调节阀振动原因分析及防范措施

1、概述

　　调节阀是流体机械(包括电力机械、化工机械、流体动力机械等)中控制通流能力的关键部件,其性能和安全性与整个装置的工作性能、效率和可靠性密切相关。在炼油、石油化工和发电等工业生产过程中,经常出现调节阀的振动、噪声与阀杆转动现象,甚至由于振动导致阀杆断裂等事故也时有发生,严重影响设备的安全和寿命以及操作人员的身心健康。克服调节阀振动与噪声,延长其使用寿命已经引起许多设计制造部门和研究单位的高度关注。

2、原因分析

　　调节阀的振动与噪声根据其诱发因素不同,根据真空技术网的文章,大致可将其分为机械振动、气蚀振动和流体动力学振动等原因。

2.1、机械振动

　　机械振动根据其表现形式可以分为两种状态。一种状态是调节阀的整体振动,即整个调节阀在管道或基座上频繁颤动,其原因是由于管道或基座剧烈振动,引起整个调节阀振动。此外还与频率有关,即当外部的频率与系统的固有频率相等或接近时受迫振动的能量达到最大值、产生共振。另一种状态是调节阀阀瓣的振动,其原因主要是由于介质流速的急剧增加,使调节阀前后差压急剧变化,引起整个调节阀产生严重振荡。

2.2、气蚀振动

　　气蚀振动大多发生在液态介质的调节阀内。气蚀产生的根本原因在于调节阀内流体缩流加速和静压下降引起液体汽化。调节阀开度越小,其前后的压差越大,流体加速并产生气蚀的可能性就越大,与之对应的阻塞流压降也就越小。

2.3、流体动力学振动

　　介质在阀内的节流过程也是其受摩擦、受阻力和扰动的过程。湍流体通过不良绕流体的调节阀时形成旋涡,旋涡会随着流体的继续流动的尾流而脱落。这种旋涡脱落频率的形成及影响因素十分复杂,并有很大的随机性,定量计算十分困难,而客观却存在一个主导脱落频率。当这一主导脱落频率(亦包括高次谐波)在与调节阀及其附属装置的结构频率接近或一致时,发生了共振,调节阀就产生了振动,并伴随着噪声。振动的强弱随主导脱落频率的强弱和高次谐波波动方向一致性的程度而定。

3、防范措施

　　从调节阀的使用和理论分析可以证明,诱发调节阀振动和噪声的因素有很多,这些因素又相互影响,很多都是同时发生的,这就使调节阀的减震降噪更加困难,需要结合阀门材质、结构和流体动力学等方面综合考虑。

3.1、预防机械振动

　　(1)调节阀安装位置应远离振动源,如不可避免,应采取预防措施。

　　(2)正确选择零部件。如果阀瓣快速的忽高忽低的变化,阀门定位器灵敏度又太高,调节器输出微小的变化或飘移,就会立即转换成定位器输出信号很大,致使阀振荡。调节阀的摩擦力太小,外界输入信号有微小的变化或飘移,会立即传递给阀瓣,使其振动。相反,如调节阀的摩擦力太大,则在小信号时动作不了,信号大时一经动作又产生过大的现象,会使调节阀产生迟滞性振荡。遇到这种情况,应当减小调节阀相应部分的阻尼来解决,如更换填料等。

　　(3)合理设计阀门结构。为避免阀杆相对于导向套筒表面的侧向运动,在高频振动下产生疲劳断裂,提高阀门的抗振能力,可将容易承受紊流形式的柱塞节流结构变为节流罩节流结构,将悬壁梁顶尖导向方式改成节流罩导向方式,或采取缩小导向间隙、选用刚性导向和柱塞头及加大阀杆直径等方法。

3.2、预防气蚀振动

　　(1)避免小开度工作。调节阀开度太小,致使节流口处流速增大,压力迅速减小,流体流经阀门很容易形成闪蒸和气蚀。所以应避免调节阀长时间在小开度下工作,同时应尽量减小调节阀前后压差。

　　(2)合理的开车工艺。生产现场的开车工艺对调节阀的使用情况至关重要,对于工作压力较高而前后压差较低的调节阀更是如此。这是因为调节阀是根据设计压差进行选型的,是能保证在设计条件下的正常安全使用。但是生产现场的开车工艺大多都是阀门关闭的情况下,上游管道开始建压,当阀前压力达到设计要求时阀门开启,而此时阀后压力仍然很小,这就使阀门处在很小的开度、很高的压差下的工作状态,会产生严重的振荡和气蚀,影响阀门的使用寿命,更有可能损坏阀门。所以现场开车时,应尽量使前后压力同时建立到设计条件后,快速开启阀门,保证阀门在设计条件下工作。

　　(3)多级分配压降。调节阀前后压差不应太大,应合理的选择阀门的结构形式及合理的进行压差分配,如果条件允许可以采用多级减压,避免气蚀的发生。

　　(4)改进结构。若工况系统不宜于多级减压结构,也可采用节流套筒的结构,但是套筒的结构和尺寸选择也要根据实际情况(如介质中是否含有固体颗粒)合理选择。

3.3、预防流体动力学振动

　　(1)保证执行机构的输出力。当流体通过调节阀时,阀瓣在静压和动压的作用下产生切向力和轴向力。切向力使阀瓣转动,轴向力使阀瓣压缩或拉伸。所谓调节阀的不平衡力就是指对直行程的阀瓣所受到的轴向合力。不平衡力直接影响调节阀的行程位置与执行机构信号压力之间的关系。因此,执行机构的输出力应足以克服不平衡力,以保证调节质量。

　　(2)改变流动状态。为了防止高速汽流进入阀体后发生高速旋流,可在调节阀的阀体腔内加焊一块挡汽板。

　　(3)避免产生共振。为克服流体诱发调节阀振动,应降低流体旋涡主导脱落频率的形成概率和湍流体波动压力场中各波动分量在方向、频率等一致的概率。

4、结语

　　调节阀的结构较为复杂,其内部不稳定流动是典型的非定常复杂内流问题。调节阀的振动和噪声是受很多因素共同作用而产生的,应充分考虑机械振动、气蚀振动和流体动力学振动给调节阀带来的影响。可以采取合理设计阀门材质和结构、减小阀门前后压差、多级减压结构和避免阀门在小开度下工作等减振降噪的常用方法。另外调节阀的选型也应留有足够的安全裕量,以便实际工作状态改变后有足够强的工况适应性。