Кавитация в регулирующих клапанах

Является ли характеристика давления более важной, чем скорость потока жидкости в зоне трима при выборе регулирующего клапана? Среди производителей клапанов на этот счет до последнего времени шли оживленные дебаты.

Хотя скорость потока на выходе трима должна учитываться при выборе регулирующих клапанов, она не описывает всей сути физического явления, возникающего внутри этого клапана. Следовательно, использование подхода, основанного только на скорости потока, не может обеспечить надежного решения множества проблем, которые могут появиться в регулирующих клапанах, и в большинстве случаев не может обеспечить наиболее экономичного решения.

Кавитация

При протекании через регулирующий клапан чистой жидкости кавитация может возникнуть в случае, если статическое давление текущей жидкости становится меньше давления ее паров. В этой точке целостность потока нарушается образованием пузырьков пара. Поскольку все регулирующие клапаны имеют некоторое восстановление давления, результирующее давление на выпуске, как правило, выше, чем статическое давление в отверстии горловины. Когда давление на выпуске выше, чем давление паров жидкости, пузырьки пара переходят обратно в жидкость. Это двух этапное преобразование и определяется как кавитация.

Перепад давления клапана, давления паров и коэффициент восстановления давления — параметры, использующиеся для определения полностью уплотненного потока и условия возникновения кавитации

Схлопывание пузырьков пара может порождать локальные волны давления до 7000 МПа. Кроме того, во время кавитации из-за асимметричного разрушения пузырьков образуются микроскопические струи. Комбинация волн давления высокой интенсивности и микроскопических струй, действующих на поверхность клапанов, может вызвать серьезное повреждение. Кавитационное разрушение ведет к быстрому износу затвора и седла клапана, а также служит причиной разрушения его корпуса (см. фото). Оно также может приводить к возникновению шума и вибраций и представляет потенциальную угрозу безопасности. Следовательно, необходимо понять и предупредить это явление, особенно когда возникают условия падения высокого давления.

Для прогнозирования кавитации в регулирующих клапанах должны рассматриваться три параметра: давление на впуске клапана (P1), давление на выпуске клапана (P2) и давление паров жидкости (Pv). Интенсивность кавитационного разрушения сильно зависит от соотношения между этими тремя параметрами. Чем больше падение давления на клапане (P1-P2) и чем ближе Pv к P2, тем более интенсивна кавитация.

Кавитация

Интенсивное кавитационное разрушение ведет к быстрому повреждению затвора и седла клапана

Уплотненный поток

Восстановление давления в клапане является функцией его индивидуальной внутренней геометрии. В общем случае, чем более обтекаемым является клапан, тем большее восстановление давления наблюдается, что увеличивает вероятность кавитации. Перепад давления на клапане, при котором начинается кавитация, называется критическим перепадом. Полностью уплотненный поток будет существовать, если реальный перепад давления будет больше критического и если давление на выпуске будет больше давления паров жидкости.

В стандартах ISA S75.01 и IEC 534-2 для регулирующих клапанов критический перепад давления на клапане для полностью уплотненного потока определяется выражением, приведенным на рисунке 1. Выражение ясно показывает, что скорость жидкости в зоне трима не входит в число параметров, которые используются для прогнозирования и определения полностью уплотненного потока или условия кавитации. Для решения этих задач должны использоваться перепад давления на клапане, давление паров и коэффициент восстановления давления в клапане.

Сигма-метод

Метод, который прогнозирует кавитационное повреждение в регулирующих клапанах, известен как „сигма-метод“. Он рекомендован ISA 75.23 и основывается на лабораторном тестировании и эмпирических данных. В этом методе сравниваются эксплуатационная „сигма“ и „сигма“ клапана, которая определяется из лабораторного тестирования для заданной геометрии границы повреждения (см. рис. 2).

В рамках сигма-метода скорость потока жидкости в зоне трима не может использоваться для прогноза кавитационного разрушения. Сигма-метод зависит от перепада давления на клапане, давления паров, размера клапана и других параметров давление/размер клапана, определяемых при лабораторном тестировании образцовых клапанов.

Скорость жидкости

Расчет скорости жидкости в зоне трима показан на рисунке 3. Для многоступенчатого трима скорость может быть определена через соответствующий перепад давления на каждой отдельной ступени.

