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为何电动调节阀应避免在小开度下工作?

时间:2020-08-17     作者:杭州蓝诺阀门【原创】

  电动调节阀是流程工业工厂实现自动过程控制生产的终端控制元件。电动调节阀调节品质的好坏,将直接影响工厂自动过程控制质量。因此,保证调节阀稳定可靠的工作,对于流程工业自动化系统而言,极为重要。在实际应用中,小开度是造成阀寿命缩短的主要原因之一。那么为什么小开度会对电动调节阀寿命造成影响呢?


电动调节阀


  小开度的影响


  首先会造成冲蚀。小开度导致流道间隙过小,介质流速过大,对调节阀阀芯、阀座冲刷非常厉害,将使阀的寿命成倍下降,甚至短期内可使调节阀报废。


  其次,小开度导致剧烈的压力、流速变化。当超过调节阀的刚度时,导致调节阀产生剧烈震荡。


  第三,流关状态下工作的调节阀,会出现跳跃关闭和跳跃启动现象,调节阀在这个开度内是不能进行正常调节的。阀门开度如果在3%左右,阀门阀芯密封面距离节流口太近,对于阀芯的密封面损伤很大。


  第四,一些种类的阀门不适于小开度工作。如蝶阀,小开度时不平衡力矩大,会产生跳开、跳关现象。再如气动薄膜调节阀如果是直通双座调节阀,由于该类型阀门有两个阀芯两个阀座,平时一个阀芯处于流开状态,另一个阀芯处于流闭状态,这种阀门虽然对于泄漏量要求不严,但是阀门处于小刻度时,阀门稳定性变得很差,并且容易产生震荡。


  总之,如果调节阀能够正常工作,不被经常冲刷,提高阀的使用寿命,调节阀应避免在小开度下工作。根据实际经验,阀门刻度通常至少应大于8%~12%,但对于高压阀、双座阀、蝶阀、处于流闭状态的调节阀而言,应大于20%(线性阀)~30%(对数阀)。


  小开度引起闪蒸汽蚀


  闪蒸和汽蚀是由阻塞流引起,当流体工质流过电动调节阀阀座口的最小流道缩径处产生的。当流体工质流过缩径处,流束变细收缩。流束的最小横断面出现在实际缩径处的下游,而不是缩径处。在缩流断面处,流体工质的流速最大,流速增加伴随着缩流断面处的压力大大降低,流体工质在下游随着流束扩展,速度下降,压力增加。当缩流断面处的流体压力低于该温度下流体的饱和蒸汽压力时,流束中将产生汽泡,形成气液两相流。如果流体在缩流断面的下游,也就是阀门的出口压力仍然低于该温度下流体的饱和蒸汽压力,汽泡将在阀门的下游大量产生,就造成了闪蒸现象。压力越低,汽泡产生量越大,闪蒸现象越严重。


  如果下游压力恢复到该温度下流体的饱和蒸汽压力以上,汽泡会破裂或向内爆炸,从而产生汽蚀。蒸汽汽泡破裂释放出能量,会产生一种类似于砂石流过阀门的噪声。当电动调节阀处于小开度时,会明显感觉到有流体通过的噪声,阀体振动也会加强,这就是发生了汽蚀。


  闪蒸工况与汽蚀工况相比,闪蒸工况的气液两相流将在阀门缩流处后整个下游都存在,比汽蚀工况气液两相流的作用时间长,对阀门及管道的破坏作用要大。


  闪蒸的危害


  闪蒸带来的危害主要有机械磨损和腐蚀。一方面,汽泡内携带液滴,在流经阀体的接触面时,对界面有强烈的撞击效果,并且由于气体的流速快,对界面造成有角度的冲击,使得与汽泡接触的阀体内部冲蚀严重;另一方面,当阀体与流体的接触面发生机械磨损时,会破坏原有的经过处理的金属表面,且由于一些工艺中介质大多为水,其中含有氧气,会在金属表面形成新的氧化物,使金属表面发生腐蚀的现象。


