消防泵減壓閥工作原理，調節閥閃蒸及氣蝕現象解析

2020/09/26

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 工作原理 

      消防泵減壓閥通過(guò)壓縮空氣由輸入端進(jìn)入壓力室，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后通過(guò)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，輸出腔室內的壓縮空氣通過(guò)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(guò)閥芯和閥座之間間隙進(jìn)入輸出腔室，使輸出腔室內的壓力上升。只有當輸出壓力與彈簧壓力一致時(shí)，閥芯和閥座間隙固定，輸出壓力穩定。因此只要調整減壓閥頂部的調節螺絲，就控制輸出壓力。

減壓閥工作原理-哲成閥門(mén)

  減壓閥是通過(guò)調節，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)保持穩定的閥門(mén)。從流體力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，減壓閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節流元件，即通過(guò)改變節流面積，使流速及流體的動(dòng)能改變，造成不同的壓力損失，從而達到減壓的目的。然后依靠控制與調節系統的調節，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保持恒定。

減壓閥基本性能

(1)調壓范圍：它是指減壓閥輸出壓力P2的可調范圍，在此范圍內要求達到規定的精度。調壓范圍主要與調壓彈簧的剛度有關(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(guò)調節閥的流體，常常會(huì )產(chǎn)生閃蒸和氣蝕現象。這些現象既能引起調節閥流通能力Kv值減小，又能產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)及對材料的損壞。因此控制和降低調節閥閃蒸、氣蝕的影響是閥門(mén)選型設計中必須要考慮的問(wèn)題。  

1 閃蒸和氣蝕現象的原因

1.1 閃蒸和氣蝕的簡(jiǎn)單判定

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

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

1.2 閃蒸和氣蝕與調節閥縮流斷面處的壓力以及閥門(mén)兩側壓差有關(guān)

調節閥實(shí)際上是一個(gè)節流縮徑元件。隨著(zhù)液體通過(guò)縮徑，流束會(huì )變細或收縮。流束的最小橫斷面出現在實(shí)際縮徑的下游，該最小斷面稱(chēng)為縮流斷面，如圖1所示。

調節閥的縮流斷面-哲成閥門(mén)

圖1 調節閥的縮流斷面

為維持流體穩定地流過(guò)閥門(mén)，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(zhù)縮流斷面處壓力（或勢能）的大大降低。再往下游，隨著(zhù)流束擴展進(jìn)入更大的區域，速度下降，壓力增加；但下游壓力P2不會(huì )完全恢復到與閥門(mén)上游P1相等的壓力，閥門(mén)兩側的壓差（ΔP=P1-P2）表示閥門(mén)中消耗的能量。 

下面分3種情況來(lái)說(shuō)明閃蒸和氣蝕現象。 
    （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(zhù)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(méi)有差別，但是對閥門(mén)結構損壞的可能性肯定存在。 
    （2）如果閥門(mén)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(mén)的下游，我們就說(shuō)過(guò)程發(fā)生了“閃蒸”。 
    （3）如果下游壓力恢復使得閥門(mén)出口壓力高于液體的飽和蒸汽壓力，氣泡會(huì )破裂或向內爆炸，從而產(chǎn)生“氣蝕”。 
    很明顯，高恢復閥門(mén)比較容易發(fā)生氣蝕，因為它的下游壓力更有可能升至液體飽和蒸汽壓力之上。

2 閃蒸和氣蝕的危害

出現閃蒸和氣蝕現象，說(shuō)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)間內完成，產(chǎn)生的沖擊力極大，會(huì )對閥門(mén)和管道產(chǎn)生很大的破壞作用，主要表現在三個(gè)方面。 

2.1 閥門(mén)損壞

發(fā)生閃蒸時(shí)，氣泡對閥門(mén)的閥芯會(huì )產(chǎn)生嚴重的沖刷破壞。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(xiàn)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(lèi)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和氣泡破裂現象。 

2.2 振動(dòng)

閃蒸和氣蝕使閥門(mén)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(mén)的機械磨損，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(lèi)似于砂石流過(guò)閥門(mén)的噪聲，影響操作環(huán)境。 

3 閃蒸工況閥門(mén)選型

從數學(xué)模型上分析，閃蒸的產(chǎn)生是因為P2＜Pv。P2是閥門(mén)的下游壓力，是下游過(guò)程和管道的一個(gè)函數。Pv是流體和工作溫度的一個(gè)函數。因此，定義閃蒸的變量不是由閥門(mén)直接控制的。這進(jìn)一步意味著(zhù)，對任何閥門(mén)來(lái)說(shuō)都無(wú)法防止閃蒸。閃蒸不能靠閥門(mén)來(lái)避免，最好的辦法是選擇合適的幾何形狀和材料的閥門(mén)來(lái)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(mén)結構

閥門(mén)結構與閃蒸無(wú)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(mén)可以使顆粒沖擊數量減到最小。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量。 
    （2）帶有旋啟式閥瓣的閥門(mén)結構也是一種有效方法。在閥體內部下游一側安裝旋啟式閥瓣，把閥體下游的壓力控制在飽和蒸汽壓力以下，使閃蒸出現在下游管線(xiàn)，由一段下游管線(xiàn)來(lái)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。對于那些肯定會(huì )受到流體沖擊的閥內區域，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(mén)。對于角形閥，其閥體可采用碳鋼結構，但其下游管道需要選用硬度高的材料，因為其閃蒸發(fā)生在閥體下游。對于球形閥，最好采用合金鋼閥體，因為閃蒸出現在閥體內部。 

3.3 系統設計

閃蒸現象跟系統設計密切相關(guān)。為調節閥將閃蒸水排向設備的系統。圖2（a）的閃蒸出現在調節閥與設備之間的管道里，閃蒸破壞只會(huì )出現在這個(gè)區域。（b）的閃蒸出現在閥門(mén)下游和設備中，所以設備相對于管道來(lái)說(shuō)必須具有更大的容積來(lái)防止高速氣泡沖擊材料表面?？梢?jiàn)，良好的系統設計能幫助防止閃蒸破壞的發(fā)生。