化工調(diào)節(jié)閥閃蒸的防護(hù)措施 調(diào)節(jié)閥閃蒸的防護(hù)措施 化工調(diào)節(jié)閥閃蒸 化工閥閃蒸的防護(hù)施 之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹化工調(diào)節(jié)閥閃蒸的防護(hù)措施氣化爐底到高壓閃蒸罐及洗滌塔底部到高壓閃蒸罐設(shè)置黑水調(diào)節(jié)閥多臺(tái)。這些調(diào)節(jié)閥工作溫度較高、壓降大、灰渣含量也zui高，應(yīng)能夠耐受通過(guò)閥門(mén)壓力降引起的高流速，還要耐受閃蒸溶解汽的汽蝕、水的汽化和煤灰顆粒引起的腐蝕及磨蝕。尤其是在*級(jí)閃蒸，黑水從高壓經(jīng)過(guò)閃蒸閥直接降到中低壓，由于閃蒸出大量工藝蒸汽，物料流過(guò)閃蒸閥節(jié)流元件的速度非常高，導(dǎo)致閥內(nèi)件磨損嚴(yán)重，閥門(mén)的使用壽命大大降低。因此，針對(duì)這類(lèi)閥門(mén)內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，得到可視化的結(jié)果，找出其閃蒸、空化的區(qū)域?qū)Ω倪M(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高使用壽命至關(guān)重要。
1化工調(diào)節(jié)閥閃蒸的防護(hù)措施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
黑水調(diào)節(jié)閥多為角閥，廣泛適用于控制高黏度介質(zhì)、含有顆粒的流體和泥漿及閃蒸流體等。本文選取DN150，PN11.0的黑水調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，該型號(hào)黑水調(diào)節(jié)閥主要有閥體、閥蓋、閥桿、閥頭、閥座段和擴(kuò)散段組成。工作時(shí)，介質(zhì)從入口流入，流經(jīng)閥頭與閥座之間形成的節(jié)流口，再依次經(jīng)過(guò)閥座段和擴(kuò)散段后流出，通過(guò)閥桿的上、下移動(dòng)改變閥頭與閥座之間的相對(duì)位置從而改變流量。 圖1 DN150，PN11.0黑水調(diào)節(jié)閥三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 調(diào)節(jié)閥是自控系統(tǒng)中的終端現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)儀表。它安裝在工藝管道上，調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，按設(shè)定要求控制工藝參數(shù)。調(diào)節(jié)閥直接接觸高溫、高壓、深冷、腐蝕等工藝流體介質(zhì)，因而是zui容易被腐蝕、沖蝕、氣蝕、老化、損壞的儀表，往往給生產(chǎn)過(guò)程的控制造成困難。尤其是在液體工況下，如果調(diào)節(jié)閥上的壓差ΔP（P1－P2）大于zui大允許計(jì)算壓力降ΔPmax，那么就會(huì)產(chǎn)生閃蒸或氣蝕，這種現(xiàn)象會(huì)引起調(diào)節(jié)閥或相鄰管道結(jié)構(gòu)上的損壞，同時(shí)還可能引起整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪音，嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)閥的使用壽命和整個(gè)自控系統(tǒng)的性，給裝置生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。 
2數(shù)值模擬
2.1 建模
上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥分別建立該型號(hào)黑水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度分別為30%、60%時(shí)的流道模型，并劃分網(wǎng)格，其中開(kāi)度為30%的流道模型如圖2所示。為使流動(dòng)更充分，出、入口分別延長(zhǎng)300mm。
