调节阀汽蚀现象的分析与控制
  摘要:分析了汽蚀的产生原因和给调节阀带来的影响与危害,介绍了有效防止汽蚀破坏阀门的方法,以延长阀门的使用寿命,阀门的可靠性能。
关键词:调节阀,汽蚀,闪蒸,饱和压力,压差
1 　概述
  在很多有水力机械的地方,经常可以看到调节阀、减压阀等节流阀的阀瓣和阀座等零件内部产生磨痕、深沟及凹坑,这些大多是由汽蚀引起的。汽蚀是一种水力流动现象,这种现象既能引起调节阀流通能力kV 减小,又能产生噪音、振动及对设备的损害,进而严重影响阀门的使用性能和寿命。因此控制和降低调节阀受汽蚀的影响是阀门设计和使用时要考虑的问题之一。
2 　汽蚀和闪蒸
  汽蚀是材料在液体的压力和温度达到临界值时产生的一种破坏形式,分为闪蒸和空化两个阶段。闪蒸是一种非常快速的转变过程,当流体流经调节阀时,由于阀座和阀瓣形成局部收缩的流通面积,产生局部阻力,使流体的压力和速度发生变化(见图1) 。当压力为P1 的流体流经节流孔时,流速突然急剧增加,静压骤然下降,当孔后压力P2 在达到该流体所在情况下的饱和蒸汽压力Pv 前,部分流体汽化成气体,产生气泡,形成气液两相共存现象,称为闪蒸阶段,可见它是一种系统现象。调节阀不能避免闪蒸的产生,除非系统条件改变。而当阀门中液体的下游压力又升回来,且高于饱和压力时,升高的压力压缩气泡,使之突然破裂,称为空化阶段。在空化过程中饱和气泡不再存在,而是迅速爆破变回液态。由于气泡的体积大多比相同的液体体积大。所以说,气泡的爆破是从大体积向小体积的转变。空化是一种从液态→饱和→液态的转变过程,它不同于闪蒸现象。
  汽蚀过程中气泡破裂时所有的能量集中在破裂点上,产生几千牛顿的冲击力,冲击波的压力高达2 ×103 MPa ,大大超过了大部分金属材料的疲劳破坏极限。同时,局部温度高达几千摄氏度,这些过热点引起的热应力是产生汽蚀破坏作用的主要因素。闪蒸产生侵蚀破坏作用,在零件表面形成光滑的磨痕。汽蚀如同砂子喷在零件表面一样,将零件表层撕裂,形成粗糙的渣孔般的外表面。在高压差恶劣条件下,极硬的阀瓣和阀座也会在很短时间内遭到破坏,发生泄漏,影响阀门的使用性能。同时汽蚀过程中,空化时气泡破裂释放出巨大的能量,引起内部零件的振动,产生高达10 kHz 的噪声,气泡越多,噪声越严重。
3 　防止汽蚀破坏的方法
  调节阀里的闪蒸是不能预防的。所能做到的是防止闪蒸的破坏。在调节阀设计中影响着闪蒸破坏的因素主要有阀门结构、材料性能和系统设计。对于空化破坏,可以采用曲折路径、多级减压和多孔节流的阀门结构形式予以防止。
1) 阀门结构。
  虽然阀门结构与产生闪蒸无关,但是却能抑制闪蒸的破坏。采用介质由上至下方向流动的角形阀结构比用球形阀体更能防止闪蒸破坏。闪蒸破坏是高速度的饱和气泡冲击阀体表面,并腐蚀阀体表面造成的。由于角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心,而不象球形阀一样直接冲击体壁,所以大大减弱了闪蒸的破坏力。
2) 材料选择。
  一般情况下,高硬度的材料更能抵御闪蒸和空化的破坏。硬度高的材料一般用于制造阀体。如电力行业常选用铬钼合金钢阀门,WC9 是常用抗腐蚀的材料之一。如果角形阀下游配装材料硬度高的管道,其阀体可以选用碳钢材料,因为仅仅在阀体下游部分才有闪蒸液体。
3) 系统设计。
  闪蒸现象是由系统设计所决定的,图2 为加热排水阀将闪蒸水排向冷凝器的系统。图2a) 的闪蒸出现在调节阀与冷凝器之间的管道里,闪蒸破坏只会出现在这个区域。图2b)的闪蒸现象产生在阀门的下游和冷凝器中。所以冷凝器相对于管道来说必须具有更大的容积,以防止高速度的气泡冲击材料表面。因此良好的系统设计有助于防止闪蒸破坏的发生。
4) 曲折路径。
  使流动介质通过一个含有曲折路径的节流件是减小压力恢复的一种方法。尽管这种曲折路径可以有不同的形式,如小孔、放射状的流路等。但是每一种设计的效果基本上是一样的。这种曲折路径在各种控制汽蚀现象发生的部件设计中都是可以利用的。
5) 多级减压。
  多级减压中的每一级都消耗一部分能量,使得下一级的入口压力相对较低,减小了下一级的压差,压力恢复低,避免了汽蚀的产生。一个成功的设计可以使阀门在承受较大压差的同时还能保持缩流后的压力高于液体的饱和压力,防止液体汽蚀的产生。因此对于相同的压力降,一级节流比多级节流更容易产生汽蚀。
6) 多孔节流设计。
  多孔节流是一种综合设计方案。采用特殊的阀座和阀瓣结构形式,使高速液体通过阀座和阀瓣每一点的压力都高于该温度下的饱和蒸汽压,并采用汇聚喷射的方法,使调节阀中液体的动能由于相互摩擦而转换成热能,从而减少气泡的形成。另一方面,使气泡的破裂发生在套筒中心,避免了对阀座和阀瓣表面的直接破坏。
  每种不同的小孔设计都影响着阀门的压力恢复程度。图3a)薄形金属板式结构流通效率差,但压力恢复系数KM 值较高,具有较低的压力恢复,不易产生汽蚀。图3b) 厚形金属板式结构流通能力较高,但压力恢复系数KM 值较低,易产生汽蚀现象。图3c) 复合式结构是前两种设计的综合与平衡,不但有较高的流通能力而且仍能保持较高的KM 值,从而具备较低的压力恢复,避免了汽蚀现象的发生。因此这种设计是预防汽蚀很典型的有效方案之一。
4 　结语
  汽蚀是调节阀装置中为常见的流动现象,但是通过合理的阀门设计和优化阀门结构可以有效地控制汽蚀所带来的破坏,从而延长阀门的使用寿命,阀门的可靠性能。