气蚀对调节阀的破坏原因及防治措施

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在调节阀运行过程中，会出现腐蚀、磨损、冲刷、水击、噪音、振动等多种多样的破坏，其中对调节阀本体和阀内件破坏最严重的当属气蚀(也叫空化)。1 气蚀产生的过程及破坏作用
1.1 气蚀的产生
气蚀是液体介质流经调节阀等节流元件(如图1上半部分所示，调节阀节流口可视作限流孔板)时，因介质流速加快而导致压力降低到饱和蒸汽压以下(假设在此期间介质温度保持不变)，“沸腾”析出气泡;然后在阀后由于流速降低、压力回升，导致气泡破裂、重新被压缩进液体内的过程(见图1所示)。由于气泡破裂时释放的内压有数百兆帕，会对临近的阀体和阀内件造成严重破坏。
1.2 气蚀的两个阶段
对于一个压力下降-恢复过程来说，气蚀过程分为两段：
前半段析出气泡的过程叫做闪蒸，会导致流速进一步加快，节流面冲刷损伤加剧;同时伴随有阻塞流现象，会导致调节阀流通能力不足。
后半段气泡破裂的过程叫做气蚀，会对调节阀本体及阀内件造成严重破坏，形成煤渣及蜂窝状的表面。
1.3 气蚀的破坏效果
如果破坏的是密封面，会很快造成内漏，失去节流作用(图3、图4)。
如果破坏的是阀体，会导致穿孔，影响装置运行及人身安全(图5、图6)。
还有可能破坏其它部位(图7、图8)，都会对调节阀造成很大破坏，同时会带来管道的振动、噪音等附加影响。

2 预防和减轻气蚀破坏的措施
预防气蚀破坏需要从工艺流程设计、调节阀计算选型阶段就引起高度重视，防患于未然。尽量采用预防措施加以克服，提高装置主动安全系数。
2.1 闪蒸的应对方法

因为气蚀首先要经过闪蒸阶段，应先从减轻闪蒸程度作为防止气蚀破坏的前提条件，需要从以下几方面入手。
2.1.1 工艺专业需提供完整、准确的参数
介质工作温度下的饱和蒸汽压力数值是判断是否产生闪蒸的前提。
由于设计院工艺专业所提供的参数中，饱和蒸汽压往往没有给出，所以要求自控专业设计人员对于常规介质的特性有比较全面的了解。如有疑似闪蒸的工况，需及时请工艺专业落实有关数据，包括正常运行工况数据和特殊工况下的极限数据。
2.1.2 闪蒸的预估和阻塞流修正
饱和液体在计算Cv值时，需要先根据饱和蒸汽压计算汽化指数，和实际压差进行比较，判断是否有闪蒸。再根据闪蒸时阻塞流对流量系数造成的影响，及时修正计算Cv值，增大流通能力。
现在各设计院和生产厂家基本上都有成熟的调节阀计算、选型软件。但只有在输入完整数据的基础上，才能计算准确。

2.1.3 闪蒸破坏的预防措施
在阀前后压力、温度等参数确定的情况下，闪蒸工况往往是不可避免的。
闪蒸会带来流速增加，局部冲刷加剧，应根据温度理。针对不同的材质，常用的方法有堆焊、喷焊硬质合金，粉末喷涂、烧结，以及渗氮、镀硬铬、热处理等工艺手段。

2.1.4 疑似闪蒸工况的处理原则
需要注意的是，对于温度较高的液体，尤其是介质成分较复杂，或压力、温度不稳定的情况，即使手头缺乏相应资料，也要按照可能产生闪蒸的工况来假设，按照更为苛刻的要求估算选型，此时应用经验就显得很重要。
2.2 气蚀破坏的消除或预防措施
因为气蚀释放的能量巨大，任何材质都很难抵抗，所以首先必须从结构设计上尽量消除气蚀影响，主要是根据介质特性和参数，选择合适的口径和阀内件型式;再通过选择硬度较高的材料，延长使用寿命。
2.2.1 多级降噪音套筒
对于一般可能产生气蚀的工况，选用二级或三级多孔套筒是比较有效的手段(如图9)。
其主要作用是借助压力降的合理分配，使压力下降和恢复呈现逐级衰减的特点，最大程度减轻或消除气蚀发生的能量(如图2)。
2.2.2 迷宫叠片套筒
在300℃以上的高温工况下，气蚀的发生概率会更大，且破坏力更大，选用迷宫式叠片组合而成的套筒能够更有效地降低气蚀破坏(图10)。该结构可使介质压降分解到最多20级节流件上，可以使压力下降恢复幅度减小30~40%，甚至可以完全消除闪蒸。

