說明FESTO電磁閥蝕現象的分析以及改進措施
FESTO電磁閥在溫壓工況使用過程中,管道流體往往因設備結構設計、安裝或工藝參數設計不當等原因而產生氣蝕,對調節閥內件造成嚴重的損傷,同時引起整個系統的振動及噪聲,嚴重影響調節閥的使用壽命及控制系統的性,給工業帶來很大的隱患。
FESTO電磁閥是一種水力流動現象,氣蝕的直接原因是管道流體因阻力的突變產生了閃蒸及空化。在工藝系統中FESTO電磁閥屬節流部件,起變阻力元件的作用,其核心是一個可移動的閥瓣與不動的閥座之間形成的節流窗口,改變閥瓣位置就可改變FESTO電磁閥的阻力特性,進而改變整個工藝系統的阻力特性。
在壓差(△p>2.5MPa)時,FESTO電磁閥的調節過程就是阻力的突變過程,此過程極易產生氣蝕。為便于分析,將FESTO電磁閥的節流過程模擬為節流孔調節式。
可以看出進口壓力為p1,流速為V1的流體流經節流孔時,流速突然急劇增加,根據流體能量守恒定律,流速增加靜壓力便驟然下降。
當出口壓力p2達到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓pv時,部分液體就汽化為氣體,形成氣液兩相共存的現象,此既為閃蒸的形成。
如果產生閃蒸之后,p2不是保持在飽和蒸汽壓之下,在離開節流孔后隨著流道截面的增大流速相應減小,閥后壓力急驟上升。
升的壓力壓縮閃蒸產生的氣泡,氣泡由圓形變為橢圓形,隨后達到臨界尺寸的氣泡上游表面開始變平,然后突然爆裂。所有的能量集中在破裂點上,產生巨大的沖擊力,其強度可達幾千牛頓。此沖擊力沖撞在閥瓣、閥座和閥體上,使其表面產生塑性變形,形成一個個粗糙的蜂窩渣孔,這便是氣蝕形成的過程。氣蝕現象不僅僅存在于壓差的調節閥內部,在工業的很多域都存在此現象。
從分析可以看出,產生氣蝕是因為發生了空化,而發生空化的原因是節流引起了壓力的突變,因此應避免空化的產生。而產生空化的臨界壓差即阻塞流形成的壓差△pT為
式中FL———壓力恢復系數
如果工藝條件必須使△p>△pT,可以將兩個調節閥串聯起來使用,這樣每個FESTO電磁閥的壓差△p都小于△pT,空化便不會產生。如果閥的壓差△p小于2.5MPa,一般不會產生氣蝕,即使有氣蝕的產生也不會對閥門造成嚴重的損壞。
另外,選用角形調節閥也可減弱閃蒸破壞力。因為角形閥中的介質直接流向閥體內部下游管道的,而不是直接沖擊體壁,所以減少了沖擊閥體體壁的飽和氣泡數量和數,相應的減少了氣蝕的發生。
從氣蝕的結果分析,材料硬度不能抵抗氣泡破裂而釋放的沖擊力是造成損傷的主要原因,但能夠長時間抵御嚴重空化作用的材料很少,價格昂貴,內外常用的材料為司太萊合金(含鈷、鉻、鎢的合金,45HRC)、硬化工具鋼(60HRC)和鎢碳鋼(70HRC)等。但硬度的材料加工成型不方便,極易脆裂,加工成本大,一般常用的方法是在不銹鋼基體上進行堆焊或噴焊司太萊合金(圖2),在流體氣蝕沖刷處形成硬化表面。
當硬化表面出現損傷后,可以進行二堆焊或噴焊,這樣既能增加設備的使用壽命,又減少了裝置的維修費用。
分析結果證明,空化是因為壓力的突變所引起,而系統要求的壓降又不能降低,所以采用將一大的壓力突變分解為若干的多閥瓣結構(圖3),這種結構的閥瓣可以把總壓差分成幾個小壓差,逐降壓,使每一都不超過臨界壓差。或設計成特殊結構的閥瓣和閥座,如迷宮式閥瓣及疊片式閥瓣等,都可以使速流體在通過閥瓣和閥座時,每一點的壓力都于在該溫度下的飽和蒸汽壓,或使液體本身相互沖撞,在通道間導致度紊流,使液體的動能由于相互摩擦而變為熱能,可減少氣泡的形成。
