降 , 一 大气压力 由于从阀门入口流体即被加速 , 此时摩擦 损失等原因引起静压缓慢降低 , 产生阀前压力 图在节流点附近位置的压力 一阀前压力一阀后压力 一大气压力 ,一汽化压力一总压差 气蚀破坏 当气蚀性气泡经过压力恢复区域时 , 因不 能抵抗周围压力而产生内爆破 。 伴随着气泡的 破裂 , 以非常高的速度喷射出极其微小的液体 射流 。 如果许多气泡集中在阀门壁面的微小的 局部上 同时发生内爆破 , 所产生的液体射流相 互干涉振荡 , 形成高于周围压力千倍以上的冲 击压图 。 如此高的冲击压会使壁面材料集 中产生变形 , 并造成微小的局部损坏 。 随着材料 疲劳和侵蚀的不断进行 , 其质量缺损增加 , 最终 直至损坏 。 气蚀性气泡内爆破除能引起振荡 , 在部件 侧面造成破损外 , 还能产生类似砂粒掉落金属 年第期 期阀门一一 板上 的噪音 。 产生气蚀的条件 对气蚀产生机理的分析表明 , 产生气蚀的 重要的先决条件是气蚀性气泡的存在 。 其他产 生气蚀损伤的条件还有壁面保护久缺和制造阀 「〕材料的耐蚀力不足等 。 图气蚀形成机理 冲击压微小射流 气蚀系数 判别气蚀的一个最简便的方法就是用气蚀 系数 。 表示复杂的流动过程产 生 的气蚀 。 厂厂厂厂厂日日厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂「「厂厂 厂厂厂厂厂日日叮叮厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂 厂厂厂门门月月国国日日厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂 巨巨巨口口曰曰厂厂厂厂「「厂厂厂厂厂厂厂 盯盯盯厂厂冈冈叮叮厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂 口口口日日网网队队日日日日日日日日 口口口日日曰曰厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂 口口口曰曰旧旧阵阵丙丙厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂 一一一一一一一一一一 曰曰曰口口口口匹匹日日「「厂厂厂厂厂厂厂口口 同同同口口曰曰厂厂图图医医口口口口曰曰曰习习 曰曰曰门门阉阉口口四四口口图图口口口口口口口口 曰曰曰门门曰曰压压〔〔图图口口口口口口口口口口 曰曰曰曰曰曰曰 闭 艺艺环丁丁 口口口口口 口口口口口口口广广广广广, ,吸吸吸吸吸吸吸吸 门门门门门门门巨巨口口压压日日口口口口口口口口 口口口口口口口巨巨仁仁口口目目图图口口口口口口 心 〕,一 ,刀口和 开 认又 “一 , 一 其 乙夕 式中 阀前的压头 阀后的压头 。 大气的压头 , 介质流速 夕 重力加速度 分析表明 , 产生气蚀的主要原因是降到气 化压力后阀后压力 的恢复程度 , 也就是说 , 取决 于节流区域的动能与势能转换的大小 。 如果其 他条件给定 , 一个较小的阀后压力损失 , 就意味 着较大的压力恢复 , 也即很高的气蚀危险 。 图是国外通过气蚀试验得到的各个开度 下蝶阀的气蚀系数 。 值的曲线 。 图中表明 , 判别 噪音和振动产生的气蚀条件取决于当时蝶板所 处的位置 。 可以认为当蝶阀处于初始开启位置 , , 值大约达到时 , 气蚀已经开始 。 此外 , 图中 引起注意的是随着关闭角度 的增大 , 气蚀强度 越来越小 , 当达到一时 , 重新升高 。 图节流用媒阀的开度一气蚀系数曲线 最大的振动明显的振动 。 开始产生气蚀噪音 三 、 气蚀损伤的预防 防止气蚀损伤的方法应从消除产生气蚀的 条件入手 。 在这方面 , 国外已做了许多工作 , 提 出了多种 防气蚀的阀门结构 。 防止气蚀性气泡产生的介质流动条件 假定其他条件一定 , 只要降低介质温度 , 提 高阀门出口侧静压 力 , 就能排除气泡 产生的条 件 。 相反 , 降低 出口侧静压力 , 使产生 的气泡不 能破裂 , 也是防止气蚀损坏的一个方法 。 防止气蚀性气泡产生的管路条件 由于节流过程产生的气泡在压力恢复阶段 破裂 , 而产生的蒸汽与水相比需要更大的空间 。 所以 , 产生气蚀的流体状态 , 其节流装置在封闭 的管路系统中与在不受约束的出口侧是有显著 区别的图 。 如果在管路终端装入蝶阀 , 借助 于非常大且突然的横截面扩大 , 直接在蝶阀后 形成足够的通风或回灌 , 就可以抑制气蚀 的产 一 年第期 生 。 另外 , 在管路系绕中布置两个节流装置 , 使 系统逐步卸压 , 也能起到 防止气蚀的作用 。 