压力数值，对密封面附近或全部阀内件表面进行硬化处多级降压和迷宫式叠片在套筒内的压差分配为自上游到下游逐级衰减的模式，符合以下公式：ΔP=ΔP1+ΔP1/2+ΔP(1/2)2……ΔP(1/2)n。
2.2.3 注意事项
但需要注意的是，多级套筒或迷宫式叠片结构只能用于干净介质。如果介质有脏污或颗粒、杂质的话，很容易堵塞狭窄的流道，造成调节阀流通能力不足甚至完全堵死，此时要改用串联阀芯或其它更适合的结构。
2.2.4 流向的选择
在选用多级套筒时，要充分考虑压力降的分布特点，依据用户提供的参数预估可能产生闪蒸和气蚀的大致位置，采取相应预防措施减轻破坏。
因为气蚀发生在节流口的下游，都是在压力下降后的恢复阶段产生的，流向的选择就是减轻气蚀破坏效果很关键的因素。这里的节流口是广义概念，不仅指阀芯阀座部位，也包括多级套筒内部弯道之类等效节流口。
调节阀的结构特点是，阀体中部流道空间相对狭窄，而且还有套筒、阀塞、阀杆等元件，容易受到气蚀正面冲击而损坏。而阀体下腔相对空旷，可以使气泡破裂产生的冲击在介质内部相互碰撞而消耗，作用于阀体内壁的冲击力相对分散，所以一般建议选择流关流向的套筒阀，更能减轻气蚀破坏。
但如果预计气蚀点会发生在节流口附近时，要变更阀内件型式或流向。
2.2.5 调节阀和内件、管道型式的选择
对于无法完全消除闪蒸和气蚀的场合，为了减轻对下游阀体和管道的破坏，选用侧进底出的角形阀、增加带导流扩散功能的阀座、延长下游直管段等措施都比较有效。
2.2.6 调节阀口径的选择
因为气泡破裂只有在近距离处才会产生巨大破坏，所以在闪蒸和气蚀工况下，调节阀口径要尽可能选大，安装条件允许时还可以扩大下游管径。如果流量系数较小，可采用内缩径以取得合理开度。
2.2.7 解决矛盾要分清主次
针对一些特殊介质，比如含有颗粒、结焦、杂质等情况，如果仅仅从降噪音角度选用多级套筒的话，很可能出现堵死的情况。此时选型需要考虑的就首先是防堵，其次是消除或减轻闪蒸和气蚀破坏，然后是现场安装位置的限制，最后再考虑噪音的影响。
2.2.8 其它辅助措施
对于调节阀本身结构无法解决的问题，可从装置长周期运行角度出发，采用方便检修的其它辅助措施。如在下游加装限流孔板以改变压力分布，或加装消音器以降低噪音等等。
根据实际运行情况，采用以上单项或多项措施，可以将气蚀的影响降到最低限度。
2.2.9 选用单级低噪音套筒的注意事项
单级多孔低噪音套筒对于单相流体具有降低流速、减少噪音的功能。但在闪蒸和气蚀发生的情况下，汽液混合的流体流动状态是紊乱的，已经不能简单套用理想流体的计算模型。
事实已经多次证明，单级低噪音套筒不但无法防止破坏，而且会将本来局限在近距离的爆破能量传输到更远的位置，成为增强气蚀破坏力的帮凶。图五是原采用一级套筒的调节阀受气蚀破坏的照片，可以明显看出阀体内壁的穿孔是由于一级套筒的加速作用造成的。在这种情况下，气泡破裂产生的巨大能量在畅通无阻的小孔内以类似出枪膛加速的效果，将冲击力打在阀体内壁上，形成均匀分布的“弹坑”，很快就穿孔外漏了。所以在气蚀场合，选用单级低噪音套筒时一定要慎重。
3 应用效果
上海光辉仪器仪表有限公司引进美国BFS公司先进技术生产的SG/CG系列调节阀，具有多种型式的阀内件，能够有效解决以上应用难题。软件根据ISAS75.01标准计算，会对闪蒸和气蚀及流速超标自动警示，对一些常规疏忽错误也能及时提示操作者确认，降低选型难度。
近年来，我们遵循以上思路，在许多气蚀破坏严重场合，成功将原调节阀平均3个月左右的使用寿命普遍提高到两年以上。为河北鑫泉焦化有限公司、山东垦利石化集团有限公司、利华益集团维远化工有限公司、山东东明石化集团有限公司、山东滨化集团化工有限公司等多家用户解决了困扰生产多年的老大难问题。
除抗气蚀技术之外，BFS产品还特别适用于高压差工况，以及蒸汽超压放空阀、饱和水排污阀、夹套反应釜温度等间歇工况的控制。
4 结束语
气蚀对调节阀使用寿命影响很大，需要我们从计算、选型到应用过程中不断积累经验，消除气蚀影响。
希望我们的产品和服务能够为广大用户解决调节阀应用难题、提高装置自动化控制水平尽微薄之力。