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閥門常見問題之氣穴

(一)氣穴介紹
    氣穴是僅能在液體操作中發生的一種現象,它首次于1900年初期作為問題發現。當海軍工程師注意到輪船螺旋槳產生氣泡時發現,這些氣泡似乎會降低船只速度,以及造成對螺旋槳的實際損耗。
    每當大氣壓力等于液體蒸汽壓力時,則產生氣泡。顯然,當液體被加熱,蒸汽壓力升到等于大氣壓力,在此點上氣泡發生。這種相同相象通過降低大氣壓力到等于液體蒸汽壓力時也可發生。在液體工藝操作中,當液體加速通過收縮斷面的狹窄區時,壓力可下降到低于液體蒸汽壓力,這導致氣泡的形成。當物流繼續通過收縮斷面,當流動面積膨脹時,流速下降,而壓力再次回升,這導致壓力恢復增加使物流壓力高于蒸汽壓力。
    當氣泡在收縮斷面處形成,它向下游移動到壓力恢復并造成氣泡內向爆炸。這兩個步驟過程—在收縮斷面處形成并隨后在下游內向爆炸,被叫做氣穴。簡單地說,氣穴是一個發展階段,它的特點在于液體-蒸汽-液體的過程全部是在閥門的小面積內并在微妙之內進行。較輕的氣穴損傷對某些可認為是正常的,它可在例行維護中處理。如果被忽視,嚴重的氣穴將限制閥門的估計壽命。它也會產生閥座的過度泄漏,改變流動特性,造成壓力容器(閥體或管線等)的完全破壞。
    在某些嚴重的壓力降的工況下,氣穴能夠在數分鐘內將閥門的零件破壞。
    總之,產生氣穴必須具有五個條件:首先,閥門上游和下游兩側的流體必須是液體;第二,當流體進入閥門或在閥門下游由壓力降產生殘余蒸汽時,液體必須未達到飽合狀態;第三,收縮斷面的壓力降必須下降到工藝流體的蒸汽壓力之下;第四,出口壓力必須恢復到液體蒸汽壓力水平;第五,液體必須含有某些夾帶氣體或雜質,在形成蒸汽泡中它起到晶核作用。晶核有時也叫核子。核子含在工藝流體中像是微觀顆粒或溶解氣體。因為大多數工藝流體含有顆粒或溶解氣,形成蒸氣氣泡的機會是很有可能的。在理論上,如果液體中完全無核子,有些專家相信氣穴將不會產生,然而這幾乎是不可能的,特別是考慮到熱動力學效應時。
    氣穴的產生和內爆包括五個階段:首先,當通過閥門節流時流速增加而液體壓力降低于蒸氣壓力;第二,圍繞核子晶核體膨脹進入蒸氣之內,該核子晶核即可是顆粒也可是夾帶氣體;第三,氣泡增長直到物流運動遠離收縮斷面,并提高了壓力恢復而抑制了氣泡增長;第四,當物流運動遠離收縮斷面,面積膨脹而減慢流速和增加壓力,提高的壓力擠壓或內爆氣泡使蒸氣返回液體;第五,如果氣泡接近閥門表面,內爆之力直接指向閥壁表面,而造成材料疲勞。
    由氣穴所產生的氣泡比由正常沸騰產生的氣泡更小和力量更大。由內爆氣泡所釋放的能量很容易聽到像是閥門或下游管線內的噪聲,就像石子滾下管線似的。噪聲正常是由過度振動造成的,她能導致金屬或管線疲勞或靈敏儀器校準失誤和失靈。在某些情況下,通過牢固地將閥門和管線錨固在地面上或墻上,可減少振動。
    氣穴造成的最長久損害是由內爆氣泡造成閥體內部的材質變壞。當氣泡在收縮斷面膨脹,它們運動到閥門的下游然后在發生壓力恢復時內爆。如果氣泡接近于金屬表面,例如閥體壁,他們有向閥壁釋放內爆能量的傾向。當不等的壓力施加作用力于氣泡時發生此種現象,因為在最鄰近物體的空穴氣泡的一側,其液體壓力較小,內爆的能量引向表面(圖一)。這個原則與防潛交戰中深度負載爆炸相同。
             
