Кавитация в управляващи вентили - Контролно инженерство
Въпреки че дебитът на изходящия отвор трябва да се има предвид при избора на управляващи вентили, той не описва пълния обхват на физическото явление, което се случва в този клапан. Следователно използването на подход само за скорост на потока не може да осигури надеждно решение на много от проблемите, които могат да възникнат в управляващите вентили и в повечето случаи не може да осигури най-икономичното решение.
Когато чиста течност тече през контролен клапан, може да възникне кавитация, ако статичното налягане на течащата течност стане по-малко от нейното налягане на парите. В този момент целостта на потока се нарушава от образуването на парни мехурчета. Тъй като всички управляващи клапани имат известно възстановяване на налягането, полученото изходящо налягане обикновено е по-високо от статичното налягане при отвора на гърлото. Когато налягането на изхода е по-високо от налягането на парите на течността, мехурчетата на парата преминават обратно в течността. Това е двуетапна трансформация и се определя като кавитация.
Падът на налягането на клапана, налягането на парите и коефициентът на възстановяване на налягането са параметри, използвани за определяне на напълно запечатан поток и условия на кавитация
Свиването на парни мехурчета може да генерира локални вълни на налягане до 7000 MPa. Освен това по време на кавитация се образуват микроскопични струи поради асиметричното разрушаване на мехурчетата. Комбинацията от вълни на налягане с висок интензитет и микроскопични струи, действащи върху повърхността на клапите, може да причини сериозни щети. Разрушаването на кавитацията води до бързо износване на затвора и седалката на клапана, а също така причинява разрушаване на тялото му (виж снимката). Може да доведе и дошум и вибрации и представлява потенциална опасност за безопасността. Ето защо е необходимо да се разбере и предотврати това явление, особено когато възникнат условия на високо налягане.
За да се предвиди кавитация в управляващите вентили, трябва да се вземат предвид три параметъра: входно налягане на клапана (P1), изходно налягане на клапана (P2) и налягане на течните пари (Pv). Интензивността на кавитационната деструкция силно зависи от съотношението между тези три параметъра. Колкото по-голям е спадът на налягането през клапана (P1-P2) и колкото по-близо е Pv до P2, толкова по-интензивна е кавитацията.
Интензивното кавитационно разрушаване води до бърза повреда на пробката и леглото на клапана
Възстановяването на налягането във вентила е функция на неговата индивидуална вътрешна геометрия. Като цяло, колкото по-обтекаема е една клапа, толкова повече се наблюдава натрупване на налягане, което увеличава вероятността от кавитация. Спадът на налягането през вентила, при който започва кавитацията, се нарича критичен спад на налягането. Напълно затворен поток ще съществува, ако действителният спад на налягането е по-голям от критичния спад на налягането и ако изходното налягане е по-голямо от налягането на парите на течността.
В ISA S75.01 и IEC 534-2 за управляващи вентили, критичният спад на налягането през клапан за напълно запечатан поток се дава от израза, показан на Фигура 1. Изразът ясно показва, че скоростта на флуида в зоната на регулиране не е сред параметрите, които се използват за прогнозиране и дефиниране на напълно запечатан поток или състояние на кавитация. За да се решат тези проблеми, трябва да се използват диференциалното налягане през вентила, налягането на парите и коефициентът на възстановяване на налягането във вентила.
Метод, който предвиждакавитационното увреждане в управляващите клапани е известно като "сигма метод". Препоръчва се от ISA 75.23 и се основава на лабораторни тестове и емпирични доказателства. Този метод сравнява работната "сигма" и "сигма" на вентила, която се определя от лабораторни тестове за дадена геометрия на границата на разлома (вижте Фигура 2).
В рамките на сигма метода скоростта на потока на флуида в зоната на подстригване не може да се използва за прогнозиране на увреждане от кавитация. Сигма методът зависи от спада на налягането на клапана, налягането на парите, размера на клапана и други параметри за налягане/размер на клапана, определени чрез лабораторно изпитване на референтни клапани.
