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    控制閥在苛刻工況下的選擇應用
    發布者:小祿 發布時間:2009-4-21 閱讀:898

    摘要:

    關鍵詞:苛刻工況;空化氣蝕;噪聲;控制閥選擇


    1 引言

        工業過程以生產自動化作為其先進性的標志,過程控制技術隨工業發展而日新月異。在控制回路中,終端控制元件(控制閥、執行裝置)直接與被控流體接觸并進行調節,決定著控制是否及時有效和過程安全,是最關鍵的,又是相對技術薄弱的環節。 在石化、化工裝置中,生產過程大部分操作條件都是在高溫、高壓下進行,且易燃易爆?量坦r就是指這種生產過程為長時間運行在高溫、高壓差、兩相流等操作條件下。在此工況下,極易產生大能量沖擊、振動、空化氣蝕和高噪聲,普通的控制閥無法承受沖刷而導致閥內件損壞。為使控制閥能夠在苛刻工況下安全可靠運行,必須選用優化設計的新型控制閥和選擇降壓減噪新技術,以及維護預測、提高控制閥生命周期。

        生產過程的工藝條件是控制閥選擇時主要考慮的問題,對于特殊的苛刻工況如何應對,應該綜合控制閥的設計結構、性能、選材等方面,以適用為主、整體優化,再結合成熟的計算軟件(如CONVAL控制閥軟件)進行計算選型和預估分析。

    2 防止空化氣蝕

        由于控制閥本身是管路節流元件,在其內部流動的液體介質,由于節流原因常常出現閃蒸和空化現象,苛刻工況下的高壓差場合更為嚴重。閃蒸和空化的發生既影響控制閥口徑的選擇和計算,更是能導致嚴重的噪聲、振動及氣蝕對材料的破壞等等,直接影響使用。 在流體通過控制閥閥芯閥座形成的節流端面時,流速突然急劇增加而靜壓力驟然下降,若節流端面后的壓力驟然降到介質飽和蒸汽壓及以下,將產生閃蒸,對閥內件有侵蝕作用。當節流后的壓力又回復到飽和蒸汽壓之上時,空化形成的氣蝕有極大的沖擊力,可高達幾千牛頓,嚴重地沖撞和破壞閥芯閥座和閥體,有如猛烈噴沙的效果,即使高硬度的合金也只能承受很短時間。 對此情況,控制閥的選擇要考慮壓差(流速)、材料和結構,并采取特殊設計和措施。

    (1)考慮壓差,不能使控制閥前后壓差過大,不使最小節流端面的壓力下降到流體的飽和蒸汽壓以下,應當使閥上壓差△pmax<2.5MPa和控制流速(可增加控制閥及管路的流通面積,減小流速)。

    (2)考慮材料,選用抗蝕能力強的金屬材料,如選1Cr18Ni9Ti不銹鋼閥芯閥座基體用Stelite(鈷鉻鎢合金)或碳化鎢對密封面進行硬化處理。

    (3)考慮控制閥結構,選用特殊設計的抗空化氣蝕的閥內件,以避免氣蝕的破壞作用。使流體在通過閥芯閥座時每一點的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓,或采用多級降壓減噪處理。選擇在閥芯閥座流出處加減噪器的措施,使液體本身相互沖撞呈高度紊流而減少氣泡(閃蒸現象)的產生。 圖1為德國某廠家的抗空化氣蝕的閥內件AC Trim.

    特殊設計閥芯閥座的    特殊設計閥芯閥座的    3級降壓減噪的抗空化氣蝕    5級降壓減噪的抗空化氣蝕

    一級抗空化氣蝕    加減噪板的二級抗空化氣蝕    (多級軸閥芯)    (多級軸閥芯)

    圖1 新型設計的抗空化氣蝕閥內件

     

    3 噪聲的抑制

        控制閥產生的噪聲一般為機械噪聲、液體動力噪聲和氣體動力噪聲。

        機械噪聲主要來自控制閥的閥芯、閥桿及一些可動部件,由于受到流體壓力波動的影響或流體的沖擊而機械振動而產生。噪聲是明顯的金屬響聲和敲擊聲,頻帶較寬,振動頻率一般小于1500Hz。減小機械噪聲的方法主要是改進閥門結構尤其是閥芯閥座、導向的結構。

        液體動力噪聲是流體流過節流端面而產生,流通截面積的急劇變化,容易產生阻塞流、產生閃蒸和空化,減速和膨脹造成噪聲,空化作用產生強大破壞力時還發出噪聲。氣體動力噪聲是當氣體速度大于聲速時,流體產生沖擊波,噪聲劇增。噪聲的預估比較復雜和困難,IEC 60534-8標準也給出了有關噪聲預估方法,各控制閥廠家的計算軟件中都有噪聲的預估計算。控制閥噪聲的抑制和治理,主要采用聲源處理和聲路處理。聲源處理就是設法防止和降低控制閥節流端面的聲源功率,抓住壓差和流速這兩個影響噪聲的關鍵參數,在閥內件和閥體結構上設計改進,在聲源的節流處把速度和壓差降下來。


        (1)采用減噪器的辦法。在節流處加裝細小的迂回通路,如迷宮式結構的減噪器、細目鋼網卷成的減噪器、多孔結構的減噪板。參見圖2。

    圖2加在閥芯閥座流出處的減噪器    圖3控制閥出口消音器

        (2)采用出口加擴管消音器的辦法,減弱沖擊波并消耗聲能,做聲路減噪處理。參見圖3。

        (3)利用摩擦原理,設計多級閥芯降壓減噪,控制流體流速,有效地防止了空化作用,也明顯抑制了噪聲。

        (4)改善流場參數。根據流場分布與閥門結構有關的研究結果,改進閥門流路和閥內件結構,選用S形流路、V形開口閥芯、套筒閥,等。

    4   應對高溫苛刻工況


        在高溫的工況下,必須考慮材料熱膨脹對閥內件動作的影響,所用材料不能因高溫作用而變形、塑變、蠕變,造成閥內件卡住或閥桿和導向套卡住,因此設計間隙(包括閥芯與閥座間;導向套與閥桿間)要根據材料、尺寸及溫差等因素考慮而適當增加。同時考慮閥體、支架、填料、連接件等的承受溫度能力。


        基于在高溫下各種材料的硬度都會有不同程度的下降,要認真查對所選材料的溫-壓曲線,使其滿足在溫度條件下的耐壓,保證安全性。對泄漏量要求較高的,閥內件采用相同的合金鋼,密封面做硬化處理。溫度高于一定時(如220℃),要考慮選加延伸的上閥蓋;溫度高于450℃時,要考慮選加較長延伸的上閥蓋,來避免傳熱造成氣動執行器和閥門定位器非正常工作。

    5   結束語

        控制閥在苛刻工況下應用的氣蝕、沖刷、噪聲等問題是由來已久,各控制閥廠家不斷尋找解決辦法。目前一系列可靠耐用的新型抗空化氣蝕控制閥相繼推出,以及智能閥門定位器的數字化應用,已使控制閥能夠選擇和應用在苛刻工況條件

    參考文獻:

    1. 吳國熙:《調節閥使用與維修》,北京:化學工業出版社,1999

    2. 德國SAMSON公司產品說明《Control Valves for Industrial Processes  Volune 1》,2005

     
     


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