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為何調(diào)節(jié)閥應(yīng)避免在小開度下工作?

發(fā)布日期:2022-03-06

控制調(diào)節(jié)閥是流程工業(yè)工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過程控制生產(chǎn)的終端控制元件�?刂普{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)品質(zhì)的好壞,將直接影響工廠自動(dòng)過程控制質(zhì)量。因此,保證調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定可靠的工作,對(duì)于流程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)而言,相當(dāng)重要。在實(shí)際應(yīng)用中,小開度是造成閥壽命縮短的主要原因之一。那么為什么小開度會(huì)對(duì)控制閥壽命造成影響呢?


小開度的影響

首先會(huì)造成沖蝕。小開度導(dǎo)致流道間隙過小,介質(zhì)流速過大,對(duì)調(diào)節(jié)閥閥芯、閥座沖刷非常厲害,將使閥的壽命成倍下降,甚至短期內(nèi)可使調(diào)節(jié)閥報(bào)廢。

其次,小開度導(dǎo)致劇烈的壓力、流速變化。當(dāng)超過調(diào)節(jié)閥的剛度時(shí),導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生劇烈震蕩。

第三,流關(guān)狀態(tài)下工作的調(diào)節(jié)閥,會(huì)出現(xiàn)跳躍關(guān)閉和跳躍啟動(dòng)現(xiàn)象,調(diào)節(jié)閥在這個(gè)開度內(nèi)是不能進(jìn)行正常調(diào)節(jié)的。閥門開度如果在3%左右,閥門閥芯密封面距離節(jié)流口太近,對(duì)于閥芯的密封面損傷很大。

第四,一些種類的閥門不適于小開度工作。如蝶閥,小開度時(shí)不平衡力矩大,會(huì)產(chǎn)生跳開、跳關(guān)現(xiàn)象。再如氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥如果是直通雙座調(diào)節(jié)閥,由于該類型閥門有兩個(gè)閥芯兩個(gè)閥座,平時(shí)一個(gè)閥芯處于流開狀態(tài),另一個(gè)閥芯處于流閉狀態(tài),這種閥門雖然對(duì)于泄漏量要求不嚴(yán),但是閥門處于小刻度時(shí),閥門穩(wěn)定性變得很差,并且容易產(chǎn)生震蕩。

總之,如果調(diào)節(jié)閥能夠正常工作,不被經(jīng)常沖刷,提高閥的使用壽命,調(diào)節(jié)閥應(yīng)避免在小開度下工作。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),閥門刻度通常至少應(yīng)大于8%~12%,但對(duì)于高壓閥、雙座閥、蝶閥、處于流閉狀態(tài)的調(diào)節(jié)閥而言,應(yīng)大于20%(線性閥)~30%(對(duì)數(shù)閥)。


小開度引起閃蒸汽蝕

閃蒸和汽蝕是由阻塞流引起,當(dāng)流體工質(zhì)流過控制調(diào)節(jié)閥閥座口的最小流道縮徑處產(chǎn)生的。當(dāng)流體工質(zhì)流過縮徑處,流束變細(xì)收縮。流束的最小橫斷面出現(xiàn)在實(shí)際縮徑處的下游,而不是縮徑處。在縮流斷面處,流體工質(zhì)的流速最大,流速增加伴隨著縮流斷面處的壓力大大降低,流體工質(zhì)在下游隨著流束擴(kuò)展,速度下降,壓力增加。當(dāng)縮流斷面處的流體壓力低于該溫度下流體的飽和蒸汽壓力時(shí),流束中將產(chǎn)生汽泡,形成氣液兩相流。如果流體在縮流斷面的下游,也就是閥門的出口壓力仍然低于該溫度下流體的飽和蒸汽壓力,汽泡將在閥門的下游大量產(chǎn)生,就造成了閃蒸現(xiàn)象。壓力越低,汽泡產(chǎn)生量越大,閃蒸現(xiàn)象越嚴(yán)重。

如果下游壓力恢復(fù)到該溫度下流體的飽和蒸汽壓力以上,汽泡會(huì)破裂或向內(nèi)爆炸,從而產(chǎn)生汽蝕。蒸汽汽泡破裂釋放出能量,會(huì)產(chǎn)生一種類似于砂石流過閥門的噪聲。當(dāng)控制調(diào)節(jié)閥處于小開度時(shí),會(huì)明顯感覺到有流體通過的噪聲,閥體振動(dòng)也會(huì)加強(qiáng),這就是發(fā)生了汽蝕。

閃蒸工況與汽蝕工況相比,閃蒸工況的氣液兩相流將在閥門縮流處后整個(gè)下游都存在,比汽蝕工況氣液兩相流的作用時(shí)間長(zhǎng),對(duì)閥門及管道的破壞作用要大。

   

閃蒸的危害

閃蒸帶來的危害主要有機(jī)械磨損和腐蝕。一方面,汽泡內(nèi)攜帶液滴,在流經(jīng)閥體的接觸面時(shí),對(duì)界面有強(qiáng)烈的撞擊效果,并且由于氣體的流速快,對(duì)界面造成有角度的沖擊,使得與汽泡接觸的閥體內(nèi)部沖蝕嚴(yán)重;另一方面,當(dāng)閥體與流體的接觸面發(fā)生機(jī)械磨損時(shí),會(huì)破壞原有的經(jīng)過處理的金屬表面,且由于一些工藝中介質(zhì)大多為水,其中含有氧氣,會(huì)在金屬表面形成新的氧化物,使金屬表面發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。