                         圖一 被閥體壁內爆的氣穴氣泡
 
    對于氣穴,真正的損害發生在氣泡內爆的后兩個過程,能量在金屬表面的爆炸,會將金屬撕成微小的碎片,特別是當壓力強度達到或超過閥體材料的抗拉強度的時候。已經報告的振動波是高到100000psi(6900bar)。最初的破壞是強大的,因為撕開表面的拖動會吸引或抓住其他正在內爆的氣泡而導致更多的氣穴損傷。被氣穴損傷的閥門部件有凹坑外觀或感覺像是噴砂表面。氣穴損害的外觀與閃蒸或磨蝕損傷外觀大不相同,后者表面是光滑的。另外一種可能的氣穴長期影響是它可能腐蝕材料的涂層、面膜或者氧化物,它將揭開母材料而進行化學和腐蝕侵害。
    金屬硬度在空穴氣泡撕開金屬容易程度上起很大作用。軟金屬,例如鋁,很容易被氣穴氣泡產生之力所屈服,并很快地被撕開。硬化材料能較好地耐受空穴的影響,但在一段時間后,它們也將疲勞并開始被磨損。沒有能長期地耐氣穴的材料,甚至是最硬的材料最終也將被磨損。
    另一系列的氣穴副作用是降低閥門性能和減少工藝系統的效率。當氣穴發生時,閥門將全部壓力降轉變為質量流率的能力內削弱。換言之,氣穴能導致較少的流量通過閥門,在實際操作中產生的Cv值比原始計算的值為小。
    用三個基本方法之一能夠控制或消滅氣穴:第一,改進系統;第二,使用硬的或硬化材料制造某些閥體內部零件;第三,在閥門內安裝特殊設施,該設施設計成使氣穴遠離閥門表面,過阻止氣穴本身的形成。
 
(二)初期氣穴和堵塞氣穴
 

    當下游壓力下降時,產生一個大的壓力差,此時出現的氣穴叫做初期氣穴。當容器發生損傷時,這個防救被認為是初期氣穴損害。當流量增加,初期氣穴將最終變為堵塞,它叫做堵塞氣穴。圖二表示了直線關系,它是基于流率Q和壓力降的平方根之間的直線關系。這個關系的比例常數是根據公式:

(三)氣穴指數
    多年來,氣穴專家已經開發許多氣穴指數以斷定氣穴在設備(包括閥門)中的可能性。斷定氣穴的能力對閥門設計和應用是關鍵。例如存在氣穴,可在閥門上裝配特殊閥芯以減少影響或全部消滅氣穴。某些零件,例如閥芯或閥座,可由硬的或硬化的材料制造,或改變工藝系統以減少通過閥門的壓力降,這樣氣穴不能形成。
    多年以來,閥門工業使用流動曲線氣穴指數Kc,它表示流率和壓力降平方根直線關系上的氣穴影響。指數Kc在目前仍為某些制造廠所采用,并有時用于計算,如:
                                     
式中   Kc—氣穴指數;
       P1—閥門進口壓力;
       P2—閥門出口壓力;
       Pv—液體蒸氣壓力(閥門入口和收縮斷面處)。
    氣穴指數假設的沒有氣穴的閥門許多功能在任何壓力降處小于指數Kc計算的壓力降處。氣穴指數Kc的基本問題是它不考慮任何正可能損傷閥門的預氣穴條件。
 
