控制阀闪蒸和空化现象及阻塞流的计算.pdf

仪器仪表与应用 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 1 0 ，2 6 4 AUToM AT1 0N I N PETRo CHEM I CAI I NDUS TRY 控制阀闪蒸和空化现象及阻塞流的计算 刘 芳 中国五环工程有限公司 ， 武汉4 3 0 0 3 3 摘 要 通过对管路中控制阀可能 出现的闪蒸和空化 的原因进行分析并 阐述 了闪蒸和空化造成 的危害 ， 提出了提高材质硬 度 、 降低流体流速、 选用合适的控制阀类型和流 向、 采用多级 降压 的方法控制压 降， 使汽蚀不发生等有效措施来防止闪蒸和空化 带来的破坏 ， 延长控制 阀的使用寿命 。同时分析了产生阻塞流 的原 因， 分别介绍 了产生阻塞流和不产 生阻塞流的情况下 流量系 数 的计算方法， 并通过一个实例详述 如何判断是否出现阻塞流 以及阻塞流出现 时阀门流量系数的计算方法 。 关 键 词 控制 阀； 闪蒸 ； 空化 ； 阻塞流 ； 流量系数 中图分类号 T P 2 1 4 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 0 0 2 0 0 6 4 0 2 1 控 制 阀闪蒸和 空化现 象 在控制阀内流动的液体 ， 常常出现闪蒸和空化 现象 ， 它们的发生不但影 响口径的选择和计算 ， 而 且将导 致严 重的噪 声 、 振 动 、 材质 的破 坏等 ， 直接影 响控制阀的使用寿命 。因此 ， 在阀门的计算和选型 中 ， 闪蒸 和空 化是 不可忽视 的问题 。 1 ． 1 出现 闪蒸和 空化 的原 因分 析 不 可压缩 的 液 体 通 过 控 制 阀 阀芯 、 阀座 节 流 时 ， 在流 道 的不 同处 ， 其 压力 和流 速 的变 化 如 图 1 所示 。 压 力 流速 节流 口处 缩流断 面处 流束断面 流道 图 1 流体流过控 制 阀的压 力及 流速 变化 流体通 过缩 流断 面处 即流束 的最小截 面处 时 ， 流速 最大 ， 静压 最 低 。若缩 流 断 面处 的压 力 P 降 低到不大于流体人口温度对应下的饱和蒸汽压 P 时 ， 部分液体就会 汽化成气体 ， 形成汽液两相共存 的现象， 这种现象称为 闪蒸 。闪蒸造成 汽液两相 流 ， 气体与液体同时流过阀芯和下游管道 ， 造成冲 刷， 其特点是阀芯呈现平滑抛光的外形 ， 冲刷最严 重的地方一般是在流速最高处 ， 通常位于阀芯和阀 座环 的接 触线上或附近u ， 其流速变化如 图 1所 示 。此时， 有许 多蒸汽及溶解在液体 中的气体逸 出， 形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。当流体流 出缩流 区域 时 ， 随着 阀 内流 通 面 积 的增 大 ， 流 速 减 小 ， 由于相互摩 擦 ， 部分 能量转 变为 内能 ， 静压得 以 部分恢复， 形成阀压降 A p ， 而阀后压力 P 不能再 恢复到 P 。若恢复到或高于 P 时， 气泡将迅速凝 结 而破 裂 。气 泡破 裂 的瞬间 ， 在 气泡 原来 占有 的空 间就形 成具有 高真 空 的空穴 ， 液 体在 高压差 的作用 下 ， 以极 高 的速度 流 向 空穴 ， 形 成 有 冲击 力 的微 喷 射流和压力波 ， 由于气泡中的气体和蒸汽来不及在 瞬间全 部溶解 和凝结 ， 因此 在 冲击力 的作用 下又分 成小气泡 ， 再被高压力的流体压缩 、 凝结、 破裂 ， 循 环 往复 。这种 气泡产 生 和破裂 的全过 程称 为空化 。 