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 

      消防泵減壓閥通過壓縮空氣由輸入端進入壓力室，經過濾網過濾后通過閥芯進入輸出腔室。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，膜片向上移動，帶動閥芯向上移動，輸入氣源被閥芯隔斷，輸出腔室內的壓縮空氣通過膜片和閥芯頂部之間間隙進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，膜片向下移動，輸入氣源通過閥芯和閥座之間間隙進入輸出腔室，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，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

  減壓閥是通過調節，將進口壓力減至某一需要的出口壓力，并依靠介質本身的能量，使出口壓力自動保持穩定的閥門。從流體力學的觀點看，減壓閥是一個局部阻力可以變化的節流元件，即通過改變節流面積，使流速及流體的動能改變，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。
(2)壓力特性：它是指流量g為定值時，因輸入壓力波動而引起輸出壓力波動的特性。輸出壓力波動越小，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，輸出壓力隨輸出流量g的變化而變化的持性。當流量g發生變化時，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就越小。

通過調節閥的流體，常常會產生閃蒸和氣蝕現象。這些現象既能引起調節閥流通能力Kv值減小，又能產生噪聲、振動及對材料的損壞。因此控制和降低調節閥閃蒸、氣蝕的影響是閥門選型設計中必須要考慮的問題。  

1 閃蒸和氣蝕現象的原因

1.1 閃蒸和氣蝕的簡單判定

閃蒸和氣蝕與調節閥的阻塞流密切相關，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《工業過程控制閥第1部分控制閥術語和總則》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，所能達到的極限或最大流量狀態。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，流過調節閥的流量逐漸增加。當出口壓力P2減小到某一個臨界壓力Pc以后，調節閥的流量不再增加，這個極限流量就是阻塞流。

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

1.2 閃蒸和氣蝕與調節閥縮流斷面處的壓力以及閥門兩側壓差有關

調節閥實際上是一個節流縮徑元件。隨著液體通過縮徑，流束會變細或收縮。流束的最小橫斷面出現在實際縮徑的下游，該最小斷面稱為縮流斷面，如圖1所示。

調節閥的縮流斷面-哲成閥門

圖1 調節閥的縮流斷面

為維持流體穩定地流過閥門，在截面最小的縮流斷面處，流速必須是最大的。流速（或動能）的增加伴隨著縮流斷面處壓力（或勢能）的大大降低。再往下游，隨著流束擴展進入更大的區域，速度下降，壓力增加；但下游壓力P2不會完全恢復到與閥門上游P1相等的壓力，閥門兩側的壓差（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（由于該點處速度增加），氣泡就會在流束中形成。隨著縮流斷面處的壓力進一步降到液體的飽和蒸汽壓力以下，氣泡會大量地形成。在此階段，閃蒸和氣蝕之間沒有差別，但是對閥門結構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，我們就說過程發生了“閃蒸”。 
    （3）如果下游壓力恢復使得閥門出口壓力高于液體的飽和蒸汽壓力，氣泡會破裂或向內爆炸，從而產生“氣蝕”。 
    很明顯，高恢復閥門比較容易發生氣蝕，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，說明在流體中產生了高速氣泡，并且氣泡的產生和破裂均在極短的時間內完成，產生的沖擊力極大，會對閥門和管道產生很大的破壞作用，主要表現在三個方面。 

2.1 閥門損壞

發生閃蒸時，氣泡對閥門的閥芯會產生嚴重的沖刷破壞。其特點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的接觸線上或附近。

發生氣蝕時，飽和蒸汽氣泡破裂釋放出能量，會慢慢地撕裂材料，留下一個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和氣泡破裂現象。 

2.2 振動

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

2.3 噪音

發生氣蝕時，由于氣泡爆裂會產生一種類似于砂石流過閥門的噪聲，影響操作環境。 

3 閃蒸工況閥門選型

從數學模型上分析，閃蒸的產生是因為P2＜Pv。P2是閥門的下游壓力，是下游過程和管道的一個函數。Pv是流體和工作溫度的一個函數。因此，定義閃蒸的變量不是由閥門直接控制的。這進一步意味著，對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。主要從下列三個方面考慮： 

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3.1 閥門結構

閥門結構與閃蒸無關，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量減到最小。比如： 
    （1）采用介質自上而下流動的角形閥。由于角形閥中的介質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，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。對于那些肯定會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。硬質合金鋼是常用的抗腐蝕材料，如電力行業經常選用鉻鉬合金鋼閥門。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。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，閃蒸破壞只會出現在這個區域。（b）的閃蒸出現在閥門下游和設備中，所以設備相對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。可見，良好的系統設計能幫助防止閃蒸破壞的發生。