调节阀空化损坏分析及解决方案

炼油与化工　２００７年第４期　ＲＥ耵ＮＩＮＧ　ＡＮＤ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　５１　调节阀空化损坏分析及解决方案　孙俊华　，张志军　（１．大庆石化公司企管法规处，黑龙江大庆１６３７１４；２．大庆化建公司仪表修造厂，黑龙江大庆１６３７１４）　在实际生产中，调节阀压力降较高时会出现许多问题，　例如空化、高噪声水平和振动等。这些问题带来的直接影响　是对阀体和阀芯的磨损及空化的损伤【ｌＩ。　１调节阀空化损坏分析　１．１空化损坏分析　液体介质在高差压下会产生空化，空化产生于液态区　的气泡，生成气泡的必要条件是液态所处的绝对压力低于　该液体饱和蒸汽压力Ｐｖ。阀座相当于节流孔板，高压流体　流经节流孔时，静压能与动压能相互转换，流速的增加导致　压力降低，见图１。　１）．　力）　（收缳断向处）　图１产生空化的流动曲线　由图１可知，当压力降低至等于或低于该流体在入口　温度下的气化压力Ｐｖ时，液体中的气核即膨胀形成气泡，　带有气泡的液体在宽敞的下游流道中流速下降，压力回升。　当压力回升至Ｐｖ或高于Ｐｖ时，气泡破裂，此时将释放出巨　大的能量，对阀座、阀芯等阀内件产生破坏，即空蚀。它的特　点在于液体一蒸汽一液体的过程全部是在调节阀的小面积　内并在微秒时间内进行的。空化的破坏力很大，气泡破裂的　瞬时压力高达３００　ＮＰａ，现有的工程材料难以抵抗其空蚀。　对于不锈钢等塑性材料，在空化作用下，将产生麻点腐蚀直　至呈现蜂窝状空洞损坏；而对于硬质合金等脆性材料则产　生碎块损坏。同时，气泡破裂时所释放的能量使操作人员　很容易听到像是来自于调节阀或下游管线的噪声，并伴有　强烈的振动，而最终导致调节阀内件的疲劳损　。　１．２产生空化的条件　空化的产生必须具备５个条件：（１）调节阀上游、下游　（或调节阀内件处）的流体必须是液体；（２）当流体进入调节　阀或在调节阀下游由压力降产生残余蒸汽时，液体必须达　到饱和状态；（３）阀座处的压力降必须下降到高压流体的蒸　汽压力之下；（４）调节阀出口压力必须恢复到液体蒸汽压力　水平；（５）液体必须含有某些夹带气体或杂质，在形成气泡　中它起到气核的作用。　１．３堵塞物流　当调节阀下游压力下降时，产生大的压力差，此时出现　初期空化，而增加了流体比容。当流量增加到一定程度时，　发生堵塞物流，除非操作改变之外流速不再增加。流量Ｑ和　压力降的平方根之间呈直线关系，见图２。　√五　图２流量对压差的流动曲线　１．４空化与汽蚀　空化或空蚀，即通常所说的汽蚀。它是渐变的破坏过　程。当高压流体流经调节阀的节流孑Ｌ后，其出口压力　等　于或高于该液体的汽化压力Ｐｖ时，气泡破裂所释放出巨大　的空化量，才对节流组件产生破坏，即空蚀。如果出口压力　低于该液体的汽化压力Ｐｖ时，在节流降压过程中，所产　生的气泡就不会破裂，而是夹在液体中成为“二相流”，即所　谓的“闪蒸”流动，闪蒸流动一般不会对阀内件产生破坏，但　会产生堵塞物流。而使调节阀流量减小，与此同时还会产生　强烈的噪声和振动，该噪声为空化噪声。所以空蚀或汽蚀仅　仅是空化作用的结果之一。防空化即是防止流体在节流过　程中产生气泡，使其不产生气泡，当然也就不会有汽蚀。更　不会产生闪蒸流动和堵塞物流。这和防汽蚀是不同的，防汽　蚀是指气泡产生了，但不让其对阀内件产生空蚀。由于空化　能很高，只有在压差较低的情况下，选用适当材料，也只能　延缓空蚀，而不能有效抵抗空蚀。因此，防空化是治本，而防　汽蚀则是治标。　２高差压调节阀防空化解决方案　大庆石化仪表安装公司在多年调节阀维修及制造过程　中，积累了许多宝贵经验，认为防空化解决方案的关键是如　何改变流体在调节阀内的流动状态，使高压流体在节流降　压过程中不产生空化。因此核心应为阀内件的结构。　２．１建立数学模型　通过多级降压的结构可以改变流体在调节阀内的流动　状态，见图３。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５２　炼油与化工　ＲＥｎＮＩＮＧ　ＡＮＤ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　第１８卷　这是因为调节阀在变差压工况下运行存在２个问题，（１）空　化问题；（２）流量特性畸变问题。这就要求调节阀必须具备　适应变差压特点的流阻结构和对流量特性的补偿能力。