防空化調節閥

前言

 

根據1984年3月美國MASONEILAN公司來華技術交流時所提供的資料和所介紹人的情況，筆者認為該公司所生產的各類調節閥，特別是凸輪撓曲閥和*近生產的各種特殊調節閥，均具有其明顯的特點，能夠適應多種嚴峻的工藝條件。尤其是多級降壓閥和可變流陰閥，對防止空化現象學的產生有顯著的效果。為此，本文著重介紹上述兩類調節閥的機理及其選用時應做的計算工作，以供設計人員參考。

 

空化

 

眾所周知，當液體通過調節閥時，在調節閥的節流作用下便會產生壓力降央流速*小截面處（VENACONTRACTA）流速*大，而靜壓力*小。當該處壓力PVC低于該液體的氣化壓力PV時，則有部分液體閃蒸成為氣泡。流體以過調節閥之后，其壓力還會有所恢復。若恢復后的壓力P2仍低于該項液體的氣化壓力PV（即P2

 

當液體在*小截面處的壓力等于氣化壓力（??PVC=PV）時，就意味著進入初始空化狀態

 

當液體在*小截面處的壓力小于氣化壓力（即PVC〈PV〉，而恢復后的壓力又大于氣化壓力（即P2）PV）時，則意味著完全進入空化狀態

當液體的壓務低于該項液體的氣化太力時，則有部分液體閃蒸為氣泡。當壓力恢復后高于液體氣化壓力時，其必然會使上述之氣泡被壓破，并爆發出強大的沖擊力量，這個強大的沖擊力量就是產生空化現象學的爆破力。據觀測，這個強大的沖擊力在一些局部有時竟然高達10余lbf/in2，從而使閥內件（特別是閥芯）遭到級其嚴重的破壞。
 

因此，在進行工程設計時，設計人員就應判斷液體通過調節閥是否會產生空化現象。尤其是在高壓力降的條件下，更要特別注意，以免產生空化現象而損壞調節閥。

 

當調節閥發生空化現象時，閥內的壓力降叫做臨界壓力降△Pc。如果實際壓力降△P大于△Pc，且閥出口壓力P2又高于該液體的氣化壓力PV，則必然會產生空化現象。


 

對于**不允許產生空化的那些調節閥而言，則應當用初始空化系數Kc代替式（1）中的Ct2，即△P初始空化=Kc（△PS）。為了簡體計算，當PV〈0.5P1時,。故判斷產生空化的數學式為：PV〈0.5P1時，△P初始空化= Kc（P1-PV） （4）
 

且△P〈△P初始空化慢 （5）
 

MASONEILAN公司生產的不同類型調節閥的Cf、Kc值見下表。
 

二、78000系列多級降壓閥

 

1、機理

 

多級降壓閥是將流體通過調節閥所產生的壓力降等分在幾處（一般為3~6處），而不是象通常的調節閥那樣集中在一處，故得名為多級降壓閥。其壓力分布如圖4所示。

在多級降壓閥中，流體每通過**均由于彎曲的流路而增加了阻力，從而使速度壓頭有所損失。這樣就使壓力恢復值有所減小，亦即提高了Cf值。在使用過程當中，便可使流體經過*后**時的壓力降小于該級的臨界壓力降，從而防止了空化現象產生。

 

在多級降壓閥內，當閥處于全開狀態時，流體通過閥芯各點的速度幾乎都相同。彎曲的流路主要用來增加總的壓力損失。因此，當多級降壓閥處于全開狀態時，連續壓力降接近理想條件（如圖5所示），即Cf值接近于1。

 

圖5 多級降壓閥全開狀態壓力分布圖

 

2、計算

 

當五級降壓閥每級的臨界流量系數Cfs≈0.95時，其總的臨界流量系數Cf=0.99。
 

在使用時，應對閥的壓力降進行驗算，即用實際壓力九△P與臨界墳力降△Pc進行比較，特別是*后**驗算尤為重要。臨界壓力降的計算公式如下：
 

△PC全閥= （P1-PV） △Pc末級= （△P/n+P2-PV）式中（△P/n+P2）為末級的入口壓力。
 

【例】閥前壓力P1=2000Psia，閥后壓力P2=100 Psia，液體氣化壓力PV=35Psia，2"的78000系列多級降壓閥，閥芯的級數n=5，在50%開度時閥內每一塊降壓板上的壓力恢復系數=0.95,試驗謔其是否產生空化現象.
 