閃蒸和氣蝕是一個(gè)物理現(xiàn)象名詞，因?yàn)樗枋隽肆黧w介質(zhì)在形式上的實(shí)際變化。這種變化是從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，由于通常是在閥座口的zui大流道縮徑處或其下游的流體速度的增加而引起的。隨著流體通過(guò)縮徑，流束會(huì)變細(xì)或收縮。流束的zui小橫斷面出現(xiàn)在實(shí)際縮徑的下游被稱為縮流斷面處，如圖1所示。
圖1 縮流斷面示意圖
為維持流體穩(wěn)定地流過(guò)調(diào)節(jié)閥，在截面zui小的縮流斷面處，流速是zui大的。流速（或動(dòng)能）的增加伴隨著縮流斷面處壓力（或勢(shì)能）大大的降低。再往下游，隨著流束擴(kuò)展進(jìn)入更大的區(qū)域，流速下降，壓力增加；但下游壓力不會(huì)*恢復(fù)到與調(diào)節(jié)閥上游相等的壓力，調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的壓差ΔP表示閥門(mén)中消耗的能量。圖2為高壓力恢復(fù)和低壓力恢復(fù)調(diào)節(jié)閥的壓力變化曲線，反映了由于較大的內(nèi)部紊流和能量消耗，一個(gè)流線型高壓力恢復(fù)調(diào)節(jié)閥如球閥與一個(gè)低壓力恢復(fù)調(diào)節(jié)閥的不同性能。 
圖2 閥門(mén)打開(kāi)30%時(shí)的流道三維模型
2.2 數(shù)值計(jì)算
將GAMBIT導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型（選用k－ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型）。根據(jù)表1提供的計(jì)算條件設(shè)置流體物性及進(jìn)出口的邊界條件，進(jìn)行流場(chǎng)初始化，設(shè)定控制參數(shù)及定義迭代次數(shù)后就可以進(jìn)行求解。
表1 計(jì)算條件
2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析
由于該黑水調(diào)節(jié)閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區(qū)間為開(kāi)度為10%～90%，選取30%和60%兩個(gè)開(kāi)度進(jìn)行計(jì)算并分析。
1）開(kāi)度為30%時(shí)的流場(chǎng)特性
從圖3壓力云圖可以看出，節(jié)流口前及節(jié)流口后的區(qū)域壓力分布均勻，不存在壓力陡升的區(qū)域，節(jié)流口處壓力驟降，出現(xiàn)一小段負(fù)壓區(qū)，節(jié)流口后壓力慢慢回升，但至出口始終沒(méi)有超過(guò)介質(zhì)的飽和蒸汽壓力，故從節(jié)流口到出口這段區(qū)域的壓力都小于介質(zhì)的飽和蒸汽壓力，因此該段出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，該閥門(mén)能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)閃蒸將介質(zhì)壓力降下來(lái)的功能。 圖3 30%開(kāi)度時(shí)節(jié)流口處壓力云圖
由于出現(xiàn)了閃蒸，流動(dòng)的液體變成有氣泡存在的氣、液兩相的混合體，兩相介質(zhì)的減速和膨脹作用會(huì)形成噪聲。
從圖4速度矢量圖可以看出，30%開(kāi)度下，閥門(mén)內(nèi)的流動(dòng)比較平穩(wěn)，節(jié)流口前后速度較為均勻。 圖4 30%開(kāi)度時(shí)節(jié)流口處速度矢量圖
閃蒸對(duì)閥門(mén)的閥芯會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，沖刷zui嚴(yán)重的地方一般是在流速zui高處。從圖4～圖6可以清楚看出在節(jié)流口處出現(xiàn)高速區(qū)，應(yīng)盡量將這些表面硬化，來(lái)抵抗高速流的沖刷。
從圖5可以看出，過(guò)節(jié)流口后有渦流產(chǎn)生，這是因?yàn)楣?jié)流口處的空間不規(guī)則，高速射流狀態(tài)下引起了流動(dòng)速度的不均勻，旋渦的出現(xiàn)會(huì)使零件受力不平衡，產(chǎn)生振動(dòng)。 
圖5 30%開(kāi)度時(shí)z=0局部速度矢量圖 圖6 30%開(kāi)度時(shí)z=0、x=0局部速度矢量圖
2）開(kāi)度為60%時(shí)的流場(chǎng)特性
