两相流对调节阀的影响及对策-课件

两相流对调节阀的影响及对策调节阀常见的故障现象有噪音、振动、密封失效、金属部件疲劳损坏等，其原因有介质腐蚀、冲刷、磨损、闪蒸和气蚀、水击等。除了腐蚀属于化学反应之外，其余破坏大部分是由于介质的物理特性造成的，其中相当一部分与两相流有关。由于化工行业介质种类繁杂，运行工况常常和理想状态差距较大，设计基础数据有时不够完善，所以两相流一直是调节阀设计的难点，往往需要根据实践经验预估。调节阀的常见故障2在生产流程中，介质并非总是处于理想状态，经常会有气液两相（例如饱和凝结水工况）、液固两相（例如催化油浆系统）、气固（粉料输送系统等）两相并存的情况。某些场合还可能有气液固三相并存现象，例如煤化工黑水介质、炼油厂焦化进料等。两相流或三相流会对管路系统及其元件造成不同程度的影响。尤其是经过调节阀这样开度、压力、流速经常处于变化的元件时，一旦产生相变，流动情况就会更加复杂。必须从计算选型、结构设计时就采取措施，才能够减少使用过程中的故障率，保障装置的长周期安稳运行。两相流和三相流3气-液两相流的影响中，气蚀（也叫空化）对调节阀本体的破坏最为严重。因为气蚀往往是伴随着高温和较高的压差产生的，所以处理起来难度较大，有时还有一定的危险性。水击也是气-液两相流中经常遇到的现象。不仅破坏调节阀本体，而且冲击破坏范围往往包括整个管道系统的。调节阀的静密封（垫片）和动密封（填料）都是水击破坏的薄弱环节。气-固或液-固两相流对调节阀主要的破坏是固体颗粒的冲刷作用。在没有相变的情况下，关键是做好流道设计、流速控制和表面硬化，以保证使用效果。两相流对调节阀的主要影响4气蚀的产生过程气蚀是接近饱和状态的液体介质流经调节阀等节流元件时，流速加快，压力降低到饱和蒸汽压以下，“沸腾”析出气泡；在阀后压力回升、流速降低，导致气泡破裂、重新被压缩进液体内的过程。5对于一个压力下降-恢复过程来说，气蚀过程分为两个阶段：前半段析出气泡的过程叫闪蒸，会导致流速加快，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气蚀。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，形成蜂窝状的表面，同时会带来管道的振动、噪音等。闪蒸和气蚀6一般工况液体流量系数计算公式：当阀后绝压P2接近或小于工况温度下的饱和蒸汽绝压Pv时，需要考虑闪蒸因素，针对阻塞流工况进行修正计算。首先根据介质临界压力Pc，计算临界压力比系数：再根据压力恢复系数FL计算发生阻塞流时的最大压降：

ΔPcr=FL2

（P1-FF

*Pv）。注：FL只与调节阀型式有关。当P1-P2≥ΔPcr时，则确定产生闪蒸及阻塞流。用ΔPcr代替上述公式中的P1-P2计算，得到修正后的实际流量系数。如果只是气液两相流体，但没有产生相变，则不属于闪蒸工况，按照ISA推荐的有效密度法进行计算（略）。闪蒸的预估和阻塞流修正7主流制造厂都有成熟的调节阀计算、选型软件。但只有工艺参数输入完整、准确的基础上，才能减小计算误差。工艺专业提供的调节阀前后压力数据大部分是固定的。但实际运行时，调节阀的开度变化也会不同程度影响整个工艺系统的压力分布。一般是开度越小，前后压差越大。有时工艺专业无法提供准确的饱和蒸汽压、临界压力等判断闪蒸的重要参数，则需要选型者靠经验进行类比估算。对于温度较高的液体，尤其是介质成分复杂，或压力、温度波动较大的情况，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，选型时应就高不就低。疑似闪蒸工况的处理8大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静9因为气蚀首先要经过闪蒸阶段，如果能够从结构设计上减轻或消除闪蒸，就能够大大减轻破坏。一般优先考虑采用多级降压阀内件。但在阀前后压力、温度等参数确定的情况下，闪蒸工况又往往是不可避免的。