电站调节阀汽蚀现象的原因与处理方法研究

发布时间：2011-06-20 点击数：3090

在电厂，经常可以看到调节阀、减压阀及其他节流阀的阀瓣和阀座等内部零件产生磨痕、深沟及凹坑，这些大多是由汽蚀引起的。汽蚀严重影响了调节阀的使用性能和寿命。另外，汽蚀还将导致严重的振动和噪声。

一、汽蚀产生的原因及其影响

汽蚀是材料在液体的压力和温度达到临界值时产生的一种破坏形式，分为闪蒸和空化两个阶段。当流体流经调节阀时，由于阀座和阀瓣形成局部收缩的流通面积，产生局部阻力，使流体的压力和速度发生变化（图1）。当压力为P₁的流体流经节流孔时，流速突然急剧增加，静压骤然下降，当孔后压力P₂达到或低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压力P_V时，部分流体汽化成气体，产生气泡，形成汽液两相共存现象，称为闪蒸阶段。在节流处后面，压力逐渐恢复，升高的压力压缩气泡，使气泡突然破裂，称为空化阶段。气泡破裂时所有的能量集中在破裂点上，产生几千N的冲击力，冲击波的压力高达2×10³MPa，大大超过了大部分金属的疲劳破坏极限，同时，局部温度高达几千℃。这些“过热点”引起的热应力是产生汽蚀破坏作用的主要原因。

闪蒸会产生侵蚀破坏作用，在零件表面形成光滑的磨痕。气蚀如同砂子喷在零件表面一样，将零件表层撕裂，形成粗糙的渣孔般外表面。在高压差恶劣条件下，极硬的阀瓣和阀座也会在很短时间内遭到破坏，发生泄漏，影响阀门使用性能。

汽蚀会引起内部零件的振动，产生噪声。流体流经阀瓣时，会产生漩涡流，漩涡流和圆柱体相互作用，诱发振动，产生漩涡脱离声。当漩涡脱离的频率与阀瓣的固有频率接近或相同时，振动加大，噪声增大。如果流体流经调节阀产生闪蒸，就会形成有气泡存在的气、液两相混合体，两相流体的减速和膨胀作用也会形成噪声。另外，空化作用时，气泡破裂释放出强大的能量，会产生高达10kHz的噪声，气泡越多，噪声越严重。

流体流经调节阀产生汽蚀作用的同时，会产生阻塞流，即当阀前压力P₁保持一定，降低阀后压力P₂，流经调节阀的流量增加到一最大极限值，再降低P₂，流量不再增加，这个极限流量称为阻塞流。阻塞流产生前后，流量计算公式截然不同。

产生阻塞流前

产生阻塞流后

    式中Q--阻塞流前流量，m³/h
    Q_r--阻塞流后流量，m³/h
    A--节流面积，cm²
    p-- 流体密度，g/cm³
    ΔP--阀前后压差，MPa
    ζ--调节阀阻力系数
    ΔP_T--产生阻塞流的极限压差，MPa

二、防止汽蚀破坏的方法

1、合理分配压差

避免汽蚀破坏的最有效办法就是使阀门内各级压降ΔP都小于发生汽蚀的最小压差（临界压差） ΔP_T。

ΔP_T=K_C（P₁-P_V）

    式中P₁--阀门入口压力，MPa
    K_C--汽蚀系数
    P_V--入口温度下液体饱和蒸汽压力，MPa
    K_C可根据液体的压力恢复系数F_L查图2确定，各种类型调节阀的压力恢复系数F_L见表1。如果阀门压降较大时，可采用多级减压的方式，使每一级压降都小于ΔP_T。

表1 各类调节阀压力恢复系数

阀门类型	阀瓣形式	流动方向	F_L
单座调节阀	柱塞形	流开	0.90
	柱塞形	流闭	0.80
	窗口形	任意	0.90
	套筒形	流开	0.90
	套筒形	流闭	0.80
双座调节阀	柱塞形	任意	0.85
双座调节阀	窗口形	任意	0.90
角形阀	柱塞形	流开	0.90
	柱塞形	流闭	0.80
	套筒形	流开	0.85
	套筒形	流闭	0.80
球阀	O 形球阀	任意	0.55
球阀	V 形球阀	任意	0.57
蝶阀	60°全开	任意	0.68
蝶阀	90°全开	任意	0.55

2、采用适当的结构形式

设计特殊结构的阀座和阀瓣，使高速液体通过阀座和阀瓣每一点的压力都高于该温度下的饱和蒸汽压，并采用会聚喷射的方法，使液体本身相互冲撞，在通道间发生高度紊流，使调节阀中液体的动能由于相互摩擦而转换成热能，从而减少气泡的形成。另一方面，使汽泡的破裂发生在套筒中心，避免了对阀座和阀瓣表面的直接破坏。另外，阀座和阀瓣应采用易于拆卸的结构，损坏时便于维修和更换。阀门在进行结构设计时，还应留2mm的空行程，因为阀门在刚开启时，密封面处节流面积小，流速很高，会对阀瓣和阀座密封面产生严重冲刷，同时产生汽蚀现象。通常采用的阀门内部结构形式如图3和图4所示，图3为一种由许多同心的具有特殊钻孔的圆环形零件组成的专用节流套阀门，每个圆环产生一级压降，且都不超过临界压差。图4为阶梯孔套筒结构。

在阀门压降大于20MPa，采用笼式主件消除汽蚀时，随着阀瓣离开阀座，阀瓣和阀座线以下的压力降分布组件开通，液体开始流动，但仍有部分分布组件阻止流动，液体会在进口压力作用下，通过阀瓣和笼形主件间的间隙，进入出口压力区，高速流体就会将阀瓣和阀座冲刷出沟槽，进口压力越高，破坏性越大。为解决这种间隙流动问题，采用图5结构，这种结构不仅能逐级分布正常的压力降，而且也能分级分布阀瓣和笼形主件间的间隙流动。