调节阀气蚀现象的分析及改进措施
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2 气蚀机理
气蚀是一种水力流动现象 , 气蚀的直接原因是 管道流体因阻力的突变产生了闪蒸及空化 。在工艺 系统中调节阀属节流部件 , 起变阻力元件的作用 , 其核心是一个可移动的阀瓣与不动的阀座之间形成 的节流窗口 , 改变阀瓣位置就可改变调节阀的阻力 特性 , 进而改变整个工艺系统的阻力特性。在高压 差 ( △p > 215MPa) 时 , 调节阀的调节过程就是阻 力的突变过程 , 此过程极易产生气蚀 。为便于分析 , 将调节阀的节流过程模拟为节流孔调节式 (图 1) ,
Abstract: In th is a rtic le w e ana lyze the reason fo r cav ita tion occu rring, and in troduce the m e thod to avo id o r p ro long the effec t of cav ita tion w hen the con tro l is used. Key words: con tro l va lve; cav ita tion; f lash ing; ste llite2a lloy
— 42 — 阀化的产生 。而产生空化的临界压差即 阻塞流形成的压差 △pT 为 △pT = FL 2 ( p1 - pvc ) 式中 FL ———压力恢复系数
压 , 或使液体本身相互冲撞 , 在通道间导致高度紊 流 , 使液体的动能由于相互摩擦而变为热能 , 可减 少气泡的形成 。
2009年第 6期 阀 门 — 4 1 —
文章编号 : 100225855 ( 2009) 0620041202
调节阀气蚀现象的分析及改进措施
张海亮 , 袁菊霞 (上海凯士比泵有限公司 , 上海 200245)
摘要 分析了气蚀产生的原因 , 从选型 、材料和结构等不同角度介绍了调节阀使用中可避免 或延缓气蚀影响的方法 。 关键词 调节阀 ; 气蚀 ; 闪蒸 ; 司太莱合金 中图分类号 : TP214 文献标识码 : A
分析结果证明 , 空化是因为压力的突变所引 起 , 而系统要求的压降又不能降低 , 所以采用将一 次大的 压 力 突 变 分 解 为 若 干 次 的 多 级 阀 瓣 结 构 (图 3) , 这种结构的阀瓣可以把总压差分成几个小 压差 , 逐级降压 , 使每一级都不超过临界压差 。或 设计成特殊结构的阀瓣和阀座 , 如迷宫式阀瓣及叠 片式阀瓣等 , 都可以使高速流体在通过阀瓣和阀座 时 , 每一点的压力都高于在该温度下的饱和蒸汽
图 1 空化现象的形成
在工艺条件允许的情况下尽量选用 △p < △pT 的阀门 , 即选用压力恢复系数小的阀门 , 如球阀或 蝶阀等 。如果工艺条件必须使 △p > △pT , 可以将 两个调节阀串联起来使用 , 这样每个调节阀的压差 △p都小于 △pT , 空化便不会产生 。如果阀的压差 △p小于 215M Pa, 一般不会产生气蚀 , 即使有气 蚀的产生也不会对阀门造成严重的损坏 。
可以看出进口压力为 p1 , 流速为 V1 的流体流经节流 孔时 , 流速突然急剧增加 , 根据流体能量守恒定律 , 流速增加静压力便骤然下降。当出口压力 p2 达到或 者低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压 pv 时 , 部分 液体就汽化为气体 , 形成气液两相共存的现象 , 此 既为闪蒸的形成 。如果产生闪蒸之后 , p2 不是保持 在饱和蒸汽压之下 , 在离开节流孔后随着流道截面 的增大流速相应减小 , 阀后压力急骤上升。升高的 压力压缩闪蒸产生的气泡 , 气泡由圆形变为椭圆形 , 随后达到临界尺寸的气泡上游表面开始变平 , 然后 突然爆裂。所有的能量集中在破裂点上 , 产生巨大 的冲击力 , 其强度可达几千牛顿。此冲击力冲撞在 阀瓣 、阀座和阀体上 , 使其表面产生塑性变形 , 形 成一个个粗糙的蜂窝渣孔 , 这便是气蚀形成的过程 。 气蚀现象不仅仅存在于高压差的调节阀内部 , 在工 业生产的很多领域都存在此现象 。
1 概述