(四)系統調整以阻止氣穴
    為消滅氣穴的形成,答案在于降低自上游到下游的壓力,防止在收縮斷面的壓力下降到蒸氣壓力之下。當此降壓已完成,蒸氣氣泡不形成并避免了氣穴,正常情況下這需要特殊閥芯或調整系統的形成一系列較小的壓力降,而導致所需要的下游壓力。通過產生一系列壓力降,而不是較大壓力降,則操作被改進,因此,壓力不會下降到低于蒸氣壓力。
    在某些情況下,工藝系統和有關操作條件,或用于該系統的過程設備,能被改進以減少氣穴影響。甚至于閥的類型或閥門數量(在一個系統內)也能改進氣穴影響。一個系統的解決辦法是向系統中注入空氣。乍看起來,它好象是使壞的情況更為嚴重,即加入的空氣將提供附加的核子,它充當蒸氣氣泡的核晶并產生損傷。但是氣穴研究表明:在某一點上,加入物流中的空氣含量破壞了內爆氣泡的爆炸力并能降低總的損傷。這種解決辦法在使用較大閥門向儲罐卸料或因物流中大的顆粒干擾而不能使用氣穴控制閥芯、抗氣穴閥芯或下游設施時其工作的較好。
    氣泡的密集度可通過改變下游壓力而改進。如果可能,增加下游壓力可降低壓力降而足以避免壓力下降到低于蒸氣壓力,但是這將降低工藝流量。降低下游壓力看來不是一個選擇方案,因為較大壓力降將產生更多的蒸氣氣泡。然而,增加壓力差會提供較低的氣穴密集度。
    下游背壓設施是安裝在閥門和下游管線之間的一個設施,在提高下游阻力和下游壓力時該設施將降低閥門產生的壓力降。背壓設施可能會限制閥門流量,因此需要一個較大閥門或不同的閥芯縮徑。此設施必須周期性地檢驗,以確保它未被磨蝕或被小氣穴所磨壞。磨損的背壓設施終究將降低下游壓力,提高壓力降和產生氣穴。此外,用戶必須小心在流動范圍的限制內使用背壓設施,否則會在設施之后的下游管線產生氣穴。背壓設施通常用于旋轉閥,由于結構限制,旋轉閥不能設計成帶有內部抗氣穴設施。
    某些閥門結構能夠用來減少氣穴損傷。例如,當截止直線型閥門其閥體低部受到氣穴影響,而角型直線閥門可能遭受較小的損傷,因為物流連續地自收縮斷面流出,并直接進入線中心而沒有閥門或管線表面直接與蒸氣氣泡碰撞。
    照例,旋轉閥的面對面尺寸,例如蝶閥、偏心旋塞閥和球閥,是遠遠小于 對比尺寸的截止閥。這樣旋轉閥所產生的收縮斷面很可能不是發生在閥體本身內,而是在下游管線。在這種情況下,氣穴可能發生,下游管線的管段可在定期檢修中例行更換。另一方案是安裝兩個或三個閥門代替一個閥門,使壓力降發生在多于一處的節流區而防止大的壓力降而使壓力下降到低于蒸氣壓力。通過增加閥門的方案其費用較貴,但是它依然比使用特殊工程用閥便宜。這個解決辦法有一個特點,它可能發生在第一個閥門對著高上游壓力的時候。在很短的時間內,第一個閥門將承受全部壓力降直到物流達到第二閥門,在某些情況下,這可能使第一個閥門遭受氣穴損傷。在此操作下,在閥門內安置抗氣穴閥芯可能是較佳方案。
 
(五)結構材料
    氣穴很容易地損傷軟金屬,因為軟金屬比硬金屬的抗拉強度低。最常用處理氣穴的方法之一是使用較硬材料(這些材料洛氏硬度超過40)作為閥門材料。整體316不銹鋼或416不銹鋼合金堆焊用于閥芯零件。
    在氣穴操作中使用角型閥的一個優點是它有三個選擇方案:硬化閥座環,一個伸長的文丘里環,或閥體襯里(可安裝在下游閥的部分)。這些零件在遭受氣穴損傷后,可定期更換,這些襯里可由合金6和合金17-4ph不銹鋼制造。
    因為非金屬材料,例如PTFE襯里或塑料制造的閥體,它比金屬的屈服值較低,它們容易遭受氣穴損傷,并不推薦用于氣穴操作。
 

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