Изчисляването на скоростта на флуида в зоната на регулиране е показано на Фигура 3. За многостепенно регулиране скоростта може да се определи от съответния спад на налягането във всеки отделен етап.
Въпреки че скоростта на потока на регулиране зависи от спада на налягането, тя не може да предвиди появата на кавитация или произтичащата от това повреда, тъй като налягането на парите на течността не е включено в израза за изчисляването му. С други думи, оценката на критичния спад на налягането и сигма методът трябва да бъдат свързани, за да се предскаже кавитацията и нейният принос към увреждането на клапата.
Нека покажем, че анализът на скоростта на потока в зоната на регулиране не позволява решаването на проблема с кавитацията на контролния клапан. Разгледайте в този пример две опции за параметрите на потока вода през клапана:
Падът на налягането при условие 1 (6,9 MPa) е по-висок, отколкото при условие 2 (3,43 MPa). Следователно, според анализа на скоростта на потока и израза на фигура 3, трябва да се вземе предвид по-висок коефициент на загуба на регулиране K (повече завои или стъпки на регулиране) в условие 1 в сравнение с условие 2, за да се постигнениска скорост на течността в зоната на подстригване и предотвратяване на повреда на облицовката.
Условие 2 обаче позволява много повече щети от кавитация, отколкото условие 1, тъй като в този случай налягането на изхода (20,7 kPa) е много по-близо до налягането на парите (6,9 kPa), отколкото същата стойност при условие 1 (6,9 MPa).
Това показва, че анализът на скоростта на потока не може да предвиди повреда от кавитация в управляващ клапан, тъй като скоростта зависи само от (P1-P2), а не от налягането на парите (Pv) и съотношението между P1, P2 и Pv.
Сега за друг пример: Имайте предвид, че в много приложения изискването за ниска скорост на регулиране като 30 m/s може да бъде много внимателно, но все пак недостатъчно за предотвратяване на кавитационно увреждане на клапана. За да се постигне такава ниска изходна скорост, тримът трябва да бъде многоетапен, което би увеличило цената му и би намалило търсенето.
Тези два израза за изчисляване на "сигма" работни условия и "сигма" клапан показват, че скоростта на потока на флуида в зоната на регулиране не може да се използва за прогнозиране на кавитационно увреждане
В този пример течността е вода при 40°C, скоростта на потока е 0,013 m3/s, налягане на входа на клапана P1 = 5,52 MPa, налягане на изхода P2 = 1,38 MPa, налягане на парите Pv = 6,9 kPa. Възможно решение за това приложение би бил 2" едностъпален дроселиращ вентил с малък отвор, който има коефициент на възстановяване на налягането FL = 0,94.
Използвайки израза, показан на Фигура 1, може да се получи стойността на критичния спад на налягането от 4,88 MPa, което е по-голямо от спада на налягането през клапана от 4,14 MPa. Следователно в него не съществуват уплътнен поток и кавитацияклапан.
Изразът за скоростта на течността при подреждане не може да предскаже кавитация, ако налягането на парите на течността не се вземе предвид
Помислете за "сигма метода" за това приложение. Използвайки израза на фигура 2, получаваме, че работната сигма стойност е 1,35, а сигма стойността на клапана е 1,13. Емпиричните параметри, необходими за намиране на сигма стойността на клапан, се определят чрез тестване на 2-инчовия клапан от серия 41005 в лабораторията за поток Masoneilan. Работната сигма е по-голяма от сигмата на клапана, така че методът на сигмата предвижда, че вентилът няма да бъде повреден от кавитация.
От друга страна, използвайки израза, показан на фигура 3 с K = 1,6 (за пробити отвори), откриваме, че скоростта на изтичане в този клапан е приблизително 70,8 m/s - много по-висока от стойността от 30 m/s, дадена от някои производители на вентили.
Тези примери показват, че методът на критичния спад на налягането и методът на сигма потвърждават, че едностепенният вентил ще работи без повреда от кавитация, въпреки факта, че скоростта на изтичане е много по-висока от 30 m/s. Освен това избраният едностъпален устойчив на кавитация вентил за горното приложение е по-икономичен от многостъпалния.