调节阀作为自动控制调节系统中的执行部件 , 在现代工业生产中得到广泛应用 , 其控制及通讯方 式随着计算机及总线新技术的应用而发生了根本性 的转变 , 大大提高了控制的准确度及可靠性 。但在 高温高压工况使用过程中 , 管道流体往往因设备结 构设计 、安装或工艺参数设计不当等原因而产生气 蚀 , 对调节阀内件造成严重的损伤 , 同时引起整个 系统的振动及噪声 , 严重影响调节阀的使用寿命及 控制系统的精确性 , 给工业生产带来很大的隐患 。
不同结构形式的阀门有其不同的气蚀系数 δ
δ= H1 ΔP
+ H2≈ + V2
H1 + 10 ΔP
2g
式中 H1 ———阀后 (出口 ) 压力 , M Pa H2 ———大气压与其温度相对应的饱和蒸汽 压力之差 , MPa
Δp———阀门前后的压差 , M Pa
各种阀门由于构造不同 , 允许的气蚀系数 δ也
参考文献
〔1〕 吴国熙. 调节阀使用与维修 〔M 〕. 北京 : 化学工业出版 社 , 1999.
〔2〕 孙克勤. 调节阀选型计算应用技术 〔J 〕. 数据采集与处理 ,
1993, 8 ( 2) . (收稿日期 : 2009106108)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
不同 , 如计算的气蚀系数大于容许气蚀系数 , 则不
会发生气蚀 。以蝶阀容许气蚀系数为 215为例进行
说明 。当 δ> 215时 , 不发生气蚀 。当 215 >δ> 115
时 , 发生轻微气蚀 。当 δ< 115时 , 产生振动 。当 δ
< 015 时 , 如继续使用 , 则会损伤阀门和下游配
管 。从计算中可以看出 , 产生气蚀与阀门出口压力
Ana lysis of cav ita tion s and im provem en t m ea sures on con trol va lve
ZHAN G H a i2liang, YUAN J u2x ia
( KSB SHAN GHA I PUM P CO. , L TD. S hangha i 200245, C h ina)
3 防止气蚀的措施
311 类型选择 从分析可以看出 , 产生气蚀是因为发生了空
化 , 而发生空化的原因是节流引起了压力的突变 ,
作者简介 : 张海亮 ( 1970 - ) , 男 , 工程师 , 工程硕士 , 从事泵 、阀等相关产品技术工作 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
H1 有关 , 加大 H1 会使情况改变 。其改进方法很 多 , 如把阀门安装在管道较低点 , 或在阀门后管道
上装孔板增加阻力 , 也可将阀门出口直接接蓄水
池 , 使气泡炸裂的空间增大 , 气蚀减小 。
4 结语
调节阀的气蚀现象受到阀门用材料 、流体 、力 学 、结构和介质等多种因素的影响 , 通过合理的选 择 , 精确的计算 , 以及阀门新技术和新结构的应 用 , 气蚀现象会在生产中得到更好的解决 。
另外 , 选用角形调节阀也可减弱闪蒸破坏力 。 因为角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的 中心 , 而不是直接冲击体壁 , 所以减少了冲击阀体 体壁的饱和气泡数量和次数 , 相应的减少了气蚀的 发生 。 312 材料选择
从气蚀的结果分析 , 材料硬度不能抵抗气泡破 裂而释放的冲击力是造成损伤的主要原因之一 , 但 能够长时间抵御严重空化作用的材料很少 , 价格昂 贵 , 国内外常用的材料为司太莱合金 (含钴、铬 、 钨的合金 , 45HRC) 、硬化工具钢 (60HRC) 和钨碳 钢 (70HRC) 等。但硬度高的材料加工成型不方便 , 极易脆裂 , 加工成本大 , 一般常用的方法是在不锈 钢基体上进行堆焊或喷焊司太莱合金 (图 2) , 在流 体气蚀冲刷处形成硬化表面 。当硬化表面出现损伤 后 , 可以进行二次堆焊或喷焊 , 这样既能增加设备 的使用寿命 , 又减少了装置的维修费用 。 313 结构选择
气蚀是一种水力流动现象 , 气蚀的直接原因是 管道流体因阻力的突变产生了闪蒸及空化 。在工艺 系统中调节阀属节流部件 , 起变阻力元件的作用 , 其核心是一个可移动的阀瓣与不动的阀座之间形成 的节流窗口 , 改变阀瓣位置就可改变调节阀的阻力 特性 , 进而改变整个工艺系统的阻力特性。在高压 差 ( △p > 215MPa) 时 , 调节阀的调节过程就是阻 力的突变过程 , 此过程极易产生气蚀 。为便于分析 , 将调节阀的节流过程模拟为节流孔调节式 (图 1) ,
