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阀门常见问题之气穴

(一)气穴介绍
    气穴是仅能在液体操作中发生的一种现象,它首次于1900年初期作为问题发现。当海军工程师注意到轮船螺旋桨产生气泡时发现,这些气泡似乎会降低船只速度,以及造成对螺旋桨的实际损耗。
    每当大气压力等于液体蒸汽压力时,则产生气泡。显然,当液体被加热,蒸汽压力升到等于大气压力,在此点上气泡发生。这种相同相象通过降低大气压力到等于液体蒸汽压力时也可发生。在液体工艺操作中,当液体加速通过收缩断面的狭窄区时,压力可下降到低于液体蒸汽压力,这导致气泡的形成。当物流继续通过收缩断面,当流动面积膨胀时,流速下降,而压力再次回升,这导致压力恢复增加使物流压力高于蒸汽压力。
    当气泡在收缩断面处形成,它向下游移动到压力恢复并造成气泡内向爆炸。这两个步骤过程—在收缩断面处形成并随后在下游内向爆炸,被叫做气穴。简单地说,气穴是一个发展阶段,它的特点在于液体-蒸汽-液体的过程全部是在阀门的小面积内并在微妙之内进行。较轻的气穴损伤对某些可认为是正常的,它可在例行维护中处理。如果被忽视,严重的气穴将限制阀门的估计寿命。它也会产生阀座的过度泄漏,改变流动特性,造成压力容器(阀体或管线等)的完全破坏。
    在某些严重的压力降的工况下,气穴能够在数分钟内将阀门的零件破坏。
    总之,产生气穴必须具有五个条件:首先,阀门上游和下游两侧的流体必须是液体;第二,当流体进入阀门或在阀门下游由压力降产生残余蒸汽时,液体必须未达到饱合状态;第三,收缩断面的压力降必须下降到工艺流体的蒸汽压力之下;第四,出口压力必须恢复到液体蒸汽压力水平;第五,液体必须含有某些夹带气体或杂质,在形成蒸汽泡中它起到晶核作用。晶核有时也叫核子。核子含在工艺流体中像是微观颗粒或溶解气体。因为大多数工艺流体含有颗粒或溶解气,形成蒸气气泡的机会是很有可能的。在理论上,如果液体中完全无核子,有些专家相信气穴将不会产生,然而这几乎是不可能的,特别是考虑到热动力学效应时。
    气穴的产生和内爆包括五个阶段:首先,当通过阀门节流时流速增加而液体压力降低于蒸气压力;第二,围绕核子晶核体膨胀进入蒸气之内,该核子晶核即可是颗粒也可是夹带气体;第三,气泡增长直到物流运动远离收缩断面,并提高了压力恢复而抑制了气泡增长;第四,当物流运动远离收缩断面,面积膨胀而减慢流速和增加压力,提高的压力挤压或内爆气泡使蒸气返回液体;第五,如果气泡接近阀门表面,内爆之力直接指向阀壁表面,而造成材料疲劳。
    由气穴所产生的气泡比由正常沸腾产生的气泡更小和力量更大。由内爆气泡所释放的能量很容易听到像是阀门或下游管线内的噪声,就像石子滚下管线似的。噪声正常是由过度振动造成的,她能导致金属或管线疲劳或灵敏仪器校准失误和失灵。在某些情况下,通过牢固地将阀门和管线锚固在地面上或墙上,可减少振动。
    气穴造成的最长久损害是由内爆气泡造成阀体内部的材质变坏。当气泡在收缩断面膨胀,它们运动到阀门的下游然后在发生压力恢复时内爆。如果气泡接近于金属表面,例如阀体壁,他们有向阀壁释放内爆能量的倾向。当不等的压力施加作用力于气泡时发生此种现象,因为在最邻近物体的空穴气泡的一侧,其液体压力较小,内爆的能量引向表面(图一)。这个原则与防潜交战中深度负载爆炸相同。
             
                         图一 被阀体壁内爆的气穴气泡
 
    对于气穴,真正的损害发生在气泡内爆的后两个过程,能量在金属表面的爆炸,会将金属撕成微小的碎片,特别是当压力强度达到或超过阀体材料的抗拉强度的时候。已经报告的振动波是高到100000psi(6900bar)。最初的破坏是强大的,因为撕开表面的拖动会吸引或抓住其他正在内爆的气泡而导致更多的气穴损伤。被气穴损伤的阀门部件有凹坑外观或感觉像是喷砂表面。气穴损害的外观与闪蒸或磨蚀损伤外观大不相同,后者表面是光滑的。另外一种可能的气穴长期影响是它可能腐蚀材料的涂层、面膜或者氧化物,它将揭开母材料而进行化学和腐蚀侵害。
    金属硬度在空穴气泡撕开金属容易程度上起很大作用。软金属,例如铝,很容易被气穴气泡产生之力所屈服,并很快地被撕开。硬化材料能较好地耐受空穴的影响,但在一段时间后,它们也将疲劳并开始被磨损。没有能长期地耐气穴的材料,甚至是最硬的材料最终也将被磨损。
    另一系列的气穴副作用是降低阀门性能和减少工艺系统的效率。当气穴发生时,阀门将全部压力降转变为质量流率的能力内削弱。换言之,气穴能导致较少的流量通过阀门,在实际操作中产生的Cv值比原始计算的值为小。
    用三个基本方法之一能够控制或消灭气穴:第一,改进系统;第二,使用硬的或硬化材料制造某些阀体内部零件;第三,在阀门内安装特殊设施,该设施设计成使气穴远离阀门表面,过阻止气穴本身的形成。
 
