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防空化多级降压调节阀

防空化多级降压调节阀

1 概述

   近年来在火力发电厂、石油化工等工业部门,流体压力向更高的压降方向发展,许多场合需要高压降调节阀。常规调节阀满足不了这方面的要求,因为高速流体通过调节阀节流面,使阀内件迅速冲蚀,从而造成调节阀失效。虽然阀内组件采用抗冲蚀钴基硬质合金,减轻了冲蚀,但是使用效果仍然不能令人满意。如采用17-4PH、455、610FM、硬化铬不锈钢等材料,尽管它们在耐冲刷、耐高温方面具有较好的性能,但是仍不能解决阀内组件的冲蚀问题。

   流体通过调节阀,压力降低到饱和蒸汽压力以下,形成很多微小气泡(称为闪蒸),接着压力回升并高于此饱和蒸汽压力时,液体中的微小气泡破裂(此过程称为空化),所有的能量集中在破裂点上,产生极大的冲击力,造成对调节阀的气蚀,其结果造成调节阀报废。在工作实践中,管道设计师完全知道空化的破坏作用,并且千方百计避免空化发生。但是实际系统或系统设备的变化会改变系统的压力条件,而使液体发生空化,其中破坏最严重的当属调节阀产品。

 EPB800电气阀门定位器,阀门定位器EPB800(注:图中所示为EPB800电气阀门定位器)

   人们知道噪音通常是高压降的产物。考虑到有些噪音的不可避免性,特制订了一些法规来限制工业噪音。调节阀的设计要符合这些法规。

   如前所述,材料的选择不能解决空化问题,还得直接从调节阀的结构设计来解决,这是显而易见的。开发一种新颖调节阀来满足这些工况条件似乎是极端困难的,例如,消除高压降调节阀的噪音本身是一项艰巨工作,不过,下面介绍的调节阀结构,使用效果令人鼓舞,它是解决空化问题的有效方法。

 2 调节阀的结构

   液体从阀芯上部流入阀内,分成2股或3股向下流动,方向改变90°或60°后逐级向下流动,并且流动方向每经过一级而改变一次。当流体离开出口时,除了有向前运动的速度之外,还有旋转运动的速度。

   节流级数的多少取决于阀上的总压降。安全系数选择大一点的话,每个节流级的压降不超过5MPa。甚至为了使阀芯的扭距达到平衡,也要多加几个节流级。阀座密封面呈角型以提高密封性,阀芯与节流衬套之间间隙要保持最小,这样阀芯稍微打开,保证阀座密封面到节流级的压降能有效地转化成能量损失,阀芯再往上移动,同时打开全部节流级的节流口,直到达到最大流量为止。

   设计这种调节阀结构时,最主要是保证使用寿命长,但也要考虑到维修简单。采用阀座与节流衬套紧配合结构,并由套筒压紧,实现拆卸方便。上阀盖设有双层填料结构,节流衬套和上阀盖之间用缠绕垫片密封,只要机加工公差保持在规定的范围内,就可保证密封绝对严密。

   调节阀配用薄膜弹簧执行机构或电动执行机构,公称通径DN25~DN80,采用非压力平衡式的结构,阀座与阀杆面积几乎相等,所以不需要很大的推力。

   随着现代机械加工方法的发展,任意形状的开口槽都可加工。我们曾研究过许多不同形状的开口槽,实践表明,用常规的齿轮铣刀加工出的开口槽,它的流量特性接近于等百分比流量特性。由于存在着许多阻力,所以特性曲线也稍有变化,图2是这种调节阀典型的流量特性曲线。

    3 降压调节阀设计原理

    实践证明,不锈钢经受120m/s高速流体的冲刷,不会出现严重的磨损,用压力公式表示为:

   h=v2/2g=1202/2×9.8=734.7m≈7.1MPa(水)

    式中    h--水柱高度(m或MPa)
           v--流体速度(m/s)
           g--是重力加速度(9.8m/s2)

   也就是说,压力降等于7MPa左右。所以高压流体的压力必须逐级降低,每级限制在7MPa以内。图1(a)和图1(b)是两种调节阀结构,在调节阀压降一定时,每级限制的压力降与级数成比例关系。

 

   应该指出,这两种调节阀控制流体流动的节流口与阀座表面是完全分开的,所以连续节流对零件的冲蚀不影响阀座的密封性。

   在图1(a)的调节阀内流体通过一级节流后,改变90°角度向下流动,而在图1(b)的调节阀内流体通过一级节流后,改变60°角度向下流动阀内组件流出的液体产生旋转运动,水的密度增加,通过离心作用,迫使水冲击管壁。重量较轻的气泡仍保持在流体的中心,它们的破裂对管壁不造成破坏。在流体流动过程中,流体以紊流的形式消耗高速流体的能量,防止空化产生。

   为了保证流通能力、流量特性,本设计改变阀芯开口槽在节流套筒中的位置并改变流体的流通面积,以达到调节流量的目的。流体流通面积的设计具有两个优点:一是把流体破坏性的边界速度维持在最小程度;二是设有一个最大的间隙通道,让液体中的固体颗粒通过节流区域,把磨损减少到最小程度。

   高速流动总是伴随着巨大的噪音,流速低于120m/s,没有噪音。所以设计上使液体通过调节阀的速度不超过120m/s,或者把压降限制在7MPa以下,噪音不会很大。

      4 应用

   我们开发这种调节阀的主要目的是满足火力发电厂高压降的需要,此外,给水泵再循环、再热器和过热器的喷水降温都需要这种调节阀。给水泵再循环大部分需要二位式调节阀,即系统发生故障时调节阀全开,保证给水泵不受破坏,薄膜弹簧执行机构带上一台三通电磁阀就能满足这种工艺要求。在正常运行情况下,工厂的供气通过过滤减压阀及电磁阀输入到执行机构的气室。一旦气源出现故障,执行机构中的弹簧使阀迅速打开。根据需要,也可使执行机构推杆向相反的方向动作,把调节阀关闭。

   过热减温器的喷水调节阀,要求带一台阀门定位器,它根据温度调节器的输出信号控制调节阀的动作,调节阀也能实现故障安全保护。

   在二位式和调节式两种应用场合,证明这种调节阀流量特性是很好的。此类调节阀自开发以来,已应用于姚孟电厂、大坝电厂、高井电厂等。1997年10月和12月,此类调节阀又分别在河北陡河电厂和扬子热电厂投入使用,周期检查发现阀内组件没有受到空化破坏,经过18个月的连续运行,记录表明调节阀仍然保持良好的密封性。

    5 结束语

   实践证明这种防空化多级降压调节阀能有效地消除流体高压降所引起的破坏作用。对于一个似乎难于解决的空化问题,采用逐级降压、不断改变流体流动方向来消耗能量的设计概念是一个简单而切实可行的方法。从调节阀结构本身来解决高压降调节阀的冲蚀、闪蒸、空化、气蚀和噪音问题是一个有效的方法,保证了高压降调节阀的长期使用及稳定可靠的调节效果。

 

作者:高强

来源:互联网

    参考文献

   [1]Fisher.HP系列高压调节阀[Z].产品公报.51.2:HP-1994.10
    [2]吴国熙.调节阀使用与维修[M].

 

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