Abstract: In th is a rtic le w e ana lyze the reason fo r cav ita tion occu rring, and in troduce the m e thod to avo id o r p ro long the effec t of cav ita tion w hen the con tro l is used. Key words: con tro l va lve; cav ita tion; f lash ing; ste llite2a lloy
— 42 — 阀化的产生 。而产生空化的临界压差即 阻塞流形成的压差 △pT 为 △pT = FL 2 ( p1 - pvc ) 式中 FL ———压力恢复系数
压 , 或使液体本身相互冲撞 , 在通道间导致高度紊 流 , 使液体的动能由于相互摩擦而变为热能 , 可减 少气泡的形成 。
2009年第 6期 阀 门 — 4 1 —
文章编号 : 100225855 ( 2009) 0620041202
调节阀气蚀现象的分析及改进措施
张海亮 , 袁菊霞 (上海凯士比泵有限公司 , 上海 200245)
摘要 分析了气蚀产生的原因 , 从选型 、材料和结构等不同角度介绍了调节阀使用中可避免 或延缓气蚀影响的方法 。 关键词 调节阀 ; 气蚀 ; 闪蒸 ; 司太莱合金 中图分类号 : TP214 文献标识码 : A
分析结果证明 , 空化是因为压力的突变所引 起 , 而系统要求的压降又不能降低 , 所以采用将一 次大的 压 力 突 变 分 解 为 若 干 次 的 多 级 阀 瓣 结 构 (图 3) , 这种结构的阀瓣可以把总压差分成几个小 压差 , 逐级降压 , 使每一级都不超过临界压差 。或 设计成特殊结构的阀瓣和阀座 , 如迷宫式阀瓣及叠 片式阀瓣等 , 都可以使高速流体在通过阀瓣和阀座 时 , 每一点的压力都高于在该温度下的饱和蒸汽
图 1 空化现象的形成
在工艺条件允许的情况下尽量选用 △p < △pT 的阀门 , 即选用压力恢复系数小的阀门 , 如球阀或 蝶阀等 。如果工艺条件必须使 △p > △pT , 可以将 两个调节阀串联起来使用 , 这样每个调节阀的压差 △p都小于 △pT , 空化便不会产生 。如果阀的压差 △p小于 215M Pa, 一般不会产生气蚀 , 即使有气 蚀的产生也不会对阀门造成严重的损坏 。
可以看出进口压力为 p1 , 流速为 V1 的流体流经节流 孔时 , 流速突然急剧增加 , 根据流体能量守恒定律 , 流速增加静压力便骤然下降。当出口压力 p2 达到或 者低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压 pv 时 , 部分 液体就汽化为气体 , 形成气液两相共存的现象 , 此 既为闪蒸的形成 。如果产生闪蒸之后 , p2 不是保持 在饱和蒸汽压之下 , 在离开节流孔后随着流道截面 的增大流速相应减小 , 阀后压力急骤上升。升高的 压力压缩闪蒸产生的气泡 , 气泡由圆形变为椭圆形 , 随后达到临界尺寸的气泡上游表面开始变平 , 然后 突然爆裂。所有的能量集中在破裂点上 , 产生巨大 的冲击力 , 其强度可达几千牛顿。此冲击力冲撞在 阀瓣 、阀座和阀体上 , 使其表面产生塑性变形 , 形 成一个个粗糙的蜂窝渣孔 , 这便是气蚀形成的过程 。 气蚀现象不仅仅存在于高压差的调节阀内部 , 在工 业生产的很多领域都存在此现象 。
1 概述
调节阀作为自动控制调节系统中的执行部件 , 在现代工业生产中得到广泛应用 , 其控制及通讯方 式随着计算机及总线新技术的应用而发生了根本性 的转变 , 大大提高了控制的准确度及可靠性 。但在 高温高压工况使用过程中 , 管道流体往往因设备结 构设计 、安装或工艺参数设计不当等原因而产生气 蚀 , 对调节阀内件造成严重的损伤 , 同时引起整个 系统的振动及噪声 , 严重影响调节阀的使用寿命及 控制系统的精确性 , 给工业生产带来很大的隐患 。
不同结构形式的阀门有其不同的气蚀系数 δ
δ= H1 ΔP
+ H2≈ + V2
H1 + 10 ΔP
2g
式中 H1 ———阀后 (出口 ) 压力 , M Pa H2 ———大气压与其温度相对应的饱和蒸汽 压力之差 , MPa
Δp———阀门前后的压差 , M Pa
各种阀门由于构造不同 , 允许的气蚀系数 δ也
参考文献
〔1〕 吴国熙. 调节阀使用与维修 〔M 〕. 北京 : 化学工业出版 社 , 1999.
