一、沖蝕:是金屬材料表面與腐蝕流體沖刷的聯合作用,而引起材料局部的金屬腐蝕。
在發生這種腐蝕時,金屬離子或腐蝕產物因受高速腐蝕流體沖刷而離開金屬材料表面,使新鮮的金屬表面與腐蝕流體直接接觸,從而加速了腐蝕過程。若流體中懸浮較硬的固體顆粒,則將加速材料的損壞。一般說來,流體的速度愈高,流體中懸浮的固體顆粒愈多、愈硬,沖刷腐蝕速度愈快。腐蝕介質流動速度又取決于流動方式:層流時,由于流體的粘度,在沿管道截面有一種穩態的速度分布;湍流時,破壞了這種穩態速度分布,這不僅加速了腐蝕劑的供應和腐蝕產物的遷移,而且在流體與金屬之間產生切應力,能剝離腐蝕產物,從而加大了沖蝕速度。因此,在管道的拐彎處及流體進入管道或貯罐處容易產生這種破壞。另外,金屬表面成膜的特征也可以影響沖蝕速度。硬的、致密的、連續的、粘附性強的膜沖蝕速度小,反之則大。
總之,影響沖蝕的因素有:流速和流動形式、壓差、顆粒雜質、蒸汽的濕度(含水分)、金屬表面成膜特性、流道口的結構等。
蒸汽經過閥門時一般以湍流形式流動,且流速較大,若蒸汽中含有水分(水珠),因水的密度是蒸汽密度的300多倍,因此產生的沖刷力也非常大,所以閥門密封面經常被沖刷出線槽型,像被鋼刷打過一樣的痕跡。
抑制或減少沖蝕的措施是:選擇耐蝕性和耐磨性好的材料;改變腐蝕環境如添加緩蝕劑,過濾懸浮固體粒子,提高蒸汽干度,降低溫度,減小流速和湍流;采用犧牲陽極作陰極保護等。
由此導出,減小閥門沖蝕辦法:
A、最主要是要降低流速,降低壓差,因此我們采用高進低出的流向和雙閥瓣平衡結構,先打開小閥瓣時,蒸汽流速會降低,隨著蒸汽通過小孔進入到大閥瓣下端,即閥門的出口端時,壓差越來越低,所以相對傳統低進高出結構而言,這設計讓密封面的壽命更長。
B、清理雜質。
C、提高蒸汽干度,去除液滴。
D、改善閥門結構設計,盡量減少正面沖蝕。如Way′s波紋管截止閥的密封面采取了曲面分流閥瓣和平面閥瓣兩種,獨立閥座,平面密封,都利用“流體沿切線方向流動的原理”,可有效地保護密封面免受空化、沖蝕、汽蝕的破壞,大大增加使用壽命和密封性能。
E、密封面選用耐蝕性和耐磨性好的材料。
F、對于需要調節流量,閥門開度很小的工況,選用專業的可調式波紋管截止閥,曲面閥頭可避讓蒸汽對密封面的沖蝕。
二、空化:是流體通過閥門節流口時,從縮流斷面的靜壓降低到等于或低于該流體在閥入口溫度下的飽和蒸汽壓時,部分液體汽化形成氣泡,繼而靜壓又恢復到該飽和蒸汽壓,氣泡潰裂又恢復為液相。這種氣泡產生和破裂的全過程稱為空化(cavitation)。汽蝕是空化作用對材料的侵蝕。空化或汽蝕的發生對控制閥閥芯產生嚴重的沖刷破壞,沖刷發生在流速最大處,通常在閥芯和閥座環接觸線或附近。由于氣泡破裂,釋放能量,它不僅發生類似流砂流過閥門的爆裂噪聲,而且釋放的能量沖刷閥芯表面,并波及下游管道。與閃蒸沖刷不同,汽蝕使閥芯及下游管道呈現類似煤渣的粗糙表面。
三、汽蝕:當介質在節流口高速流動時,其速度能急劇增加,根據能量守恒原理,壓力能就會急劇下降。當壓力低于飽和蒸氣壓后,液體就會分裂出氣體來,形成氣液兩相流動,這就是所謂的閃蒸。當介質流經節流口后,節流速度開始逐漸下降,壓力開始逐恢復,當壓力恢復到大于飽和蒸氣壓時,氣泡破裂回到液態,就在氣泡破裂的瞬間,產生強大的壓力沖擊波,使閥芯、閥座表面的材料被沖擊成蜂窩狀的小孔,并引起振動和噪聲,這就是汽蝕。
空化、汽蝕主要發生在疏水閥、減壓閥和控制閥的節流口(密封處),因此,這些閥門的密封面必須采用耐汽蝕腐蝕性優秀的材質,而且在結構設計時需要考慮這些因素,盡量減少這種汽蝕的破壞作用。
四、空化汽蝕對疏水閥的影響
疏水閥的功能為阻汽排水,經過疏水閥的介質為冷凝水,同時還伴隨著蒸汽,冷凝水在從高壓突然降到疏水閥后的低壓時會閃蒸,這個閃蒸過程實際上就是一個能量轉換過程,高溫冷凝水從液態變成氣態的閃蒸汽,在這兩相轉換的過程中,對疏水閥閥嘴密封處的空化破壞作用是非常嚴重的,因此,若此處設計時沒有從結構上和材質上考慮,則一定容易出現疏水閥泄漏的問題。
另外,這沖蝕往往對著閥嘴方位,同時也在沖擊這閥體,因此,往往鑄鐵材質的疏水閥在哲理容易出現穿孔現象。因此疏水閥選用鑄鋼材質是非常有優勢和必要的。
五、空化汽蝕對減壓閥和控制閥的影響
蒸汽流經減壓閥或控制閥的節流口時,要進行熱能和動能之間的轉換,因此必須滿足熱力學第一定律,即穩定流動能量方程式:q=Δh+(1/2)Δc2+gΔz+w
閥門(如減壓閥、控制閥)是變化截面的通道,不能對外做功,故w=0,而且長度很短,,進出口的位移變化忽略不計,即gΔz=0,所以此流動過程可以認為是絕熱的穩定流動過程,即q=0,
Δh+(1/2)Δc2=0
或者h1+(1/2)c12=h2+(1/2)c22=h*=定值
式中h*叫做滯止焓或工質總焓,c1 、c2為進出口的流速,h1 、h2為截面上工質的總焓。
(1/2)(c22-c12)= h1 -h2
通常c1 比c2小很多,忽略不計。因此
所以說,焓值減少時,工質速度增大;焓值增大時,工質速度降低。
比如,一個10bar蒸汽經過減壓閥減到6bar后,流速變為
因此,當蒸汽流經減壓閥和控制閥時,瞬時流速大增,對密封面的沖蝕力也就大幅增加,長期直接受到這種高流速的沖刷,密封面就容易被破壞導致泄漏。