消防泵減壓閥工作原理，調(diào)節(jié)閥閃蒸及氣蝕現(xiàn)象解析

2020/09/26

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 工作原理 

      消防泵減壓閥通過壓縮空氣由輸入端進(jìn)入壓力室，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后通過閥芯進(jìn)入輸出腔室。輸出腔室有一小孔與彈簧腔室相連，使輸出氣壓直接作用于彈簧膜片上，當(dāng)輸出氣壓大于膜片上彈簧壓力時(shí)，膜片向上移動(dòng)，帶動(dòng)閥芯向上移動(dòng)，輸入氣源被閥芯隔斷，輸出腔室內(nèi)的壓縮空氣通過膜片和閥芯頂部之間間隙進(jìn)入排空腔室由放氣孔排出，使輸出壓力減小。當(dāng)輸出氣壓小于膜片上彈簧壓力時(shí)，膜片向下移動(dòng)，輸入氣源通過閥芯和閥座之間間隙進(jìn)入輸出腔室，使輸出腔室內(nèi)的壓力上升。只有當(dāng)輸出壓力與彈簧壓力一致時(shí)，閥芯和閥座間隙固定，輸出壓力穩(wěn)定。因此只要調(diào)整減壓閥頂部的調(diào)節(jié)螺絲，就控制輸出壓力。

減壓閥工作原理-哲成閥門

  減壓閥是通過調(diào)節(jié)，將進(jìn)口壓力減至某一需要的出口壓力，并依靠介質(zhì)本身的能量，使出口壓力自動(dòng)保持穩(wěn)定的閥門。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，減壓閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件，即通過改變節(jié)流面積，使流速及流體的動(dòng)能改變，造成不同的壓力損失，從而達(dá)到減壓的目的。然后依靠控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使閥后壓力的波動(dòng)與彈簧力相平衡，使閥后壓力在一定的誤差范圍內(nèi)保持恒定。

減壓閥基本性能

(1)調(diào)壓范圍：它是指減壓閥輸出壓力P2的可調(diào)范圍，在此范圍內(nèi)要求達(dá)到規(guī)定的精度。調(diào)壓范圍主要與調(diào)壓彈簧的剛度有關(guān)。
(2)壓力特性：它是指流量g為定值時(shí)，因輸入壓力波動(dòng)而引起輸出壓力波動(dòng)的特性。輸出壓力波動(dòng)越小，減壓閥的特性越好。輸出壓力必須低于輸入壓力—定值才基本上不隨輸入壓力變化而變化。
(3)流量特性：它是指輸入壓力—定時(shí)，輸出壓力隨輸出流量g的變化而變化的持性。當(dāng)流量g發(fā)生變化時(shí)，輸出壓力的變化越小越好。一般輸出壓力越低，它隨輸出流量的變化波動(dòng)就越小。

通過調(diào)節(jié)閥的流體，常常會(huì)產(chǎn)生閃蒸和氣蝕現(xiàn)象。這些現(xiàn)象既能引起調(diào)節(jié)閥流通能力Kv值減小，又能產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)及對(duì)材料的損壞。因此控制和降低調(diào)節(jié)閥閃蒸、氣蝕的影響是閥門選型設(shè)計(jì)中必須要考慮的問題。  

1 閃蒸和氣蝕現(xiàn)象的原因

1.1 閃蒸和氣蝕的簡(jiǎn)單判定

閃蒸和氣蝕與調(diào)節(jié)閥的阻塞流密切相關(guān)，為了更好的理解閃蒸和氣蝕現(xiàn)象，我們首先需要了解什么是阻塞流。在GB/T17213.1-1998《工業(yè)過程控制閥第1部分控制閥術(shù)語和總則》中指出，阻塞流是指不可壓縮或可壓縮流體在流過控制閥時(shí)，所能達(dá)到的極限或最大流量狀態(tài)。無論何種流體，在入口壓力P1固定的情況下，隨著出口壓力P2的逐漸減小，流過調(diào)節(jié)閥的流量逐漸增加。當(dāng)出口壓力P2減小到某一個(gè)臨界壓力Pc以后，調(diào)節(jié)閥的流量不再增加，這個(gè)極限流量就是阻塞流。

為了分析問題的方便，我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為閥門的最大允許計(jì)算壓力降ΔPmax=P1-Pc，如果閥門上的壓差（P1-P2）大于ΔPmax，那么就會(huì)產(chǎn)生閃蒸或氣蝕。

1.2 閃蒸和氣蝕與調(diào)節(jié)閥縮流斷面處的壓力以及閥門兩側(cè)壓差有關(guān)

調(diào)節(jié)閥實(shí)際上是一個(gè)節(jié)流縮徑元件。隨著液體通過縮徑，流束會(huì)變細(xì)或收縮。流束的最小橫斷面出現(xiàn)在實(shí)際縮徑的下游，該最小斷面稱為縮流斷面，如圖1所示。

調(diào)節(jié)閥的縮流斷面-哲成閥門

圖1 調(diào)節(jié)閥的縮流斷面

為維持流體穩(wěn)定地流過閥門，在截面最小的縮流斷面處，流速必須是最大的。流速（或動(dòng)能）的增加伴隨著縮流斷面處壓力（或勢(shì)能）的大大降低。再往下游，隨著流束擴(kuò)展進(jìn)入更大的區(qū)域，速度下降，壓力增加；但下游壓力P2不會(huì)完全恢復(fù)到與閥門上游P1相等的壓力，閥門兩側(cè)的壓差（ΔP=P1-P2）表示閥門中消耗的能量。 