(二)初期气穴和堵塞气穴
 

    当下游压力下降时,产生一个大的压力差,此时出现的气穴叫做初期气穴。当容器发生损伤时,这个防救被认为是初期气穴损害。当流量增加,初期气穴将最终变为堵塞,它叫做堵塞气穴。图二表示了直线关系,它是基于流率Q和压力降的平方根之间的直线关系。这个关系的比例常数是根据公式:

(三)气穴指数
    多年来,气穴专家已经开发许多气穴指数以断定气穴在设备(包括阀门)中的可能性。断定气穴的能力对阀门设计和应用是关键。例如存在气穴,可在阀门上装配特殊阀芯以减少影响或全部消灭气穴。某些零件,例如阀芯或阀座,可由硬的或硬化的材料制造,或改变工艺系统以减少通过阀门的压力降,这样气穴不能形成。
    多年以来,阀门工业使用流动曲线气穴指数Kc,它表示流率和压力降平方根直线关系上的气穴影响。指数Kc在目前仍为某些制造厂所采用,并有时用于计算,如:
                                     
式中   Kc—气穴指数;
       P1—阀门进口压力;
       P2—阀门出口压力;
       Pv—液体蒸气压力(阀门入口和收缩断面处)。
    气穴指数假设的没有气穴的阀门许多功能在任何压力降处小于指数Kc计算的压力降处。气穴指数Kc的基本问题是它不考虑任何正可能损伤阀门的预气穴条件。
 
(四)系统调整以阻止气穴
    为消灭气穴的形成,答案在于降低自上游到下游的压力,防止在收缩断面的压力下降到蒸气压力之下。当此降压已完成,蒸气气泡不形成并避免了气穴,正常情况下这需要特殊阀芯或调整系统的形成一系列较小的压力降,而导致所需要的下游压力。通过产生一系列压力降,而不是较大压力降,则操作被改进,因此,压力不会下降到低于蒸气压力。
    在某些情况下,工艺系统和有关操作条件,或用于该系统的过程设备,能被改进以减少气穴影响。甚至于阀的类型或阀门数量(在一个系统内)也能改进气穴影响。一个系统的解决办法是向系统中注入空气。乍看起来,它好象是使坏的情况更为严重,即加入的空气将提供附加的核子,它充当蒸气气泡的核晶并产生损伤。但是气穴研究表明:在某一点上,加入物流中的空气含量破坏了内爆气泡的爆炸力并能降低总的损伤。这种解决办法在使用较大阀门向储罐卸料或因物流中大的颗粒干扰而不能使用气穴控制阀芯、抗气穴阀芯或下游设施时其工作的较好。
    气泡的密集度可通过改变下游压力而改进。如果可能,增加下游压力可降低压力降而足以避免压力下降到低于蒸气压力,但是这将降低工艺流量。降低下游压力看来不是一个选择方案,因为较大压力降将产生更多的蒸气气泡。然而,增加压力差会提供较低的气穴密集度。
    下游背压设施是安装在阀门和下游管线之间的一个设施,在提高下游阻力和下游压力时该设施将降低阀门产生的压力降。背压设施可能会限制阀门流量,因此需要一个较大阀门或不同的阀芯缩径。此设施必须周期性地检验,以确保它未被磨蚀或被小气穴所磨坏。磨损的背压设施终究将降低下游压力,提高压力降和产生气穴。此外,用户必须小心在流动范围的限制内使用背压设施,否则会在设施之后的下游管线产生气穴。背压设施通常用于旋转阀,由于结构限制,旋转阀不能设计成带有内部抗气穴设施。
    某些阀门结构能够用来减少气穴损伤。例如,当截止直线型阀门其阀体低部受到气穴影响,而角型直线阀门可能遭受较小的损伤,因为物流连续地自收缩断面流出,并直接进入线中心而没有阀门或管线表面直接与蒸气气泡碰撞。
    照例,旋转阀的面对面尺寸,例如蝶阀、偏心旋塞阀和球阀,是远远小于 对比尺寸的截止阀。这样旋转阀所产生的收缩断面很可能不是发生在阀体本身内,而是在下游管线。在这种情况下,气穴可能发生,下游管线的管段可在定期检修中例行更换。另一方案是安装两个或三个阀门代替一个阀门,使压力降发生在多于一处的节流区而防止大的压力降而使压力下降到低于蒸气压力。通过增加阀门的方案其费用较贵,但是它依然比使用特殊工程用阀便宜。这个解决办法有一个特点,它可能发生在第一个阀门对着高上游压力的时候。在很短的时间内,第一个阀门将承受全部压力降直到物流达到第二阀门,在某些情况下,这可能使第一个阀门遭受气穴损伤。在此操作下,在阀门内安置抗气穴阀芯可能是较佳方案。
 
(五)结构材料
    气穴很容易地损伤软金属,因为软金属比硬金属的抗拉强度低。最常用处理气穴的方法之一是使用较硬材料(这些材料洛氏硬度超过40)作为阀门材料。整体316不锈钢或416不锈钢合金堆焊用于阀芯零件。
    在气穴操作中使用角型阀的一个优点是它有三个选择方案:硬化阀座环,一个伸长的文丘里环,或阀体衬里(可安装在下游阀的部分)。这些零件在遭受气穴损伤后,可定期更换,这些衬里可由合金6和合金17-4ph不锈钢制造。
    因为非金属材料,例如PTFE衬里或塑料制造的阀体,它比金属的屈服值较低,它们容易遭受气穴损伤,并不推荐用于气穴操作。
 

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