雇攀 一 一 娜 才 株 生产的减压 阀 , 是 把多孔板重叠数层来达 到分段减压效果 。 这种角式 阀还对低开度时通 道引起的压力损失增大给予了考虑 。 图是日本詹姆 斯伯雷公 司生产的内装 分段节流部件的球阀 。 这种结构与图是基于 相同的设计思想 。 图中表明了该结构与普通球 阀的区别 。 图管路中流体的状态 有通风效果的 自由流休状态 回灌后受限制的流休状态 口口口 , , , , 卜卜卜卜卜卜 叮叮叮叮 斗斗斗斗斗斗斗斗斗 梦梦梦 ‘ 羹羹羹 霎霎霎 鬓鬓 巨巨 组扁扁 图可变抵抗型减压阀 图多段减压阀 防止气蚀性气泡产生的阀门结构 为了不使阀门在缩径部位的压力急剧地降 低到产生气蚀性气泡的汽化压力以下 , 基本上 是把节流部分分成多段处理 。 图是日本山武霍尼威尔株式会社制造的 多段 减压 阀 。 该阀从节流部位的入口到出口 , 减 压过程被分为几段 , 其压差亦 被平均分配 。 因 此 , 最后节流段的压力不处于 汽化压力以下 , 便 不能发生气蚀 。 图是日本二 才方夕又一夕夕卒一于夕 图多段减压球阀 不在气蚀性气饱部位安装部件的工作条 件 气蚀是概率事件 , 只有很多气泡全部集中 在射流界面附近才容易引起气蚀破坏 。所 以 , 提 高阀门的常用开度 , 亦能起到避免气泡破裂集 中造成 的气蚀损坏参见图 。 年第期 阀门消耗的能量主要被节流部件和阀体阻 抗以及 流体本身的摩 擦损失所吸收 , 阀 门开度 较低时 , 节流部件承担了大部分能量 , 而开度提 高后 , 虽然阀体所承受的负荷增大 , 但这样能把 其中一部分能量转向流体 内部 , 使主要 的节流 部件远离破裂位置 , 从而延长节流部件的使用 寿命 。 气蚀调节阀 , 该结构适用于高压差的工况条件 图 。 预预预 , ,门门州 州 下下下 咧咧咧 , , 黔黔夏夏夏夏夏 图单段多孔调节阀 蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸广广广, , 任任 子子 ⋯⋯⋯⋯门门日日 旧旧史 ⋯⋯ 尹 ⋯ 曰曰曰曰曰曰曰曰匕 匕匕 图抗气蚀的调节阀结构 调节阀节流部 不在气蚀性气泡部位安装部件的阀门结 构 图所示的调 节阀德国公司 研 制 , 通过阀瓣与阀座之间的环状通道流出的射 流在阀瓣中心汇合 , 因而压力恢复过程远离节 流部件和阀体 , 不易造成本体的损伤 。 美 国费希尔公司把调节阀的喷 出孔制成小 径多孔型式图 , 其抗气蚀效果显著 。 日本 山武霍尼威尔株进一步开发出了多段多孔抗 日日日 甘甘甘 口口口口口口口口 」」」」 口口 图多段多孔调节阀 阀门的耐气蚀结构还能从改变常规阀瓣的 形式来获得图为日本巴阀门 株生产的耐 蚀蝶阀结构 。 因蝶板上的批齿部分使射流互相 干涉 , 减少了压力恢复 , 而使气蚀不易发生 。 而 且 , 这种形状的蝶板使射流不对阀体出口侧 内 壁造成冲击 , 避免了冲蚀 。 壁面保护 一 年第期 通过 采取特殊 的材料措施可以改善节流点 和密封处 的抗气蚀强度图 。 在宽大的阀座 表面上堆焊厚的镍合金 , 除提高耐侵蚀和 耐腐蚀的稳定性外 , 还提 高了阀门在气蚀情况 下的使 用寿命 。 在 易于发生气蚀的蝶板表 面镀 件 厚的镍铝铬合金保护 层也 同样能改善蝶 板表面的耐气蚀能力 。 体则用铬铝钢和不锈钢 。 随着工业用陶瓷技术 的开发成功 , 也出现了如 图所示的陶瓷材料 阀门 。 图耐蚀蝶阀 卜卜吃 一一一一一一一一一一 行行 尸尸尸尸 一一 鹜鹜鹜 图蝶阀密封面的保护 蝶板密封圈镍合金堆焊面 、 斜面阀座堆焊镍合金密封面 提高材料性能 气蚀损伤与阀门材料机械性能之间的关系 目前还没有合理的解释 , 但是通常用下列材料 能提高阀门的抗蚀能力①硬度高 的材料 。 ②有 耐酸蚀保护膜的材料 。 ③屈服点高 、 稳定性好的 材料 。 ④疲 劳强度高的材料 。 在国外 , 用于承 受气蚀的部件材料 , 阀瓣和 阀座环等多 用 马 氏体不锈钢和工具钢 , 阀座 基 图陶瓷制节流部件的耐蚀阀门 四 、 结语 随着科技进步和 人类环境意识的提高 , 人 们对容易产生气蚀噪声 、 气蚀振动以至 于气蚀 损伤的气蚀现象有了深 入 的认识和 了解 , 并据 此研究出许多避免发生气蚀的新型 阀门结构 。 通过 本文对国外有关 阀门气蚀研究的 介 绍 , 希望能够应用到阀门的设计开发之中 , 并期 待今后有更多的研究成果涌现 出来 。 参考文献 沈阳阀门研究所 阀门设计 椎木晃 , 勺卜丫‘打汁石午个匕于一 夕日夕损伤夕一术 机械 , 训 一 防 】 汉 人 一 样本 一