從圖7壓力云圖可以看出，60%開(kāi)度下與前面所述30%開(kāi)度下的壓力分布相似，不過(guò)60%開(kāi)度時(shí)節(jié)流口處的負(fù)壓區(qū)比30%時(shí)擴(kuò)大了。 圖7 60%開(kāi)度時(shí)節(jié)流口處壓力云圖
從圖8速度矢量圖可以看出，60%開(kāi)度下過(guò)節(jié)流口后的高速區(qū)域比30%時(shí)有所擴(kuò)大，這與上面的壓力對(duì)比是對(duì)應(yīng)的。通過(guò)與其他開(kāi)度下的速度矢量圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)度的增大，過(guò)節(jié)流口后的高速區(qū)域也增大。 
圖8 60%開(kāi)度時(shí)節(jié)流口處速度矢量圖
從圖9兩個(gè)截面的速度矢量圖可以看出，過(guò)節(jié)流口后仍然有渦流出現(xiàn)。
閃蒸和氣蝕現(xiàn)象的防護(hù)措施
3.1 閃蒸的防護(hù)措施
閃蒸的產(chǎn)生是因?yàn)镻vc＜Pv且P2＜Pv。閃蒸不能由調(diào)節(jié)閥直接控制。這意味著對(duì)任何調(diào)節(jié)閥來(lái)說(shuō)都無(wú)法防止閃蒸。閃蒸不能靠調(diào)節(jié)閥來(lái)避免，的辦法是選用合適的幾何形狀和材料的調(diào)節(jié)閥來(lái)避免或盡量減小破壞。
1）防止或減少液滴或氣泡沖擊閥體表面。選擇流體方向改變盡可能少的閥門(mén)，以使液滴或氣泡沖擊數(shù)量減到zui小。直行程角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，而不是直接沖擊閥體內(nèi)壁，所以大大減少了沖擊閥體內(nèi)壁的飽和氣泡數(shù)量，從而減弱了閃蒸的破壞力。一些旋轉(zhuǎn)閥如偏心旋轉(zhuǎn)球塞閥和V形球閥也提供直通式流道。
2）將受沖刷的表面盡可能硬化。對(duì)于流體肯定會(huì)沖擊閥門(mén)內(nèi)表面的區(qū)域，如閥座表面，盡可能選擇較硬的材料。但能夠長(zhǎng)時(shí)間抵御閃蒸沖刷的材料很少，且價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)外常用的材料為司太萊合金（含鈷、鉻、鎢的合金，45HRC）、硬化工具鋼（60HRC）和鎢碳鋼（70HRC）等。但硬度高的材料加工成型成本高，而且易脆裂。一般常用的方法是在不銹鋼基體上進(jìn)行堆焊或噴焊司太萊合金，形成硬化表面。當(dāng)硬化表面出現(xiàn)損傷后，可以進(jìn)行二次堆焊或噴焊，這樣既能增加設(shè)備的使用壽命，又減少了維修費(fèi)用。
3）降低流體沖刷速度。在閥的下游加擴(kuò)展式流通區(qū)域的閥門(mén)也是有效的，這樣會(huì)大大減小沖刷速度。
4）既有閃蒸又有腐蝕性的流體比較麻煩。在這種情況下，流體會(huì)使閥門(mén)腐蝕，而閃蒸會(huì)沖刷由腐蝕產(chǎn)生的軟性氧化層，這種綜合作用比兩種機(jī)理單獨(dú)產(chǎn)生的破壞要大。在這種情況下，選擇一種低合金鋼以防止腐蝕是基本的解決方案。
圖9 60%開(kāi)度時(shí)z=0、x=0局部速度矢量圖 
3結(jié)論
（1）通過(guò)數(shù)值模擬得到了黑水調(diào)節(jié)閥的流場(chǎng)特性，根據(jù)流場(chǎng)特性可以判斷閥門(mén)內(nèi)部出現(xiàn)閃蒸的區(qū)域；
（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在出現(xiàn)高速流沖擊的區(qū)域可以堆焊或噴焊STL合金，這樣可以抵抗高速流的沖刷，從而延長(zhǎng)閥的使用壽命；
（3）閃蒸帶來(lái)的破壞不易避免，但可以通過(guò)降低沖刷性流體的速度來(lái)減小破壞，下一步可以嘗試改變出口結(jié)構(gòu)，使出口段的流道更符合流線型，以期能夠降低高速流的速度，減小高速流區(qū)域的面積。
采用CFD分析方法對(duì)黑水調(diào)節(jié)閥內(nèi)出現(xiàn)的閃蒸現(xiàn)象進(jìn)行了初步探索，得到了一些基本結(jié)論，由于出現(xiàn)閃蒸時(shí)介質(zhì)已變成氣液兩相，因此要得到更準(zhǔn)確閃蒸對(duì)閥門(mén)的影響還需要進(jìn)行多相流的數(shù)值模擬。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有化工調(diào)節(jié)閥壓力恢復(fù)系數(shù)FL
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