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為何調節閥應避免在小開度下工作?

發布日期:2021-03-16

    控制調節閥是流程工業工廠實現自動過程控制生產的終端控制元件?刂普{節閥調節品質的好壞,將直接影響工廠自動過程控制質量。因此,保證調節閥穩定可靠的工作,對于流程工業自動化系統而言,相當重要。在實際應用中,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對控制閥壽命造成影響呢?


小開度的影響

    首先會造成沖蝕。小開度導致流道間隙過小,介質流速過大,對調節閥閥芯、閥座沖刷非常厲害,將使閥的壽命成倍下降,甚至短期內可使調節閥報廢。

    其次,小開度導致劇烈的壓力、流速變化。當超過調節閥的剛度時,導致調節閥產生劇烈震蕩。

    第三,流關狀態下工作的調節閥,會出現跳躍關閉和跳躍啟動現象,調節閥在這個開度內是不能進行正常調節的。閥門開度如果在3%左右,閥門閥芯密封面距離節流口太近,對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,小開度時不平衡力矩大,會產生跳開、跳關現象。再如氣動薄膜調節閥如果是直通雙座調節閥,由于該類型閥門有兩個閥芯兩個閥座,平時一個閥芯處于流開狀態,另一個閥芯處于流閉狀態,這種閥門雖然對于泄漏量要求不嚴,但是閥門處于小刻度時,閥門穩定性變得很差,并且容易產生震蕩。

    總之,如果調節閥能夠正常工作,不被經常沖刷,提高閥的使用壽命,調節閥應避免在小開度下工作。根據實際經驗,閥門刻度通常至少應大于8%~12%,但對于高壓閥、雙座閥、蝶閥、處于流閉狀態的調節閥而言,應大于20%(線性閥)~30%(對數閥)。


小開度引起閃蒸汽蝕

    閃蒸和汽蝕是由阻塞流引起,當流體工質流過控制調節閥閥座口的最小流道縮徑處產生的。當流體工質流過縮徑處,流束變細收縮。流束的最小橫斷面出現在實際縮徑處的下游,而不是縮徑處。在縮流斷面處,流體工質的流速最大,流速增加伴隨著縮流斷面處的壓力大大降低,流體工質在下游隨著流束擴展,速度下降,壓力增加。當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,流束中將產生汽泡,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生,就造成了閃蒸現象。壓力越低,汽泡產生量越大,閃蒸現象越嚴重。

    如果下游壓力恢復到該溫度下流體的飽和蒸汽壓力以上,汽泡會破裂或向內爆炸,從而產生汽蝕。蒸汽汽泡破裂釋放出能量,會產生一種類似于砂石流過閥門的噪聲。當控制調節閥處于小開度時,會明顯感覺到有流體通過的噪聲,閥體振動也會加強,這就是發生了汽蝕。

    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下游都存在,比汽蝕工況氣液兩相流的作用時間長,對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械磨損和腐蝕。一方面,汽泡內攜帶液滴,在流經閥體的接觸面時,對界面有強烈的撞擊效果,并且由于氣體的流速快,對界面造成有角度的沖擊,使得與汽泡接觸的閥體內部沖蝕嚴重;另一方面,當閥體與流體的接觸面發生機械磨損時,會破壞原有的經過處理的金屬表面,且由于一些工藝中介質大多為水,其中含有氧氣,會在金屬表面形成新的氧化物,使金屬表面發生腐蝕的現象。

    閃蒸沖刷破壞的特點是受沖刷表面有平滑拋光的外形。沖刷嚴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產生的沖擊力,和破裂時形成的高速射流產生的巨大沖擊力對金屬面產生較強的沖蝕作用。

    如果汽泡在接近閥門內固體表面處破裂,釋放的能量會慢慢地撕裂材料,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,會對下游管道產生類似的破壞。


應對方案

    解決小開度下調節閥工作問題有好多種方法,常見的大概有如下幾種。


    降低兩端壓差

    根據流量方程,當前后壓差減小時,流量也相應減小,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節閥相串聯的手動閥門,關閉至調節閥需要的工作開度為止,或者在調節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,因為系統總壓降等于管路壓降加上調節閥上的壓降,由于系統總壓降不變,所以當管路壓降增大時,閥上壓降必然減小。


    縮小閥口徑

    同樣根據流量方程,直徑減小時,流量也減小,因此為保持通過調節閥的流量不變,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,可以換一臺小檔口徑的閥,或通過內部縮徑,閥體不變,換小檔的閥芯閥座實現。


    應對閃蒸

    通過對閃蒸產生原理的分析,可以發現當管道的流動特性與流體溫度一定后,對于任何閥門來說都是無法防止閃蒸現象的。因此,應從改變下游管道流動特性和提高閥體的耐沖蝕能力兩個方面來減小閃蒸的破壞作用。

    從設計方面考慮應盡量提高閥門的背壓,一是將調節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。

    在閥門選型時應考慮:一是盡量選擇直行程角閥,從閥門結構來考慮,角閥沒有改變流體的流向,流體的流向在閥內仍保持自上而下,減少了沖擊閥門表面液滴的數量,但是直行程角閥成本較高,一般只用于工況惡劣和重要場合;二是可以選擇下游帶有擴展式流通區域的閥門,流體在經過最小縮流面時,速度達到最大,此時如有一個較大范圍的擴流區,將會使流速迅速降低,從而減少對閥體的沖刷;三是閥體選擇材質硬度高的材料增強其抗機械磨損和腐蝕的能力,減小閃蒸的破壞作用,對于肯定會被流體沖刷的閥內表面的區域,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。


    應對汽蝕

    由于汽蝕的閥后壓力可以恢復到高于液體的飽和蒸汽壓力,因此可以通過控制閥體內的壓降過程來消除汽蝕現象?刂崎y使用多級降壓內件,可以把通過閥門的壓降分成數個較小的壓降區域,每一個較小的壓降區域都確保在縮流斷面處的壓力大于流體溫度對應的飽和蒸汽壓力,防止蒸汽氣泡的形成。


    同樣,應對必然受到沖刷的閥芯和閥門內表面應進行表面硬化處理,提高易被流體沖刷的閥芯和閥內表面的抗沖刷能力。

    在運行過程中,也可以通過一些方法來降低調節閥壓降,達到防止閥門汽蝕的目的。在大容量機組中,凝結水和凝補水管路中一般配置30%負荷和70%負荷調節閥,在運行操作中,如果在低負荷下,使用70%負荷調節閥,會使P降低量增大,易產生汽蝕,應嚴格按照隨負荷增加先使用30%負荷調節閥調節,再投入70%負荷調節閥?梢酝ㄟ^關小調節閥后電動截止閥的開度,相當于在調節閥后增加了一個節流空板,可以減小調節閥的必須壓降。



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