同　时由于宫式曲折通道集成块的结构特点决定了，在公称通　径相同的前提下，采用迷宫式曲折通道集成块的调节阀其　Ｃｖ值要比普通结构的调节阀略低。　迷宫　仅仅改变节流组件的结构，还不能完全消除空化，因为　高压流体在迷宫式曲折通道集成块内，只要有极微小的泄　漏或串流，就会造成高低压空间相互串通，从而破坏各开度　图３迷宫式曲折通道示意　从图３可以看出，由于采用了迷宫式的曲折通道，降低　了通过调节阀的总流速，因此减少了压力恢复。当流体通过　流体之间的节流降压规律，引起空化与空蚀，还可通常使流　量特性产生畸变，降低调节精度。这就要求迷宫式曲折通道　集成块的相邻圆环之问必须保持严密性，这在技术上具有　一阀芯运动时，迷宫式的曲折通道产生高的和低的压力涡，并　产生相当大的摩擦损失。迷宫式的曲折通道采用一系列的　直角转角，以获得摩擦损失和较低的流速。　确定转角的数量是迷宫式的曲折通道结构设计的关　键，因为它决定了总速度头损失和其它结构尺寸。在尺寸确　定时，还需进行流动曲线空化指数Ｋｃ、调节阀空化指数盯、　定的难度。将圆环加工好后，通过特种工艺技术，将若干　圆环叠加成一个不可分割的整体。　３结束语　高压水调节阀、锅炉给水调节阀，都存在严重的空化损　坏问题，而影响装置的长周期运行。由于这些调节阀对流通　能力要求较大，故采用迷宫式曲折通道集成块与单级节流　窗口相结合的组合式节流组件型式，将２０％以下开度采用　迷宫式曲折通道集成块结构，２０％一１００％开度为单级节流　窗口（即套筒）结构，这样当调节阀在小于或等于２０％的小　开度下工作时，由于流体进入迷宫式曲折通道集成块进行　Ｋｓ系数等的计算，由此可确定出在某一工况下的防空化阀　内件的尺寸。　２．２结构特点　调节阀防空化解决方案的关键技术是节流组件（阀内　件）。根据防空化的原理，采用径向多级降压分流的迷宫式　曲折通道集成块，由若干件圆环，按一定规律叠加成节流组　件集成块。将调节阀的全开度分为若干组相互独立的空间，　在其每个独立空间均设有径向流道。调节阀工作时，各开度　节流降压，虽然压差很高，但依然不会产生空化；将调节阀　处在２０％一１００％开度时，流体基本上由套筒的窗口控制，　属于单级节流，所产生的流阻压降远比多级迷宫式曲折通　道集成块小，能够满足其对大流量的要求。经过多年现场应　用考核，防空化效果明显。　参考文献：　［１］孙家孔．调节阀门手册（第二版）【Ｍ】．北京：中国石化出版社，　２００３：１７９－２０５．　的高压流体进入节流组件集成块后，分别在各自的独立空　间内进行多级降压节流、缓冲膨胀、转变折流，它们之间各　行其道，互不干扰。因此各开度的高压流体，从节流组件集　成块入口到出口，其压力和压差均按一定规律逐步降低，从　而达到有效防止空化与空蚀的目的。　根据不同的工况条件，可以将节流组件制造成全迷宫　式曲折通道集成块，或迷宫式曲折通道集成块与单级节流　窗口相结合的组合式节流组件。这种结构适用于锅炉给水　调节阀等变差压工作场合，或对流通能力要求较大的场合。　［２］陆培文．调节阀实用技术【Ｍ】．ｊＥ京：机械工业出版社，２００２：　６０５－６３９．　豫辖豢　重油悬浮床加氢技术获国家发明专利　在中国石油抚顺石化公司石油三厂进行的重油悬浮床加氢工艺第二阶段工业化试验取得突破性成功，已具备工业化推广条件。　经专家分析，该项炼油技术的重大突破为解决我国近亿吨劣质稠油的加工利用开辟了新途径，具有非常显著的社会效益和经济效　益。这一整套工艺现已获得国家发明专利和美国发明专利。　当今世界每年都有大量重油（包括稠油）被开采，高金属、高残炭、高硫重油的加工利用已成为世界性难题。传统的炼油工艺，如重　油催化裂化、重油固定床加氢裂化等工艺难以加工。２００６年１０月至１１月间，抚顺石化公司石油三厂进行了第二阶段重油悬浮床　加氢工艺技术工业化试验。在整个工业运转过程中，试验装置各主要系统的操作状态平稳，试验达到了高转化、低生焦的预期效果，　取得了全套标定数据，试验获得圆满成功。　劣质重油悬浮床加氢技术是我国完全依靠自己力量自主开发，并拥有全部知识产权的重大炼油技术创新项目。该工艺的核心技　术和主体专利由中国石油大学（华东）提供，中国石油天然气股份有限公司组织协调并投入大量开发资金，由中国石油化工研究院、中　国石油大学（华东）、中国石油抚顺石化公司、中国石化工程建设公司以及清华大学、中国石油大学（北京）、中国石油克拉玛依石化公　司、中科院过程工程所等单位共同完成。该工艺技术已被国家科技部列入　当前优先发展的高新技术产业化重点领域指南　。