如 果这些 气 泡 在 阀 内 流路 和 阀 内 件 表 面 凝 结 、 破 裂 ， 对材料表面产生高频冲击 ， 形成的冲击力高达 几百甚至上千牛顿 ， 冲击 的压强高达几千兆 帕， 冲 击频率可达几万赫兹 ， 从而使材料产生疲劳导致机 械剥蚀的损害。同时， 从液体中逸出的活性气体如 氧气借助气泡凝结时放 出的热量 ， 也会对金属等材 料产生化学腐蚀。这种由于空化导致金属等材料 因机 械剥蚀 和化 学 腐蚀 受 到损 害 的现 象 称 为控 制 阀空 化气蚀 。所 以 ， 空化是 一 种两 阶段 现 象 液 体内部形成空腔或气泡， 即闪蒸 阶段； 这些气泡破 裂 ， 即空化 阶段 。气蚀 是空 化作用 对材料 的侵蚀 。 1 ． 2闪蒸 和气 蚀造成 的危 害 气泡的形成和破灭均在极短的时间内完成 ， 但 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 0 7 。 作者简 介刘 芳 1 9 8 3 一 ， 女 ， 湖北 武汉人 ， 2 0 0 8年毕业于 武汉工程 大学检查技术 与 自动化装置专业 ， 硕 士， 现工作 于中国五 环工程有 限公司 电控室 ， 主要从事 自控专业工程设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 刘芳． 控制阀闪蒸和空化现象及阻塞流的计算 其破灭时产生的冲击力是相当大的， 会对阀门及管 道产生极大的破坏作用 ， 主要体现在三个方面 a 阀 门损 坏 。空化 现 象造 成 的气 蚀 对 阀芯 和 阀座的破坏极其严重， 密封面 因经常受到空化现象 产生的冲击 ， 形成类 似于煤渣 的粗糙表面 ， 致使 阀 门泄漏。气 蚀 造成 的损坏 可延 伸 至邻 近的下 游 管道 。 b 振动。空化现象发生时使阀门在垂直和水 平方向产生剧烈的振动， 加速了管道和阀门的机械 磨 损 ， 同时 振 动 造 成 紧 固 件 松 动 ， 直 接 威 胁 安 全 生 产 。 C 噪声 。空 化现 象 由于气 泡 爆 裂会 产 生 一 种 类 似于砂 石 流过 阀 门的噪声 ， 影 响操 作 环境 。 1 ． 3防止 闪蒸或 气蚀 的措 施 a 以某种方式改变工艺系统以防止气蚀的产 生。例如通过降低 液体温度或在一定差压下 提高 阀前或阀后压力 ， 使流体 在缩流处不低 于其蒸 汽 压 ， 则 气 蚀就 可 以避 免 ； 将 阀 门移 到 下 游 处有 较 高 静压头的位置可以提高 P 的值 ； 增加一个 限流孔 板或类似 的背压装置也能升高阀门 P 的值。 b 提高材质 硬度。选用硬质合金作为 阀芯 ， 或在 可能 发生 闪蒸 的部 位焊 接硬 质材 料 ， 提高 材质 硬度 ， 减少 冲刷。采用套筒阀比直通单、 双座 阀更 适用 于较 高压差 产 生 闪蒸和 空化 的场 合 ， 在产 生空 化的情况下， 气泡破裂产生的冲击力作用在阀芯下 面的空问内和套筒 内， 冲击能量也没有直接作用于 阀芯上， 使 阀体免受 闪蒸和空化的破坏。 C 降低流体流速。设计合理流路 ， 降低下游 流体流速 ， 从而降低冲刷速度 。例如 在控制阀下 游设 置扩 径管 ， 降低 流速 。 d J 选 用合 适 的控制 阀类 型和 流 向。不 同 的控 制阀和流 向， 其压力恢复系数 F． ． 不 同。选用 F 大的控制 阀类型和流 向， 可 防止发生阻塞 流。例 如对易汽化的液体， 不宜选用高压力恢复的球 阀 或蝶阀， 可选用低压力恢复的单座阀等。 e 控制压降 ， 使 汽蚀不发 生。采用多级降压 的方法 ， 使控制阀的压降分 为几级 ， 每个较小 的压 降都保证不使缩流处压力低于液体的饱和蒸汽压 力 ， 从而消除气泡 的产生 ， 使气蚀不发生。例如 ， 采 用直通高压差控制 阀可有效地 防止高压差流体产 生闪蒸 、 气蚀等破坏 ， 也可消除高压差气体或蒸汽 所 产生 的 噪音 。 