  闪蒸冲刷破坏的特点是受冲刷表面有平滑抛光的外形。冲刷最严重的地方一般在流速最高处,通常位于阀芯和阀座的接触线上或附近,因此阀体内件也要选择耐冲蚀性能好的。


  汽蚀的危害


  汽蚀的危害主要是汽泡迅速破裂时产生的冲击力,和破裂时形成的高速射流产生的巨大冲击力对金属面产生极强的冲蚀作用。


  如果汽泡在接近阀门内固体表面处破裂,释放的能量会慢慢地撕裂材料,在阀芯表面留下类似于煤渣的粗糙表面。如果汽泡在下游管道中破裂,会对下游管道产生类似的破坏。


  应对方案


  解决小开度下调节阀工作问题有好多种方法,常见的大概有如下几种。


  降低两端压差


  根据流量方程,当前后压差减小时,流量也相应减小,为保持阀的流量不变,就要增大阀的开度。因此,可以工艺管道上与调节阀相串联的手动阀门,关闭至调节阀需要的工作开度为止,或者在调节阀后增加限流孔板消耗部分压降。这两种方法都是增加管路上的压降,以便减少阀上的压降,因为系统总压降等于管路压降加上调节阀上的压降,由于系统总压降不变,所以当管路压降增大时,阀上压降必然减小。


  缩小阀口径


  同样根据流量方程,直径减小时,流量也减小,因此为保持通过电动调节阀的流量不变,就必然要加大开度,这样也可避免阀在小开度下工作。口径阀的口径、阀座的直径有关,可以换一台小档口径的阀,或通过内部缩径,阀体不变,换小档的阀芯阀座实现。


  应对闪蒸


  通过对闪蒸产生原理的分析,可以发现当管道的流动特性与流体温度一定后,对于任何阀门来说都是无法防止闪蒸现象的。因此,应从改变下游管道流动特性和提高阀体的耐冲蚀能力两个方面来减小闪蒸的破坏作用。


  从设计方面考虑应尽量提高阀门的背压,一是将调节阀门布置在具有较高静压头的位置可以提高阀门的背压;二是增加节流孔板或类似的提高背压装置,提高阀门的背压。


  在阀门选型时应考虑:一是尽量选择直行程角阀,从阀门结构来考虑,角阀没有改变流体的流向,流体的流向在阀内仍保持自上而下,减少了冲击阀门表面液滴的数量,但是直行程角阀成本较高,一般只用于工况恶劣和重要场合;二是可以选择下游带有扩展式流通区域的阀门,流体在经过最小缩流面时,速度达到最大,此时如有一个较大范围的扩流区,将会使流速迅速降低,从而减少对阀体的冲刷;三是阀体选择材质硬度高的材料增强其抗机械磨损和腐蚀的能力,减小闪蒸的破坏作用,对于肯定会被流体冲刷的阀内表面的区域,如阀座表面和阀芯采取表面镀合金的硬化处理,提高其表面的抗冲刷能力。


  应对汽蚀


  由于汽蚀的阀后压力可以恢复到高于液体的饱和蒸汽压力,因此可以通过控制阀体内的压降过程来消除汽蚀现象。控制阀使用多级降压内件,可以把通过阀门的压降分成数个较小的压降区域,每一个较小的压降区域都确保在缩流断面处的压力大于流体温度对应的饱和蒸汽压力,防止蒸汽气泡的形成。同样,应对必然受到冲刷的阀芯和阀门内表面应进行表面硬化处理,提高易被流体冲刷的阀芯和阀内表面的抗冲刷能力。


  在运行过程中,也可以通过一些方法来降低电动调节阀压降,达到防止阀门汽蚀的目的。在大容量机组中,凝结水和凝补水管路中一般配置30%负荷和70%负荷调节阀,在运行操作中,如果在低负荷下,使用70%负荷调节阀,会使P降低量增大,易产生汽蚀,应严格按照随负荷增加先使用30%负荷调节阀调节,再投入70%负荷调节阀。可以通过关小电动调节阀调节阀后电动截止阀的开度,相当于在调节阀后增加了一个节流空板,可以减小调节阀的必须压降。

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