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预测控制阀气蚀损伤

来源:荣格 发布时间:2018-08-07 563
泵与过滤智能制造液压与气动技术 技术前沿
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流体控制阀可能会发生气蚀现象,造成巨大的噪音,并损坏阀门部件,最终给加工工厂造成额外的成本。本文提供了一种通过评估超声范围内的结构传导噪声来解决这一问题的新方法。
在处理流体的控制阀中可能会发生气蚀现象,造成巨大的噪音,并损坏阀门部件,最终给加工工厂造成额外的成本。目前尚不存在可以评估因气蚀诱导而致破坏性的标准化程序,而噪声排放则可根据新的国际标准EN 60534-8-4进行可靠预测。本文介绍了一种通过评估超声范围内的结构传导噪声来解决这一问题的新方法。
预防控制阀气蚀损伤
 
1. 控制阀的气蚀现象
 
当工艺介质经过阀门时,其压力会发生变化。与内部流动路径相关的关键压力包括输入压力p1、最窄处的压力pVC(射流紧缩)和输出压力p2。
 
在主流动路径周围的其它区域中,静态压力可以比pvc高很多或低很多。利用CFD(计算流体动力学)进行的射流紧缩压力场的流动模拟说明了这种特性(图1)。在3.5 bar的压差下,压力场是稳定的;而在4 bar下,除了在阀塞处一个小区域(右图中箭头处)的压力明显较低外,也同样稳定。当该区域中的压力达到蒸汽压力pv时,就会开始形成小气泡。介质携带着这些气泡流向显示出更高压力的下游区域。在这一点上,气泡发生内爆。这一过程即被定义为气蚀。
预测控制阀气蚀损伤
图2包含在各种压差下拍摄的四幅阀门图像。在这种情况下,xFz系数起着关键作用,即发生初始气蚀的压差比[1]。它与输入压力和蒸汽压力一起决定了初始气蚀的压差,即xFz•(p1–pv)。在图2b中,在左侧紧邻阀塞后可见第一处蒸汽特征。随着压差增大,气蚀区扩展,这是因为该区域的压力水平因流速增加而降低。
预测控制阀气蚀损伤
这个过程的后果之一是噪声。图3显示了一个典型的噪声 - 差压比xF = (p1–p2)/(p1–pv)图形。噪声水平的急剧上升是发生气蚀的典型标志。在这一点上,可记录下xFz系数。在xFz与1之间发生气蚀流动。当xF < xFz时,流动仅为湍流或层流。当xF > 1时,不再有气泡内爆,并且现有的气体与流体混合产生两相流,由于压力p2低于此时的蒸汽压力,因而持续进入出口管。
 
预测控制阀气蚀损伤
预测控制阀气蚀损伤
在EN 60534-8-4标准中提出的一种基于理论的新方法包含噪声预测,它能获得比以前的方法更精确的结果[1]、[6]。该方法估算出xFz,但当使用图4[1]中的测量数据确定系数时,仍可得到最精确的结果。
 
在阀门的整个开启范围内xFz系数应尽可能高,以达到尽可能低的噪声水平,确保不发生气蚀或仅发生较弱的气蚀现象。
 
然而,如果差压比xF远大于xFz,则会存在气蚀是否会损坏阀门部件的问题。遗憾的是,尚无解决这一问题的标准化方法。在讨论基于经验数据的一些推荐方法之前,首先来解释一下气蚀损坏阀门部件所涉及的基本过程。
 
常用理论是基于微射流[2]的,它是在气泡内爆时形成的。这种微射流十分微小,但流速非常高。在对阀门部件产生冲击时,微射流会导致部件表面发生塑性变形,最终导致材料断裂。气泡的内爆取决于环境压力与蒸汽压力之间的压降,并且当气泡快速移动时,还取决于气泡在其上的速度。结果表明,压差p1–pv越高,在相同压差比xF之下的爆裂强度就越大。
 
根据最近的发现[2]、[3]、[4],导致气泡内爆的压力波起着更大的作用。
 
在存在额外腐蚀的情况下,材料侵蚀速率会显著加快。
 
2. 基于经验数据的气蚀评估
 
ISA RP 75.23(控制阀气蚀评估的各项考虑因素)[2]描述了主要的气蚀现象,并确定了基于计算的预测方法。采用σ作为气蚀指标,以倒数形式代替压差比xF。图5描绘了与图3中以σ所描绘的相同的噪声水平。根据与出口管处的结构声级而非与图5中的声压级相似的图形,确定出各种不同的阀门σs:
σi对应初始气蚀(≈1/xFz)
σc对应噪声水平恒定上升的气蚀
σch对应初始壅塞流(≈1/FL3,FL = 压力恢复因子[5])
σmv对应最大噪声
σid对应材料损伤阈值
 
 
两个变量可直接通过测量声压和流量来确定,或根据标准(如[5]和[6])获取。对于其它参数,特别是σid,这并不容易的,并且需要进行许多复杂的测试,例如冲蚀试验。
预测控制阀气蚀损伤
 