闪蒸会带来流速增加，局部冲刷加剧。需要对密封面附近和下游侧进行硬化处理。常用的方法有堆焊、喷焊硬质合金，超音速碳化钨喷涂、整体碳化钨烧结，以及渗氮、镀硬铬、热处理等工艺手段。闪蒸的破坏主要在节流口附近，冲刷表面一般比较平滑，而气蚀的破坏范围和程度往往比闪蒸严重得多！闪蒸破坏的预防措施10气蚀破坏密封面导致内漏11气蚀导致阀体穿孔12气蚀破坏阀内件及邻近部位13因为气蚀释放的能量巨大，任何材质都很难长期抵抗破坏。首先应该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，比如2~4层多级降压套筒，在3~15MPa压差范围内，可以有效预防、减轻闪蒸和气蚀破坏。10MPa以上压差工况可以选用迷宫式叠片结构的套筒，效果更佳。通过选择硬度较高的材料，延长使用寿命。气蚀破坏的消除或预防措施14多级降压套筒原理对于一般可能产生气蚀的工况，选用二~四级降压套筒是比较有效的手段。其主要作用是借助压力降在套筒内部的合理分配，使压力下降和恢复呈现逐级衰减的特点，减轻或消除气蚀。15多级降压套筒结构16迷宫式叠片套筒17在工作压差10MPa以上工况，选用迷宫式叠片组合而成的套筒，能够使介质压降分解到最多20级节流件上，使压力下降恢复幅度减小30~40%，甚至可以完全消除闪蒸。在无法完全消除闪蒸和气蚀的工况，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。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。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，此时要改用多段式串联阀芯（俗称糖葫芦）或其它流道更简单的结构。迷宫式叠片套筒特点18多段式多级降压阀内件适用于含颗粒介质，不容易堵塞；但需要防止由于高压差导致的阀芯摆动造成阀芯折断，从导向结构、尺寸、材质方面进行优化。多段式多级降压结构19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。调节阀如果工作在小开度下，不但容易振荡，而且阀芯阀座密封面寿命也会大大缩短，更容易产生闪蒸和气蚀，所以应尽量避免小开度工作。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，必要时还应该扩大下游管径。如果流量系数较小，可采用缩小阀座直径以取得合理开度。阀型式和口径的选择20因为气蚀发生在节流口（广义）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。这里的节流口不仅指阀芯阀座密封面部位，也包括套筒、异径管、弯头之类造成压降的等效节流口。调节阀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（尤其是角形阀），可以使气泡破裂产生的冲击在液体介质内部相互碰撞而消耗，有效保护阀体内壁。所以流关流向的套筒阀比流开流向更能减轻气蚀破坏。但如果预估气蚀点可能会发生在阀芯阀座密封面附近时，应变更阀内件型式或流向，以保护密封面。流向的选择21对于调节阀本身结构无法完全解决的问题，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，或加装消音器以辅助降低噪音，或将气蚀点转移到下游大小头或弯头处等等。这些设备可以定期检修更换，比更换调节阀至少成本和时间方面要合算很多。针对一些特殊介质，比如在含气、液同时还有颗粒、结焦等杂质，选型时如果仅仅从降噪音、抗气蚀角度考虑选用多级降压套筒的话，很可能不久就会堵死。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。