〔2〕 孙克勤. 调节阀选型计算应用技术 〔J 〕. 数据采集与处理 ,
1993, 8 ( 2) . (收稿日期 : 2009106108)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
不同 , 如计算的气蚀系数大于容许气蚀系数 , 则不
会发生气蚀 。以蝶阀容许气蚀系数为 215为例进行
说明 。当 δ> 215时 , 不发生气蚀 。当 215 >δ> 115
时 , 发生轻微气蚀 。当 δ< 115时 , 产生振动 。当 δ
< 015 时 , 如继续使用 , 则会损伤阀门和下游配
管 。从计算中可以看出 , 产生气蚀与阀门出口压力
Ana lysis of cav ita tion s and im provem en t m ea sures on con trol va lve
ZHAN G H a i2liang, YUAN J u2x ia
( KSB SHAN GHA I PUM P CO. , L TD. S hangha i 200245, C h ina)
3 防止气蚀的措施
311 类型选择 从分析可以看出 , 产生气蚀是因为发生了空
化 , 而发生空化的原因是节流引起了压力的突变 ,
作者简介 : 张海亮 ( 1970 - ) , 男 , 工程师 , 工程硕士 , 从事泵 、阀等相关产品技术工作 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
H1 有关 , 加大 H1 会使情况改变 。其改进方法很 多 , 如把阀门安装在管道较低点 , 或在阀门后管道
上装孔板增加阻力 , 也可将阀门出口直接接蓄水
池 , 使气泡炸裂的空间增大 , 气蚀减小 。
4 结语
调节阀的气蚀现象受到阀门用材料 、流体 、力 学 、结构和介质等多种因素的影响 , 通过合理的选 择 , 精确的计算 , 以及阀门新技术和新结构的应 用 , 气蚀现象会在生产中得到更好的解决 。
另外 , 选用角形调节阀也可减弱闪蒸破坏力 。 因为角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的 中心 , 而不是直接冲击体壁 , 所以减少了冲击阀体 体壁的饱和气泡数量和次数 , 相应的减少了气蚀的 发生 。 312 材料选择
从气蚀的结果分析 , 材料硬度不能抵抗气泡破 裂而释放的冲击力是造成损伤的主要原因之一 , 但 能够长时间抵御严重空化作用的材料很少 , 价格昂 贵 , 国内外常用的材料为司太莱合金 (含钴、铬 、 钨的合金 , 45HRC) 、硬化工具钢 (60HRC) 和钨碳 钢 (70HRC) 等。但硬度高的材料加工成型不方便 , 极易脆裂 , 加工成本大 , 一般常用的方法是在不锈 钢基体上进行堆焊或喷焊司太莱合金 (图 2) , 在流 体气蚀冲刷处形成硬化表面 。当硬化表面出现损伤 后 , 可以进行二次堆焊或喷焊 , 这样既能增加设备 的使用寿命 , 又减少了装置的维修费用 。 313 结构选择