下面分3種情況來說明閃蒸和氣蝕現(xiàn)象。 
    （1）如果縮流斷面處的壓力降到液體的飽和蒸汽壓力以下（由于該點(diǎn)處速度增加），氣泡就會(huì)在流束中形成。隨著縮流斷面處的壓力進(jìn)一步降到液體的飽和蒸汽壓力以下，氣泡會(huì)大量地形成。在此階段，閃蒸和氣蝕之間沒有差別，但是對(duì)閥門結(jié)構(gòu)損壞的可能性肯定存在。 
    （2）如果閥門出口的壓力仍低于液體的飽和蒸汽壓力，氣泡將保持在閥門的下游，我們就說過程發(fā)生了“閃蒸”。 
    （3）如果下游壓力恢復(fù)使得閥門出口壓力高于液體的飽和蒸汽壓力，氣泡會(huì)破裂或向內(nèi)爆炸，從而產(chǎn)生“氣蝕”。 
    很明顯，高恢復(fù)閥門比較容易發(fā)生氣蝕，因?yàn)樗南掠螇毫Ω锌赡苌烈后w飽和蒸汽壓力之上。

2 閃蒸和氣蝕的危害

出現(xiàn)閃蒸和氣蝕現(xiàn)象，說明在流體中產(chǎn)生了高速氣泡，并且氣泡的產(chǎn)生和破裂均在極短的時(shí)間內(nèi)完成，產(chǎn)生的沖擊力極大，會(huì)對(duì)閥門和管道產(chǎn)生很大的破壞作用，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。 

2.1 閥門損壞

發(fā)生閃蒸時(shí)，氣泡對(duì)閥門的閥芯會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞。其特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形，沖刷最嚴(yán)重的地方一般是在流速最高處，通常位于閥芯和閥座環(huán)的接觸線上或附近。

發(fā)生氣蝕時(shí)，飽和蒸汽氣泡破裂釋放出能量，會(huì)慢慢地撕裂材料，留下一個(gè)類似于煤渣的粗糙表面。氣蝕造成的損壞可延伸至鄰近的下游管道，如果在該處仍存在壓力恢復(fù)和氣泡破裂現(xiàn)象。 

2.2 振動(dòng)

閃蒸和氣蝕使閥門在垂直和水平方向產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，加速了管道和閥門的機(jī)械磨損，同時(shí)振動(dòng)造成緊固件松動(dòng)，直接威脅生產(chǎn)安全。 

2.3 噪音

發(fā)生氣蝕時(shí)，由于氣泡爆裂會(huì)產(chǎn)生一種類似于砂石流過閥門的噪聲，影響操作環(huán)境。 

3 閃蒸工況閥門選型

從數(shù)學(xué)模型上分析，閃蒸的產(chǎn)生是因?yàn)镻2＜Pv。P2是閥門的下游壓力，是下游過程和管道的一個(gè)函數(shù)。Pv是流體和工作溫度的一個(gè)函數(shù)。因此，定義閃蒸的變量不是由閥門直接控制的。這進(jìn)一步意味著，對(duì)任何閥門來說都無法防止閃蒸。閃蒸不能靠閥門來避免，最好的辦法是選擇合適的幾何形狀和材料的閥門來避免或盡量減小破壞。主要從下列三個(gè)方面考慮： 

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3.1 閥門結(jié)構(gòu)

閥門結(jié)構(gòu)與閃蒸無關(guān)，但是卻能控制閃蒸的破壞。選擇流體方向改變盡可能少的閥門可以使顆粒沖擊數(shù)量減到最小。比如： 
    （1）采用介質(zhì)自上而下流動(dòng)的角形閥。由于角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，而不是像球形閥一樣直接沖擊體壁，所以大大減少了沖擊閥體體壁的飽和蒸汽氣泡數(shù)量。 
    （2）帶有旋啟式閥瓣的閥門結(jié)構(gòu)也是一種有效方法。在閥體內(nèi)部下游一側(cè)安裝旋啟式閥瓣，把閥體下游的壓力控制在飽和蒸汽壓力以下，使閃蒸出現(xiàn)在下游管線，由一段下游管線來承受閃蒸的破壞。 

3.2 材料選擇

 一般情況下，硬度校高的材料更能抵御閃蒸和氣蝕的破壞。對(duì)于那些肯定會(huì)受到流體沖擊的閥內(nèi)區(qū)域，如閥座表面，選擇盡可能硬的材料。硬質(zhì)合金鋼是常用的抗腐蝕材料，如電力行業(yè)經(jīng)常選用鉻鉬合金鋼閥門。對(duì)于角形閥，其閥體可采用碳鋼結(jié)構(gòu)，但其下游管道需要選用硬度高的材料，因?yàn)槠溟W蒸發(fā)生在閥體下游。對(duì)于球形閥，最好采用合金鋼閥體，因?yàn)殚W蒸出現(xiàn)在閥體內(nèi)部。 

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閃蒸現(xiàn)象跟系統(tǒng)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。為調(diào)節(jié)閥將閃蒸水排向設(shè)備的系統(tǒng)。圖2（a）的閃蒸出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥與設(shè)備之間的管道里，閃蒸破壞只會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域。（b）的閃蒸出現(xiàn)在閥門下游和設(shè)備中，所以設(shè)備相對(duì)于管道來說必須具有更大的容積來防止高速氣泡沖擊材料表面?？梢?，良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能幫助防止閃蒸破壞的發(fā)生。