除 此之 外 ， 还 可 以采用 增 加 阀门 窗 口后 的管 道 截 面 ， 先 采用 节流 孔节 流 ， 最后 装控 制 阀 ； 需 加热 的 流体的流量控制阀尽量设在加热前等方法 ， 因为液 体 的温度越高 ， 就越容易产生气蚀和闪蒸 。以上措 施均可以有效地降低或避免闪蒸或气蚀破坏。 2阻塞流 现 象 阻塞流是指不可压缩流体或可压缩流体在流 过 控 制 阀时所 达到 的最 大流 量状 态 即极 限状 态 。 在 固定入 口条件 下 ， P 保持 一定 而逐 步 降低 P 时 ， 流 经控 制 阀 的流 量 会 增 加 到一 个 极 限值 ， 再 继 续降低 P ， 流量不再增加 ， 这个极 限流量即为阻塞 流 。由阻塞流产生的条件即可得知， 出现阻塞流时 不一定会发生闪蒸和空化现象 ， 但发生闪蒸和空化 时 势必 会产 生 阻塞流 。 若 节流 孔后 发生 空化 作用 ， 许 多气 泡集 中在 节 流 孔后 ， 自然影 响 了流量 的增 加 ， 产生 了阻 塞情况 。 因此， 闪蒸和空化作用产生前后的流量系数计算公 式 必然 不 同 。 以下 以液体介质 的流量 系数 的计算 为例在 计算 液体 介 质 的流量 系数 时 ， 应 首先 判 别流体 是 否 为 阻塞 流 。 非阻塞流判别式 A p A p ， 故 会产 生 阻 塞流 。 K v 一 。 叭 q √ 一 s z Cv 一 1 ．1 6 7Kv一 8 ．5 45 从 以上实例可知， 若 给定 阀压 降较大 ， 在进行 流量 系数计 算时 ， 应 首先 判断 是否产 生 阻塞 流 。因 为在产 生 阻塞流 的情况 下 ， 流 量系数 中计算 用 的阀 压降不再是给定阀压降， 而是产生阻塞流的最小压 降。所 以这时候算 出的流量系数将大于用给定压 降算出的流量系数 ， 必须选择更大尺寸的阀才能保 证 流过 给定 的流量 。 4 结束 语 该 文对 控 制 阀常 见 的 闪蒸 和空 化 问题 剖 析 了 原因并给出了相应的预防措施 。流量系数是表示 控制阀容量大小 、 结构及流路形式对流通能力的影 响的重要参数 ， 该文通过实例介绍 了阀门的选型和 流 量系数 的计算 方法 。 参考文献 [ 1 ] 何衍 庆， 邱宣振． 控制阀工程设 计与应用 [ M] ． 北京 化学 工 业出版， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 吴 国熙．控 制 阀 使 用 与 维 修 [ M] ． 北 京 化 学 工 业 出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] E ME R S O N． 控 制 阀 手 册 [ M] ．新 加 坡 F i s h e r C o n t r o l s De v i c e Co． Lt d ．， 1 9 9 9 ． [ 4 ] 陆德 民， 张振基 ， 黄步余． 石油化工 自动控 制设计手 册[ M] ． 3 版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 5 ] 何谦 ， 陈明洪 ， 马志勇． 阻塞流及其对控 制阀流量系数计算 的影 响口] ． 大氮肥 ， 2 0 0 4 ， 2 7 3 1 9 0 1 9 3 ． [ 6 ] 奚文群 ， 谢海 维． 控制阀 口径计算指南 [ G ] ． 化学工业部 自动 控制设计技术中心站， 2 0 0 8 ． [ 7 ] 明赐东． 调节阀计算 、 选型 、 使用[ M] ． 成都 成都科技大学 出 版社 ， 1 9 9 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m