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        氣蝕工況下調(diào)節(jié)閥的計算選型

        2021-04-27 13:43:22孫文文
        化工設(shè)計 2021年2期
        關(guān)鍵詞:蒸汽壓氣蝕閃蒸

        孫文文

        連云港沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司 上海 201100

        調(diào)節(jié)閥是自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的終端控制元件,用于分配流體介質(zhì)、調(diào)節(jié)被控對象的工藝參數(shù)(流量、壓力和溫度等),是一個局部阻力變化的節(jié)流裝置,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。工作在液體工況下高壓差場合的調(diào)節(jié)閥,由于流速很高,閥座和閥芯等內(nèi)部節(jié)流件部位經(jīng)常會出現(xiàn)沖刷腐蝕,同時伴有氣蝕、噪聲和振動等危害,給安全生產(chǎn)帶來重大隱患,需要引起足夠的重視。

        1 調(diào)節(jié)閥氣蝕簡介

        1.1 氣蝕產(chǎn)生機(jī)理

        當(dāng)液態(tài)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時,由于節(jié)流作用流體流速快速增加,根據(jù)伯努利方程,流體壓力相應(yīng)地急劇下降。當(dāng)流體壓力低于飽和蒸汽壓,部分流體氣化,流體中產(chǎn)生大量氣泡,這一現(xiàn)象稱為閃蒸。之后隨著流體流通面積逐漸增大,流速下降,壓力上升至一個低于初始壓力的穩(wěn)定值,若此時流體壓力仍低于飽和蒸汽壓,調(diào)節(jié)閥處于閃蒸工況;若流體壓力穩(wěn)定值高于飽和蒸汽壓,閃蒸產(chǎn)生的氣泡受壓破裂恢復(fù)到液體狀態(tài),調(diào)節(jié)閥處于氣蝕工況。

        調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上也是節(jié)流裝置的一種,流經(jīng)閥門后達(dá)到穩(wěn)定值的壓力為調(diào)節(jié)閥閥后壓力,其與閥前壓力的差值即為調(diào)節(jié)閥的前后壓差。調(diào)節(jié)閥選型過程中一般不直接計算流體壓力是否低于飽和蒸汽壓,而是先判斷流體是否處于阻塞流狀態(tài),再比較調(diào)節(jié)閥閥后壓力與飽和蒸汽壓的大小關(guān)系來判斷流體是否產(chǎn)生了閃蒸或者氣蝕。

        1.2 阻塞流的定義及判定條件

        通常,經(jīng)過調(diào)節(jié)閥閥芯節(jié)流,流體壓力隨著流速增大而降低,閥門前后的壓差增加(假設(shè)閥前壓力P1保持不變),流體流量也隨之增加。但是當(dāng)壓力降低到低于流體的飽和蒸汽壓時,由于部分流體汽化,此后即使壓力再下降,壓差Δp再增大,流體中因含有大量氣泡,流量也無法再增加,這樣就發(fā)生了阻塞流,此時的壓差被稱為阻塞流壓差。高壓差液體介質(zhì)工況下,一般認(rèn)為當(dāng)閥門進(jìn)出口壓差Δp>2.5MPa時,調(diào)節(jié)閥易產(chǎn)生阻塞流,并可能發(fā)生氣蝕。

        阻塞流存在的判定條件是阻塞流壓差小于或等于閥門前后的壓差。閥門前后的壓差和阻塞流壓差的計算見公式(1)和(2):

        ΔP=P1-P2

        (1)

        (2)

        (3)

        式中:Δp為調(diào)節(jié)閥前后壓差,kPa;P1為調(diào)節(jié)閥閥前絕壓,kPa(A);P2為調(diào)節(jié)閥閥后絕壓,kPa(A);ΔPchoked為阻塞流壓差,kPa;FL為液態(tài)流體壓力恢復(fù)系數(shù),取值見GB/T17213.2-2017 表D.2;FF為液態(tài)流體臨界壓力比系數(shù);PV為流體在閥前溫度T1下的飽和蒸汽壓,kPa(A);Pc為液態(tài)流體臨界壓力,kPa(A)。

        由式(1)和(2)可知,流體臨界壓力比系數(shù)只和液體的物理性質(zhì)有關(guān),和閥門的其他參數(shù)無關(guān)。阻塞流壓差與閥門類型、結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)閥閥前絕壓有關(guān)。

        1.3 氣蝕判定條件

        氣蝕產(chǎn)生的兩個必要條件:一是阻塞流的存在,二是調(diào)節(jié)閥閥后壓力高于流體飽和蒸汽壓。存在阻塞流的場合,若調(diào)節(jié)閥閥后壓力大于流體飽和蒸汽壓,則閥門既有閃蒸,又有氣蝕;否則,只有閃蒸,沒有氣蝕。