预测控制阀气蚀损伤
下面列出了其它的换算公式,它能根据p1–pv和标称阀门尺寸进行校正,因为这些系数主要是针对较小的阀门尺寸和较低的压力确定的。
 
 [2]的附录C将气蚀强度具体规定为与气蚀首次引起损坏所对应条件有关的因子I。此条件用σid及相关的压差(p1–pv)id来表示。不校正标称阀门尺寸(SSE参见[2]),并与差压比有关,应用以下公式:
预测控制阀气蚀损伤

xFid是定义中首次发生材料破坏时的压差比σid。因子F考虑了以下影响:

§   FU:基于速度因子,例如,出口速度(如果小于临界出口速度则取1,例如5 m/s)

§   FT:温度影响,平均取2([2]的附录C)

§   FD:应用影响,例如持续运行取2([2]的附录C)

 

对于[2]中的球阀,指定了最大指数a=0.11。对针阀进行了专门调查[7],以研究在高达200 bar的压力下因气蚀引起的材料冲蚀,并据此绘制了图6中的材料冲蚀 - 差压曲线。使用图6所指定的近似公式确定材料冲蚀速率以计算I,得到如下公式:

预测控制阀气蚀损伤

较大的差异(图7)突显出经验方法的不足。

 

一个更通用的公式可以表示如下:
预测控制阀气蚀损伤
在这种情况下,指数a、b和c不是首先定义的,而是使用经验数据来确定的。
 
然而,为了从最初开始防止材料冲蚀,掌握xFid肯定比计算精确强度更为重要。
 
在阀门工程文献中,还可以找到关于抛物线形阀塞气蚀的另一项研究[8]。该项研究以及这两位服务于阀门制造商的作者所获得的经验,验证了评估破坏性气蚀风险的公开方法。
 
必须发生足够数量的气泡破裂,压力波强度也必须足够强,从而引起值得一提的损害。压力波很大程度上受压差p1–pv的支配。对于xF>xFch,壅塞流的发生表明存在高含量的气泡。本文作者进行的检测表明,差压比xFch近似为FL3。表1包含了xFch以下的各类阀门的xFid系数。在标准球阀的案例中,在15 bar差压下损坏开始变得明显(表1,[10])。
预测控制阀气蚀损伤

结合表1中规定的系数,在以下条件下,存在临界气蚀(即发生气蚀的风险):

预测控制阀气蚀损伤

例如:xF = 0.9,p1–p2 = 20 bar,使用司太立/硬质材料球阀!

 
 
3. 通过声学测量测定控制阀气蚀的严重程度
 
第2节中(特别是在该节结尾处)的建议,是建立在实际方法的基础之上的,这些方法在实践中已经得到了证实。法兰克福的SAMSON AG和达姆施塔特技术大学的涡轮机与流体动力研究所开展了一项联合研究项目,以期在这一领域获得更深入、更精确的信息。该项目旨在开发一种实时监测阀门冲蚀性破坏的方法。该项研究涉及声学方法和材料方法。这一程序已经在大学中成功运用在泵上[4] 。
 
由气蚀引起的冲蚀的破坏性是不可直接测量的物理变量。为了识别气蚀流对部件的不利影响,根据[3]、[4],需要有关内爆事件的四个参数,即频率、振幅(动力学的)、脉冲持续时间(运动学的)以及与壁之间的距离(几何学的)。然而,除非采用非常特殊的测试台,四个参数无法同时确定。因此,在本研究中使用了两种不同的测量方法,提供了四个独立变量,由此可以导出这四个参数。这些变量是:
声信号的数量和振幅(声学方法)
表面凹坑数量及其半径(材料方法)
 
在具有不同类型阀塞的控制阀(例如图15中的抛物线形阀芯)上进行了对气蚀事件的声学测量。在本项研究中,声学传感器直接连接到阀塞上,因此,假定所测量事件也涉及阀塞表面的损坏。
 
虽然最初不可能确定开始造成损害的声振幅阈值,绘制出事件的直方图以及对应每个入口压力的内爆能量图。要找出这一点必须应用材料方法。
 
因此,使用铜质阀塞在不同工况点上进行材料损伤分析。为了实现这一点,让阀塞在限定时间内于某个确定的工况点暴露于气蚀。随后,在显微镜下拍摄受损表面,并采用由达姆施塔特大学开发的特殊软件(PITCOUNT)进行分析。这样能对凹坑的数量及其半径进行统计。
 
根据声学与材料相关直方图的相关性,确定出会实际导致材料损坏的声能部分(所要求的阈值)。
 
 
4. 声学方法
 
由气蚀引起的信号具有特殊形状(参见图8,示波器上的信号)。不存在气蚀时,在声学测量中可观察到恒定振幅的高频噪声。当气蚀事件(内爆)发生时,会以相当缓慢的速度显现出更大的振幅。对在一定时间段记录下的振幅峰值进行信号分析统计,并将它们分配到各幅度等级(参见图8中PC上的直方图以及图10)。
预测控制阀气蚀损伤

8:声学测量方法中的信号处理

据认为,由气泡引起的内爆压力波近似于球面波。球面波的声能Es取决于施加于壁上的力幅值F和脉冲宽度τP:

预测控制阀气蚀损伤

通过校准测量可以确定测得的结构噪声与力之间的传输性能,从而能利用结构噪声信号计算出Es。脉冲宽度τP是根据与材料相关的测试结果的相关性来确定的。

预测控制阀气蚀损伤

预测控制阀气蚀损伤

 
图10:声学信号直方图(有或无73 N阈值)
5. 材料方法
 
材料分析一般分三步进行:
将试样暴露于不同的气蚀工况点
拍摄受损表面(图11)
分析照片(图12和13)
预测控制阀气蚀损伤
 
这种方法只对初始阶段进行研究,其好处是的测试时间相对较短。通过选择抗气蚀性相当低的材料,大大缩短了首次发生表面受损的时间。此外,相对较短的时间有助于获得更恒定的测试参数。阀塞是由较软的铜制成的,在图形分析过程中,可在未损坏、抛光的条件下提供均匀的图形。
 
采用该研究所开发的PITCOUNT软件对在显微镜下拍摄的图像进行分析(图12)。
 
凹坑统计法可直接记录气蚀引起的材料冲蚀。材料表面的变化、气蚀持续时间以及所用材料类型提供了一个表示冲蚀破坏性的定量单位。
 
分析结果包括了关于受检测图像中凹坑的数量、大小(半径)和分布密度的信息。例如,该信息可结合声学测量结果和对气蚀区的目视检查,用于创建损伤图,从而对由气蚀引起的材料冲蚀的破坏性作出描述。
预测控制阀气蚀损伤
预测控制阀气蚀损伤
 

 

6. 声学与材料测试结果的相关性
 
凭借材料测试计算内爆能量Es所采用的模型是基于Fortes-Patella所进行的研究[9]。冲蚀所造成的损伤完全是由塑性变形引起的。旋转对称的三维变形形状(凹坑),可以被描述为半径为R10%、深度为h的锥体。R10%对应于10%凹坑深度的等价半径,借此可将凹坑圆度纳入考虑范围。损伤与声信号之间关联的公式,是以第2节中提到的气泡内爆的压力波为损伤源的。压力波本身进行高斯贝尔曲线建模,其脉冲持续时间 τ_p⁄√π 包含来自第3.1节的脉冲宽度。
 
与材料变形有关的内爆能量可用方程(6)来确定。塑性能与变形量之比用参考半径Rref表示:
预测控制阀气蚀损伤
所发现的参数,如机械负载的脉冲宽度和阈值,与离心泵的参数完全不同。其结果是,气蚀变得对控制阀更为关键。
 
 
7. 结果
 
在滤除与部件损伤无关的声能量之后,分别绘制出距阀门1米处测得的外部噪声水平LpA以及损害相关声能与xF/xFz的函数关系曲线。
 
图15显示了通过改变阀门开度测得的不同载荷下的抛物线形阀塞的这些数据。虽然气蚀在控制阀周围引起85 - 95分贝的可听到的外部噪声峰值,但是对阀的损坏却是无法预期的。在比xFz高得多的压差比下,在阀上测到的损伤相关声能量也开始增加。在损伤相关的声能量增大点,可以确定开始发生损伤时的压差比xFid。此外,图9中绘制了总的声能量,以及因在不考虑阈值的情况下最大化阀门开度而在阀塞处造成的更高声能量(这会错误确地指示较早阶段的冲蚀风险)。
 
图16显示了所得值与表1值的对比(单级球阀的xFid=0.7)。抛物线形阀塞的限值匹配良好。
 
对于其它阀塞类型,预期会出现不同的比率,并通过一系列测量进行了验证。
预测控制阀气蚀损伤
预测控制阀气蚀损伤
通过计算所有阀塞的内爆持续时间,可以确定这些值与工况点之间明确的相关性。对于小的阀行程,预期信号持续时间较短,并且同样处于较高压降之下。这种影响被考虑在内,以确定最终的内爆图。随着阀流量系数的增大和随着xF值的减小,发现信号持续时间呈线性上升。
 
当然,这一程序也可以应用于其它公称尺寸和阀门类型。如同利用集成于阀塞中的结构声传感器进行的外部噪声水平测量一样,气蚀相关的声能量测量也能同样快速进行。在初始近似下,平均阈值、依赖于kV系数的脉冲宽度,以及根据现有试验得到的压差比xF可用于进一步的分析。
 
同时,还对很大的阀塞进行了材料试验,以获得可靠的结果。进一步的系列测试表明了xFid/xFz极限是否会改变或如何改变。
 
8. 展望
 
使用新的国际EN 60534-8-4标准,能可靠地预测控制阀处理液体流动产生的气蚀噪声。但尚无评估气蚀破坏性的标准化程序。确实存在ISA推荐程序,然而,对于初始气蚀损伤最为重要的参数σid(1/xFid)并无明确规定,目前仍只能通过复杂的试验来确定,以测定材料冲蚀率。得益于研究机构与工业界的合作,声学方法已被成功应用于控制阀,从而使xFid得以快速确定。
 

 

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