解:末級的臨界壓力降△Pc末級=(△P/n+P2-PV)=0.952[(2000-100)2/2+100-35]=402Psia
 

而末級的實際壓力降△P末級=△P/n=(2000-100)/5=380Psia
 

由于△P末級>△Pc末級,因此將產生空化現象.在工程設計中必須采取其它有效措施,方能使用78000系列2"閥。
 

三、可變流阻閥（VRT閥）
 

79000系列閥為角閥，其產品規格有1"、3/2"、2"、3"、4"、6"。
 

41017系列閥為球閥，其產品規格有8"、10"、12"。
 

機理
 

如上所述，多級降壓閥是將流體通過調節閥所產生的壓力降等分在幾處，在使用時保證各級的壓降，特別是*后**的壓降低于臨界壓降，從而防止空化現象學的產生。但是從上面的例子中也可以看出，有時在*后**尚難以避免產生空化。因此，MASOEILAN公司的工程師又設計出一種可變阻閥，即變流阻的多級降壓閥。它能使*后通過閥體處的壓降很小，這樣就保證了末級的壓降低于臨界壓降，從而可以避免產生空化現象。可變流阻閥的結構形式如圖6秘示，其閥座由多層孔板層疊而成。各層孔板上的孔數不等，流體開始通過的孔板其孔數較少，以后各層孔板的孔數增加。這樣就使開始幾層孔板所產生的壓降較大，末級的壓降*小，易于保證其低于臨界壓降，人而避免空化現象的產生。
 

在可變流阻閥內，由于流體在各級所產多的壓降不同，因而在閥內的壓力分布也與多級降壓閥有所不同

上面已經談了可變流阻閥與多級降壓閥有所不同。此外還應指出，可變流阻閥與籠式閥也有顯著的區別。由于籠式閥本身并不能防止空化現象的產生，因此“選用籠式閥從而避免了產生空化現象”的說法是不盡妥當的。確切地講，籠式閥是將閥座做成鳥籠子的形式，而且壓力降的形成也是一次的，并未分成若干級；籠式閥的壓力頒布曲線亦與一般調節閥相同，因此它不可能避免產生空化現象。那么在實踐當中選用了籠式閥，并且選用得當時，卻很少發現閥內由于空化作用而產生的破壞現象。這個問題又如何解釋呢？經分析認為其原因在于，籠式閥的閥體與閥芯之間形成一個空間。當氣泡在這個空意內被壓破時，其破壞作用不越冬接觸閥體內部。因此，雖然亦有空化現象學產生，但它所造成的破壞的程度和效果均大大減輕了。亦即籠式閥并不能避免產生空化現象，只不過是大大地消弱了空化作用造成的破壞作用而已。而可變流阻閥卻徹底地解決了避免產生空化現象的問題。
 

可變流阻閥通常應用的場合有：電站鍋爐給水和水循環系統；油、氣生產中，高壓水的注入、循環及調節系統；合成氨高壓降的液氨釋放系統；為防止空化現象產生的其它任何高壓降液體系統。
 

1、 計算
 

可變流阻閥的流通能力CV的計算并無任何特殊之處，關鍵在于根據CV值選出閥的規格之后，如何證實該閥在實際使用當中不會產生空化現象，為了解決這一問題,MASONEILAN公司將其所生產的可變流阻閥,按其系列規格把CV與Cf的對應曲線均繪制成圖(見圖8、9、10、)。驗算時，只將所需要的Cf值與被選用的那種規格的可變流阻閥之Cf值進行比較，如果所選用的閥之Cf值大于所需要的Cf值，就可以避免產生空化現象。在工程設計當中，**不能忽視Cf忽視值。現通過一個實例，將其驗算方法介紹如下。
 

【例】工藝介質為水，其溫度T=150℉，比重Gf=0.98,氣化壓力Pv=3.7 Psia
 

,閥前壓力Pf=3015 Psia,閥后壓力P2=100Psia,流量Q=2200gal/min,試驗算其是否產生空化現象.
 

解
 

在圖10中可以找出CV所需=40.3,CT所需=0.984的一點,在此點右方曲線所代表的閥都可以選用,而不會產生空化現象.原因在于當CV所需=40.3時,4"全容量閥的CT所需可達0.9875,而6"低容量閥的Cf所需可達0.988,6"低容量閥的Cf可達0.996,三者均大于0.984,故均能避免產生容貌化現象.
 

(此文經化工部規劃局慈巨騰同志審閱,謹表感謝)