        1.4 氣蝕的危害

        流體流過節(jié)流口壓力回升至飽和蒸氣壓以上時,閃蒸產(chǎn)生的氣泡在閥體空腔內(nèi)發(fā)生破裂回到液態(tài),氣泡破裂釋放的巨大能量會引起閥門嚴(yán)重的噪聲、振動和閥內(nèi)件的沖刷和腐蝕,進(jìn)而影響調(diào)節(jié)閥的壽命和調(diào)節(jié)性能。氣蝕的影響甚至可延伸至鄰近的下游管道,導(dǎo)致整個流程工藝系統(tǒng)的失效和停機(jī)。

        1.5 消除或減緩氣蝕危害的措施

        從氣蝕形成原因及阻塞流的判定條件,完全消除氣蝕必須阻止阻塞流的出現(xiàn),有以下幾個措施:

        (1)提高閥后壓力,降低調(diào)節(jié)閥前后壓差??梢栽谡{(diào)節(jié)閥下游管線增加限流孔板;將調(diào)節(jié)閥安裝在下游有較高靜壓的位置等。該措施會造成閥后壓力損失較大,下游壓力可調(diào)范圍縮小,應(yīng)當(dāng)慎重使用。

        (2)增加調(diào)節(jié)閥數(shù)量,使得每臺調(diào)節(jié)閥前后壓差均低于阻塞流壓差。該措施需要增加閥門采購及安裝費用,很不經(jīng)濟(jì)。

        (3)采用多級降壓閥座、閥芯,將調(diào)節(jié)閥前后壓差分成多級,確保每級的壓差均低于本級阻塞流壓差,避免出現(xiàn)阻塞流。該方案成本較低,效果更好,更為經(jīng)濟(jì)。

        需要注意的是,內(nèi)件硬化處理可以應(yīng)對閃蒸,但并不能避免氣蝕,應(yīng)盡量選用抗氣蝕的內(nèi)件,增強抗沖刷、氣蝕的能力,減少或隔離氣蝕帶來的危害。

        1.6 多級降壓調(diào)節(jié)閥降壓原理

        如前所述,調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上就是個節(jié)流裝置,當(dāng)流體處于阻塞流狀態(tài)時,調(diào)節(jié)閥兩端的壓差即為阻塞流壓差。當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端的實際壓差小于阻塞流壓差時,可避免發(fā)生閃蒸或氣蝕。當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差較大時,可采用多級降壓方式避免。

        假設(shè)多級降壓調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)為n,根據(jù)多級節(jié)流降壓的原理,每一級的壓降按幾何級數(shù)遞減。當(dāng)?shù)谝患墝嶋H壓降為ΔP1時,第n級實際壓降ΔP計算方法見公式(4),調(diào)節(jié)閥前后兩端的實際壓差為各級實際壓降之和,計算方法見公式(5)。當(dāng)n=1時即可計算出第一級實際壓降值ΔP1。

        Δpn=ΔP1/2n-1

        (4)

        (5)

        式中,ΔPn為第級節(jié)流的實際壓降,kPa(A)。

        同時,每一級的實際壓降均應(yīng)小于本級阻塞流壓差,否則仍會出現(xiàn)阻塞流產(chǎn)生氣蝕。只要有一級出現(xiàn)阻塞流,就需要繼續(xù)增加降壓級數(shù)。第一級阻塞流壓差的計算可以用公式(2),第2,3,…n級阻塞流壓差的計算方法可以用公式(6)。

        (6)

        多級降壓調(diào)節(jié)閥抗氣蝕效果見圖1。

        圖1 多級降壓調(diào)節(jié)閥抗氣蝕效果圖

        2 氣蝕工況下調(diào)節(jié)閥的選型

        調(diào)節(jié)閥的選型主要包括閥門類型選擇、閥體材質(zhì)選擇、閥門內(nèi)件型式和材料選擇、閥門額定流通系數(shù)計算選擇等。對于工作在苛刻工況下的調(diào)節(jié)閥需要重點關(guān)注閥門內(nèi)件型式和材料的選擇。