Хотя скорость потока в триме зависит от перепада давления, она не может предсказать появление кавитации или обусловленного ею повреждения, так как в выражение для ее расчета не включен такой параметр, как давление паров жидкости. Другими словами, оценка критического перепада давления и сигма-метод должны быть связаны для прогнозирования кавитации и ее вклада в повреждение клапана.

Примеры

Покажем, что анализ скорости потока в зоне трима не позволяет решить проблему кавитации регулирующего клапана. Рассмотрим в этом примере два варианта параметров протекания потока воды через клапан:

  • Условие 1 – скорость потока 0,06 м3/c, давление на впуске 13,8 МПа, давление на выпуске 6,9 МПа и давление паров 6,9 кПа;
  • Условие 2 – скорость потока 0,06 м3/c, давление на впуске 3,45 МПа, давление на выпуске 20,7 кПа и давление паров 6,9 кПа.

Перепад давления в условии 1 (6,9 МПа) выше, чем в условии 2 (3,43 МПа). Следовательно, в соответствии с анализом скорости потока и выражением на рисунке 3, более высокое значение коэффициента потерь трима K (большее число изгибов или ступеней в триме) требуется учесть в условии 1 по сравнению с условием 2, чтобы достичь низкой скорости жидкости в зоне трима и предотвратить его повреждение.

Тем не менее, условие 2 допускает много большее кавитационное повреждение, чем условие 1, поскольку в этом случае давление на выпуске (20,7 кПа) значительно ближе к давлению паров (6,9 кПа), чем аналогичное значение в условии 1 (6,9 МПа).

Это показывает, что анализ скорости потока не может предсказать кавитационное повреждение в регулирующем клапане, поскольку скорость зависит только от (P1-P2), а не от давления насыщенных паров (Pv) и соотношения между P1, P2 и Pv.

А сейчас другой пример: Учтите, что во многих приложениях требование низкой скорости на выходе трима, такой как 30 м/с, может быть очень осторожным, но все-таки недостаточным для предотвращения кавитационного повреждения клапана. Для достижения такой низкой скорости на выходе трима необходимо делать его многоступенчатым, что повысит его цену и уменьшит спрос.

Эти два выражения для расчета «сигма» условий эксплуатации и «сигма» клапана, показывают, что скорость потока жидкости в зоне трима не может использоваться для прогнозирования кавитационного повреждения

В этом примере жидкостью является вода при температуре 40ОС, скорость потока равна 0,013 м3/с, давление на впуске клапана P1 = 5,52 МПа, давление на выпуске P2 = 1,38 МПа, давление паров Pv = 6,9 кПа. Возможным решением для этого приложения может быть двухдюймовый одноступенчатый, дросселирующий клапан с небольшими отверстиями, который имеет коэффициент восстановления давления FL = 0,94.

Используя выражение, приведенное на рисунке 1, можно получить значение критического перепада давления 4,88 МПа, которое больше перепада давления на клапане 4,14 МПа. Следовательно, уплотненный поток и кавитация не существуют в этом клапане.

Выражение для расчета скорости жидкости в триме не может предсказать кавитацию, если не учитывается давление паров жидкости

Рассмотрим „сигма-метод“ для этого приложения. Используя выражение, приведенное на рисунке 2, получим, что значение эксплуатационной „сигма“ равно 1,35, а значение „сигма“ клапана равно 1,13. Эмпирические параметры, требуемые для нахождения значения „сигма“ клапана, определяются по результатам тестирования двухдюймового клапана серии 41005, проведенного в лаборатории Masoneilan flow laboratory. Эксплуатационная „сигма“ больше, чем „сигма“ вентиля, таким образом сигма-метод предсказывает, что вентиль не будет поврежден кавитацией.

С другой стороны, используя выражение, приведенное на рисунке 3 с K = 1,6 (для просверленных отверстий), получим, что скорость исходящего потока в этом клапане равна приблизительно 70,8 м/с – намного выше значения 30 м/с, приводимого некоторыми производителями клапанов.

Эти примеры показывают, что метод критического перепада давления и сигма-метод подтверждают, что одноступенчатый клапан будет работать без повреждения кавитацией, несмотря на то, что скорость исходящего потока много выше 30 м/с. Более того, выбранный одноступенчатый устойчивый по отношению к кавитации клапан для вышеуказанного приложения более экономичен, чем многоступенчатый.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *