泵出口的阀门不止一个,止回阀防止倒流,出口调节阀控制油体的流量,切断阀负责隔离。它们都装在泵出口这段管路上,也都处在泵的压力脉动、管路振动和阀内高速流动叠加的位置。而导热油又抬高了这段管路的风险,原因在导热油这种介质的三个特点:温度高、黏度低、容易结焦。
一、泵出口的阀,本来就在不稳定区工作
阀门靠改变流通面积调节流量,泵出口的调节阀多数时间不在全开的位置,而是在中间的某个开度上进行节流。节流意味着阀内会出现缩流断面,让流速升高,使得压差集中在很小的区域里。流体在这里脱流、形成涡带,作用在阀芯上的力并不恒定,而是随着涡的变化来回摆动。
阀芯能不能稳住,取决于回复力和阻尼谁更大。弹簧、执行机构、介质压力提供回复力,流体本身的黏性提供阻尼。阻尼不足时,扰动不会衰减,反而会被阀芯自身的运动放大,变成持续的颤振。这是泵出口阀门的真实运行状态。
二、导热油把不稳定性给放大了
第一个放大因素是黏度:导热油在高温下的黏度很低,接近水甚至可能更稀,流体能提供的阻尼非常有限。同样一个扰动,在水里可能几下就衰减掉,在高温导热油里能持续更久。阀芯一旦开始摆动,可能会没有足够的阻尼将它拉回来。
第二个是温度带来的间隙变化:阀杆和导向套在常温下配合紧密,升温之后各自膨胀,间隙可能变小而导致卡涩,也可能因为材料和温度分布的不同而变大。间隙一大,阀芯就有了横向活动的余地,致使导向失去作用,颤振也更容易发生。密封材料同样受到温度的限制,聚四氟乙烯这一类在高温下不能用,只能换成石墨或者金属材质的密封,摩擦和刚度也要单独考虑。
第三个是结焦:导热油超过规定温度,或者在流速过低的部位停留,很容易结焦,阀芯、阀座、导向面都是容易积碳的地方。结焦之后阀芯动作就会发涩,执行机构需要加大推力才能推得动,一旦推动又容易推过头,变成一跳一跳的动作,这种颤和流体引起的颤机理不同,但结果类似:都是密封面被反复撞击。
还有排气的问题:导热油系统升温时,油中溶解的气体会析出,新装或检修后的系统尤其明显。气液两相流经过阀门,阀芯受力会忽大忽小,振动会比单纯液相时剧烈得多。这也是导热油系统要按规程分段升温排气、不能直接把温度拉满的原因之一。
泄漏的后果要提醒一下:导热油的闪点远低于它的工作温度,泄漏出来的高温油遇到保温层、法兰或者其它的热表面,有着火风险。泵出口这段又是压力高、温度高的区间。这里的阀门失效,代价不只是停机和换件,更有可能引发安全事故。
三、止回阀:低流量时的状态
阀瓣为什么会来回动
止回阀靠流体推力打开,靠弹簧或者自重关闭。流量大到一定的程度,推力就足以把阀瓣稳定地压在开启位置;但在流量小的时候,推力就只够把阀瓣推开一点点,阀瓣在开启和关闭之间找不到稳定的停留点,就会反复的起落。泵出口在启动、切换、低负荷运行时,恰好都处在这个低流量的区间。
反复起落带来的是撞击。阀瓣和阀座的每次闭合都是一次冲击,密封面会很快出现压痕和剥落,噪音明显,管路压力也会跟着波动。多台泵并联时问题会更加突出,一台泵停下,止回阀要承受反向压差,关闭不及时就会产生倒流,严重时可能形成油锤,冲击会沿管路传到泵和换热器上。
防颤靠什么结构
最常见的做法是缩短阀瓣的行程:行程越短,阀瓣从全开到关闭走过的距离就越小,加速和撞击的能量也会越小。轴流式止回阀就是按这个思路设计的,阀瓣沿轴向移动,行程很短,靠弹簧可以快速复位。
另一种是加阻尼。缓闭式止回阀带阻尼缸或者节流孔,关闭过程分成快关和缓闭两段,前半段快速切断大部分的回流,后半段放慢速度,把冲击压下去。双板式和斜盘式则是用弹簧配合较轻的阀瓣,提高响应的速度,减少阀瓣停留在中间位置的时间。
选型时除了口径和压力等级,还要看最小稳定流量和关闭的时间:前者决定阀门最低能在什么流量下还保持稳定开启,后者决定关闭时的冲击力会有多大。这两个参数比通径更能说明一只止回阀适不适合装在泵的出口处。
四、出口处的调节阀:小开度大压差下的另一类颤振
调节阀的颤振和止回阀机理不同:止回阀是阀瓣找不到平衡点,调节阀是阀芯在流体力作用下偏离了设定的位置,又被执行机构给拉了回来,来回修正。
泵出口的调节阀长期在小开度工作时,压差几乎全部落在阀芯和阀座之间,不平衡力会很大。单座阀的阀芯承受的这个力会直接传递给执行机构,当执行机构刚度不够时,阀芯位置就会跟着压力的脉动走。流量越小、压差越大,这个问题也就越明显。
结构上的对策有几个方向:
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一是把不平衡力给平衡掉,用带平衡孔和平衡密封的阀芯,让阀芯的上下压力接近,执行机构只需要克服摩擦和弹簧力。
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二是把压差分散,用笼式阀芯或者多级降压结构,让每一级的压降小一些,缩流断面的流速降下来,脱流和汽蚀随之减轻。
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三是加长导向,让阀芯在整个行程里都有足够的支撑,减少横向的摆动。阀杆与阀芯的连接也要有足够的刚性,细长的悬臂结构在脉动流里最容易摆动。
运行上还有一点:别让调节阀长期在小开度工作,选型时选择一台合适的阀门,让正常工况落在中间开度,比出现问题再调整所需要的配件要轻松很多。
五、几条共通的思路
从结构上看,防颤的思路无非三个方向:增加阻尼,减少不平衡力,避开共振。增加阻尼靠弹簧、阻尼缸、导向和适当的摩擦;减少不平衡力靠多级降压、分流、避免汽蚀和脱流;避开共振则是让阀门的固有频率远离泵的叶片通过频率和管路脉动频率。
还有一点容易被忽略:有些现场的“颤”不是流体引起的,而是定位器执行过度或者气源压力不稳。判断时先看振动频率和泵的转频、叶片通过频率有没有对应关系,再看执行机构。频率对不上,问题多半在控制回路里,光靠换阀门解决不了颤动的问题。
六、米勒阀门的做法
导热油工况上,米勒一般会先问清楚泵的流量范围、正常运行时阀门的开度区间、系统最高温度和升温的方式,再决定用哪种结构。泵出口的止回阀优先选短行程加弹簧复位的方案,调节阀则倾向平衡型阀芯配笼式节流,避免小开度和大压差。
安装上也会给出相应方案:阀门离泵出口和弯头留出直管段,别紧贴着泵安装,管路的状态没理顺,再好的结构也发挥不出它的作用。
防颤结构能做到的,是让阀门的执行机构在不稳定的流场里能够稳住自己的位置,而流场本身的不稳定,还得靠选型和合理的运行方式去规避。