        2.1 閥門類型選擇

        根據(jù)文獻(xiàn)[1],壓差較大的場合可以選用小口徑直通單座閥,也可以選用套筒,角閥等GLOBE閥門。

        2.2 閥體材質(zhì)選擇

        閥體材質(zhì)應(yīng)滿足管道材料等級表的要求,原則上不低于閥門所在管道的材質(zhì)。

        2.3 閥門內(nèi)件型式和材料選擇

        氣蝕工況處于高壓差狀態(tài),存在著閃蒸和氣蝕,屬于比較苛刻的工況,對閥門內(nèi)件的沖刷等破壞尤為嚴(yán)重。在有氣蝕作用的情況下,應(yīng)該在調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)上重點考慮閥芯、閥座形式??梢栽O(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的閥芯、閥座,比如多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥(多級套筒、迷宮)或多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥(多級閥芯)等,從根源上消除氣蝕的破壞作用。多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥的降壓級數(shù)可以設(shè)計得較大,與單通道相比,降壓能力更強,能夠勝任高壓差的場合,安裝維護(hù)簡便,易于更換,但是加工過程比較復(fù)雜,成本較高。多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥多用于液體介質(zhì)工作的場合,其流阻較小,可以勝任流體清潔度不高甚至固液兩相流的場合;與多通道降壓調(diào)節(jié)閥相比,加工方便,制造成本也較為低廉,但降壓級數(shù)有限,多為3~4級,不能應(yīng)用于壓差過高的場合。多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥和多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥的示意圖分別見圖2和圖3。

        圖2 多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥示意圖

        圖3 多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥示意圖

        采用多級降壓的調(diào)節(jié)閥,其內(nèi)件的材質(zhì)需進(jìn)行硬化處理。在硬化處理過程中,一般需要將閥芯進(jìn)行碳化鎢噴涂,以提高抗沖刷氣蝕性能。

        2.4 氣蝕工況下調(diào)節(jié)閥流通系數(shù)計算

        不可壓縮流體流通系數(shù)CV的計算見公式(7):

        (7)

        式中:Q為流體的體積流量,m3/h;ρ1為流體在P1和T1狀況下的密度,kg/m3;ρ0為水在15℃時的密度,一般取1000kg/m3;N1為常數(shù),取0.0865;FP為管道幾何形狀系數(shù),當(dāng)調(diào)節(jié)閥口徑與管道口徑一致時取1;ΔPsizing為用于計算CV值的調(diào)節(jié)閥差壓,kPa。

        通常情況下流通系數(shù)計算選取的調(diào)節(jié)閥差壓為調(diào)節(jié)閥前后的壓差Δp。根據(jù)GB/T17213.2-2017 6.2.1條,當(dāng)流體處于非阻塞流時,ΔPsizing取調(diào)節(jié)閥前后壓差Δp;而當(dāng)流體處于阻塞流時,ΔPsizing應(yīng)按取阻塞流壓差ΔPchoked取值。故在氣蝕工況下,由于Δp>ΔPchoked,如果仍選取Δp計算流通系數(shù)CV,將會導(dǎo)致算出的調(diào)節(jié)閥CV值偏小。

        根據(jù)GB/T17213.2-2017,公式(7)僅適用于完全紊流條件,當(dāng)調(diào)節(jié)閥的額定CV值確定后還需要再按公式(8)計算調(diào)節(jié)閥的雷諾數(shù)Rev,以確定流體是否處于紊流條件下。當(dāng)雷諾數(shù)Rev=2100~4000時,流體為層流于紊流過渡狀態(tài);當(dāng)雷諾數(shù)Rev>4000時流體才可被視為紊流。

        (8)

        式中:N2和N4為常數(shù),分別取0.00214和0.076;v為流體運動黏度,m2/s;Fd為調(diào)節(jié)閥類型修正系數(shù),可參考GB/T17213.2-2017表D.2;C為調(diào)節(jié)閥額定CV值;d為調(diào)節(jié)閥口徑,mm;其余參數(shù)與公式(7)相同。

        3 氣蝕工況調(diào)節(jié)閥選型示例

        某調(diào)節(jié)閥液態(tài)工藝介質(zhì)工藝參數(shù)如下:正常流量0.11 m3/h,最大流量0.13 m3/h;閥前絕壓5390 kPa(A);閥門前后壓力降5090 kPa;閥前溫度20℃;流體密度902 kg/m3;黏度0.426 cP;飽和蒸汽壓9.732 kPa(A);臨界壓力3800 kPa(A);閥門所在管道口徑為DN15。

        因閥門所在管線口徑不大,在高壓差的情況下可選用單座球形閥,柱塞閥芯,流開。對于本示例擬選用單座球形閥,閥體材質(zhì)選擇與管道材質(zhì)相同。

        3.1 判定是否存在氣蝕工況

        閥門前后壓差大于2.5 MPa,先判定是否為阻塞流。由GB/T17213.2-2017表D.2查得流開型單座球形閥FL為0.9,根據(jù)公式(3)計算液體臨界壓力比系數(shù)FF:

        根據(jù)公式(2)計算阻塞流壓差ΔPchoked:

        ΔPchoked=0.92×(5390-0.946×9.732)=4358.4 kPa;調(diào)節(jié)閥前后壓差ΔP=5090 kPa>ΔPchoked;可見流體處于阻塞流狀態(tài)。