分清主次矛盾，保护关键设备22多孔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，需要综合考虑调节阀的使用寿命和各项指标。事实已经多次证明，单级多孔套筒不但无法防止气蚀破坏，而且会将本来局限在气泡附近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。上文照片中阀体穿孔的两个，就是原采用单级套筒受气蚀破坏的，可以明显看出阀体内壁的穿孔是由于套筒小孔的加速作用造成的。在这种情况下，气泡破裂的能量在畅通无阻的小孔内以类似枪膛给子弹加速的效果打在阀体上，形成均匀分布的“弹坑”，很快就穿孔外漏了。所以在气蚀场合，尽量避免选择单级套筒。慎用单级多孔套筒23水击是指管道中液体流速或温度发生急剧变化所引起的压力大幅度波动的现象。由于液体的不可压缩性质，冲击力能够传递到很远位置，造成密封失效、管道系统和设备的噪音、强烈震动及损坏。最常见的水击原因是水线中串入蒸汽，在局部封闭空间产生闪蒸，体积急剧膨胀，造成类似锤击效果，所以也叫水锤。处于水击管线上的调节阀，除了静密封部位有可能与其它阀门、管件一样受冲击失效之外，如果选型不当的话，还有可能使阀芯产生剧烈振荡，造成阀杆折断、阀芯脱落等严重后果。两相流的另一种破坏形式：水击24水击导致管线法兰密封失效125水击导致管线法兰密封失效226汽包给水管线、再沸器等以蒸汽作为热媒的换热器凝结水管线等场合，热水处于或接近饱和状态，是最容易产生闪蒸和水击的地方，与系统设计、负荷波动、操作水平等有关。间歇运行的夹套反应釜，如果需要交替通入介质进行加热/冷却的情况下，其冷热介质切换的过渡过程中，容易产生闪蒸和水击。长输管线某些设备故障时也容易产生水击。水击大部分是由于工艺系统设计不合理，或者操作不当造成的。因为仪表专业与工艺专业的紧密关联，所以也应对其发生的原因和注意事项有所了解。易产生水击的工况27水击产生的原因及预防措施28为预防水击造成上阀盖垫片泄漏，采用加粗、加密上阀盖螺栓，增加防松垫片等措施。为防止水击导致泄漏，阀与管道可用焊接代替法兰连接。即使在工作压力不高的情况下，阀芯不平衡受力的单座阀也可能因为水击而剧烈振荡导致阀内件损坏。所以在可能产生水击的管线上，应该选用压力平衡型的套筒阀。调节阀阀芯在水击时除了振荡之外，还有可能因为介质产生的漩涡，造成阀芯被旋松脱落。选用具备防旋转功能的开缝螺母，有助于提高安全系数（见下页图）。调节阀预防水击措施29单座阀/套筒阀结构示意图单座阀不适用于水击场合套筒阀耐水击能力较好30开缝螺母防旋转功能比较31反应釜反应过程一般要经过进料--升温—保温—降温—出料等过程。降温一般是向夹套内通入冷水；加热方式有蒸汽、热水、导热油、电加热等。其中导热油只能走盘管，和电加热都属于局部加热，效率较低；只有蒸汽和热水可以直接进入夹套，以100%的换热面积对反应釜加热。蒸汽温度较高，换热效率优于热水，所以是最常用的热媒。为防止夹套内产生水击，通蒸汽之前必须先把水排空。冷水刚刚通入夹套时，由于余温作用，必然会有部分闪蒸，产生瞬间高压，倒灌入进水管，形成局部水击。因为水击往往发生在冷水阀小开度阶段，操作时应尽量避免调节阀在此区域内长时间停留。可通过设置某些智能定位器内置的速关范围功能，使小开度阶段尽可能快速通过，以减轻水击和涡流对调节阀的冲击。夹套反应釜的过程控制方案32夹套反应釜属于间歇运行工况，一般物料和加热/冷却介质的压力温度都不太高，所以调节阀选型的重要性容易被忽视。本人就曾经因为夹套反应釜的调节阀选型问题，走过一些弯路，最终总算是圆满解决了问题。后来经过调查，发现类似现象在行业内普遍存在，所以觉得有必要和大家分享一下经验教训。反应釜对调节阀的泄漏等级要求也比较高，尤其是在保温阶段，温度压力的稳定性对于产品品质往往有直接影响，而软密封在有冲击的场合寿命较短，所以应选择泄漏等级至少硬密封V级的快拆式套筒阀，以兼顾调节和切断性能。硬密封的阀芯阀座