閃蒸沖刷破壞的特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形。沖刷嚴(yán)重的地方一般在流速最高處,通常位于閥芯和閥座的接觸線上或附近,因此閥體內(nèi)件也要選擇耐沖蝕性能好的。



汽蝕的危害

汽蝕的危害主要是汽泡迅速破裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊力,和破裂時(shí)形成的高速射流產(chǎn)生的巨大沖擊力對(duì)金屬面產(chǎn)生較強(qiáng)的沖蝕作用。

如果汽泡在接近閥門內(nèi)固體表面處破裂,釋放的能量會(huì)慢慢地撕裂材料,在閥芯表面留下類似于煤渣的粗糙表面。如果汽泡在下游管道中破裂,會(huì)對(duì)下游管道產(chǎn)生類似的破壞。


應(yīng)對(duì)方案

解決小開度下調(diào)節(jié)閥工作問題有好多種方法,常見的大概有如下幾種:


1.降低兩端壓差

根據(jù)流量方程,當(dāng)前后壓差減小時(shí),流量也相應(yīng)減小,為保持閥的流量不變,就要增大閥的開度。因此,可以工藝管道上與調(diào)節(jié)閥相串聯(lián)的手動(dòng)閥門,關(guān)閉至調(diào)節(jié)閥需要的工作開度為止,或者在調(diào)節(jié)閥后增加限流孔板消耗部分壓降。這兩種方法都是增加管路上的壓降,以便減少閥上的壓降,因?yàn)橄到y(tǒng)總壓降等于管路壓降加上調(diào)節(jié)閥上的壓降,由于系統(tǒng)總壓降不變,所以當(dāng)管路壓降增大時(shí),閥上壓降必然減小。


2.縮小閥口徑

同樣根據(jù)流量方程,直徑減小時(shí),流量也減小,因此為保持通過調(diào)節(jié)閥的流量不變,就必然要加大開度,這樣也可避免閥在小開度下工作�?趶介y的口徑、閥座的直徑有關(guān),可以換一臺(tái)小檔口徑的閥,或通過內(nèi)部縮徑,閥體不變,換小檔的閥芯閥座實(shí)現(xiàn)。


3.應(yīng)對(duì)閃蒸

通過對(duì)閃蒸產(chǎn)生原理的分析,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道的流動(dòng)特性與流體溫度一定后,對(duì)于任何閥門來說都是無(wú)法防止閃蒸現(xiàn)象的。因此,應(yīng)從改變下游管道流動(dòng)特性和提高閥體的耐沖蝕能力兩個(gè)方面來減小閃蒸的破壞作用。

從設(shè)計(jì)方面考慮應(yīng)盡量提高閥門的背壓,一是將調(diào)節(jié)閥門布置在具有較高靜壓頭的位置可以提高閥門的背壓;二是增加節(jié)流孔板或類似的提高背壓裝置,提高閥門的背壓。

在閥門選型時(shí)應(yīng)考慮:一是盡量選擇直行程角閥,從閥門結(jié)構(gòu)來考慮,角閥沒有改變流體的流向,流體的流向在閥內(nèi)仍保持自上而下,減少了沖擊閥門表面液滴的數(shù)量,但是直行程角閥成本較高,一般只用于工況惡劣和重要場(chǎng)合;二是可以選擇下游帶有擴(kuò)展式流通區(qū)域的閥門,流體在經(jīng)過最小縮流面時(shí),速度達(dá)到最大,此時(shí)如有一個(gè)較大范圍的擴(kuò)流區(qū),將會(huì)使流速迅速降低,從而減少對(duì)閥體的沖刷;三是閥體選擇材質(zhì)硬度高的材料增強(qiáng)其抗機(jī)械磨損和腐蝕的能力,減小閃蒸的破壞作用,對(duì)于肯定會(huì)被流體沖刷的閥內(nèi)表面的區(qū)域,如閥座表面和閥芯采取表面鍍合金的硬化處理,提高其表面的抗沖刷能力。


4.應(yīng)對(duì)汽蝕

由于汽蝕的閥后壓力可以恢復(fù)到高于液體的飽和蒸汽壓力,因此可以通過控制閥體內(nèi)的壓降過程來消除汽蝕現(xiàn)象�?刂崎y使用多級(jí)降壓內(nèi)件,可以把通過閥門的壓降分成數(shù)個(gè)較小的壓降區(qū)域,每一個(gè)較小的壓降區(qū)域都確保在縮流斷面處的壓力大于流體溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力,防止蒸汽氣泡的形成。


同樣,應(yīng)對(duì)必然受到?jīng)_刷的閥芯和閥門內(nèi)表面應(yīng)進(jìn)行表面硬化處理,提高易被流體沖刷的閥芯和閥內(nèi)表面的抗沖刷能力。

在運(yùn)行過程中,也可以通過一些方法來降低調(diào)節(jié)閥壓降,達(dá)到防止閥門汽蝕的目的。在大容量機(jī)組中,凝結(jié)水和凝補(bǔ)水管路中一般配置30%負(fù)荷和70%負(fù)荷調(diào)節(jié)閥,在運(yùn)行操作中,如果在低負(fù)荷下,使用70%負(fù)荷調(diào)節(jié)閥,會(huì)使P降低量增大,易產(chǎn)生汽蝕,應(yīng)嚴(yán)格按照隨負(fù)荷增加先使用30%負(fù)荷調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié),再投入70%負(fù)荷調(diào)節(jié)閥。可以通過關(guān)小調(diào)節(jié)閥后電動(dòng)截止閥的開度,相當(dāng)于在調(diào)節(jié)閥后增加了一個(gè)節(jié)流空板,可以減小調(diào)節(jié)閥的必須壓降。


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