        調(diào)節(jié)閥閥后絕壓P2=5390-5090=300 kPa>9.732 kPa;流體處于氣蝕工況。

        由于柱塞閥芯的單座球形閥只能單級降壓,無法克服氣蝕造成的危害,因此采用多級降壓的調(diào)節(jié)閥,避免產(chǎn)生氣蝕,閥芯選取單通道型式。

        3.2 多級降壓調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)計算

        根據(jù)GB/T17213.2-2017表D.2,多級單通道球形閥的FL根據(jù)其降壓級數(shù)應(yīng)分別取0.97和0.99,但表D.2下注釋指明這兩個值僅為典型值,實際值應(yīng)由制造商規(guī)定。因未獲得制造商提供的實際FL值,為了體現(xiàn)計算過程,本文中多級單通道球形閥的FL值仍取0.9。

        第一級降壓的阻塞流壓差ΔPchoked-1=4358.4 kPa>ΔP1=3393 kPa,故流體經(jīng)過第一級降壓后流體為非阻塞流,不會產(chǎn)生氣蝕,滿足要求。

        根據(jù)公式(6)計算第二級降壓的阻塞流壓差

        ΔPchoked-2=0.92×(5390-3393-0.946×9.732)=1610 kPa<ΔP2=1697 kPa,

        故流體經(jīng)過第二級降壓后流體為阻塞流,仍會產(chǎn)生氣蝕,不能滿足要求,需要增加降壓級數(shù)。

        (2)假定調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)為3級,每級實際壓降分別為ΔP1、ΔP2、ΔP3。

        第一級降壓的阻塞流壓差ΔPchoked-14358.4 kPa>ΔP1=2908 kPa,流體經(jīng)過第一級降壓后流體為非阻塞流,不會產(chǎn)生氣蝕,滿足要求。

        根據(jù)公式(6)計算第二級降壓的阻塞流壓差:

        ΔPchoked-2=0.92×(5390-2908-0.946×9.732)=2003 kPa>ΔP2=1454 kPa。

        流體經(jīng)過第二級降壓后流體為非阻塞流,不會產(chǎn)生氣蝕,滿足要求。

        根據(jù)公式(6)計算第三級降壓的阻塞流壓差:

        ΔPchoked-3=0.92×(5390-2908-1454-0.946×9.732)=825 kPa>ΔP3=727 kPa。流體經(jīng)過第三級降壓后流體仍為非阻塞流,不會產(chǎn)生氣蝕,滿足要求。

        3.3 多級降壓調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計算

        不可壓縮流體的級流量系數(shù)大約相等[2],故每級的流量系數(shù)可以認(rèn)為是等于閥門的流量系數(shù),與調(diào)節(jié)閥的降壓級數(shù)無關(guān)。因流過調(diào)節(jié)閥的流體為阻塞流,用于計算流量系數(shù)的ΔPsizing應(yīng)按阻塞流壓差取值。根據(jù)公式(7),正常、最大流量下的閥門Cv計算結(jié)果如下(假定閥門口徑為DN15,F(xiàn)P取1):

        選擇額定Cv為0.05的多級單通道球形閥。

        根據(jù)公式(8)以流體正常流量驗證流體雷諾數(shù)Rev:

        流體為紊流,Cv值的計算符合規(guī)范要求。

        4 結(jié)語

        從實例計算可知,若給定閥壓降較大,在進(jìn)行流量系數(shù)計算時應(yīng)首先判斷是否產(chǎn)生阻塞流。因為產(chǎn)生阻塞流,流量系數(shù)中計算用的閥壓降不再是給定閥壓降,而是產(chǎn)生阻塞流的最小壓降,所以此時算出的流量系數(shù)將大于用給定壓降算出的流量系數(shù),必須選擇更大尺寸的閥才能保證給定的流量。

        本文對調(diào)節(jié)閥氣蝕現(xiàn)象剖析了原因并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。流量系數(shù)是表示調(diào)節(jié)閥容量大小、結(jié)構(gòu)及流路形式對流通能力的影響的重要參數(shù),通過實例介紹了閥門的選型和流量系數(shù)的計算方法。

        在工程設(shè)計中,設(shè)計人員在進(jìn)行液體調(diào)節(jié)閥閥門Cv值計算時,要特別注意Δp的取值。如果P2減小到發(fā)生了阻塞流工況,Δp的取值就不等于閥

        門前后壓差,而應(yīng)該等于發(fā)生阻塞流時的ΔPcr。選擇正確的Δp,可以有效地避免Cv值計算過小,導(dǎo)致閥門選型過小的問題。同時,一旦判斷出發(fā)生了阻塞流工況,應(yīng)進(jìn)一步判斷是發(fā)生閃蒸工況,還是氣蝕工況,從而采用正確的處理措施,選擇正確的閥門類型,延長閥門的使用壽命。

        多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計結(jié)構(gòu)獨特,在高壓差下能夠有效地防止空化,并能耐腐蝕抗沖刷,有較長的使用壽命。

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