调节阀气蚀机理分析及其选型

2018-01-18王晶

自动化与仪表 2017年4期

王晶

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

高压差液体介质工况下，调节阀易产生阻塞流，并可能发生气蚀。这种情况下不仅影响阀门尺寸的计算，而且很可能导致严重的噪声、震动和阀内件的冲刷和腐蚀，进而影响调节阀的寿命和调节性能，甚至导致整个过程工艺系统的失效和停机。因此，调节阀的气蚀工况必须在材料选择、阀门结构及工艺条件上进行必要的应对，规避风险。

1 气蚀产生机理

液体介质在阀芯处节流时，流速增加，压力下降，如图1所示，P1为阀门入口压力，Pvc为阀门缩流断面处的压力，Pv为液体饱和蒸汽压。当压力降低到液体饱和蒸汽压以下时，液体气化，这一现象称为闪蒸。介质流过节流处后，流速下降，压力恢复，若此时阀后压力P2仍小于饱和蒸汽压，则阀门仅有闪蒸工况；若压力恢复到大于液体饱和蒸汽压时，闪蒸产生的气泡破裂变为液体状态。这时气泡破裂释放的巨大能量会引起阀门噪音、震动及阀内件的损坏，这一现象即为气蚀[1]。

图1 调节阀压力分布示意Fig.1 Pressure profile through control valve

由以上分析可知，产生气蚀的前提是闪蒸，而发生闪蒸的原因是节流引起了压力的降低，产生闪蒸的临界压差，即形成阻塞流的压差[2]。当阀门前后压差满足式（1）时，阻塞流形成，闪蒸工况发生。此时阀后压力大于饱和蒸汽压，则产生气蚀。

式中：ΔP 为阀门前后压力差，ΔP＝P1-P2；FL为阀门压力恢复系数，；FF为液体临界压力系数，此处FF未考虑管线形式因素。

2 抗气蚀阀门选型

2.1 阀门材料选择

阀门材料的选择不是为了消除气蚀，而是尽可能减小或隔离其破坏。这种方法的目标是把气蚀与阀内表面隔离开来，并硬化那些会受到气蚀冲击的表面，如阀座表面，选择尽可能硬的材料或堆焊司太莱合金等[4]。这种方式的独立应用仅适用于气蚀程度不高的情况。

2.2 改变工艺条件

如果能将P2升高以致于缩流断面处的压力不会降到蒸汽压力以下，也就是说阀门不再被阻塞，不会发生闪蒸，那么气蚀就可以避免了。将阀门移到下游处有较高静压头的位置可以提高P2的值。增加一个限流孔板或类似的背压装置也能升高阀门的P2值；下游存在把气蚀从阀门转移到限流孔板处的潜在的可能性[4]。

2.3 阀门结构的选择

多级降压阀如多级套筒、多级轴流式阀，可以使流体在通过缩流断面处的压力都高于在该温度下的饱和蒸气压，每一个较小压降都确保其缩流断面处的压力大于饱和蒸汽压力，进而消除了阻塞流即闪蒸，也就消除了气蚀，如图2所示。或者选用迷宫式、叠片式等结构阀门，使阀内流体互相撞击，进而减少气泡的产生、消除气蚀影响。同时选择压力恢复系数小的阀门，也可以减少气蚀发生和破坏。

图2 多级降压抗气蚀原理Fig.2 Multi-stage pressure reducing to anti cavitation

3 抗气蚀阀门判定方法

若已选定阀门，可以通过气蚀系数δ定量来判断其抗气蚀能力和选型的合理性[5]。

气蚀系数δ是基于气蚀等级来定义的，如图3所示[6]，随着δ的减小，震动逐渐增大。图3是在实验基础上获得的，从最大可能压差ΔP开始逐渐降低，保持上游压力P1和温度，测量每个噪音、震动和流量，进而获得气蚀系数与气蚀程度关系图。δi为气泡开始形成，气蚀开始发生的点，δc是气蚀持续稳定发生的点，δmv为震动最大等级点。在δi和δc之间为气蚀开始发生区，在这一区域气蚀对阀门的损坏并不大。因此，将阀门的工作范围限制在δc以右是一种相对保守的做法。δc和δmv之间区域为气蚀完全发展区，在这一区域的某一点阀门开始被损坏，叫做初始破坏点。

图3 气蚀系数等级示意Fig.3 Cavitation index level plot

制造商推荐气蚀系数限值δmr用于指定特定阀门的工作极限。由图3可以看出，当操作工况的气蚀系数大于δmr时，即可认为阀门适用当前工况，选型合理。但是δmr是制造商在特定阀门尺寸和压力下的试验结果，所以制造商给出的δmr需要对尺寸和压力进行整定，为此引入压力整定系数PSE和尺寸整定系数SSE，则阀门实际气蚀限值δv为