Was verursacht Kavitation in Regelventilen?

Kavitation in Regelventilen ist ein häufiges Problem bei Flüssigkeiten, insbesondere wenn ein Ventil mit einem hohen Druckabfall betrieben wird. Sie kann übermäßige Geräusche, Vibrationen, Schäden am Ventilgestänge und instabile Ventilperformance verursachen.

Kavitation tritt auf, wenn der Druck einer Flüssigkeit beim Durchströmen eines Regelventils ausreichend niedrig wird, was zur Bildung von Dampfblasen führt. Wenn sich der Druck anschließend erholt, können diese Blasen heftig kollabieren und benachbarte Ventiloberflächen beschädigen.

Das Verständnis der Ursachen von Kavitation ist wichtig bei der Auswahl und Dimensionierung von Regelventilen für anspruchsvolle Prozessanwendungen.

1. Was ist Kavitation in Regelventilen?

Kavitation tritt auf, wenn der lokale Druck einer Flüssigkeit auf ihren Dampfdruck fällt oder darunter sinkt, wenn die Flüssigkeit eine Verengung durchströmt.

Innerhalb eines Regelventils treten die höchste Strömungsgeschwindigkeit und der niedrigste lokale Druck im Allgemeinen im Bereich der Vena contracta auf. Wenn der Druck an dieser Stelle niedrig genug wird, können sich Dampfblasen bilden.

Wenn die Flüssigkeit stromabwärts fließt, nimmt ihre Geschwindigkeit ab und der Druck beginnt sich zu erholen. Wenn der Druck über den Dampfdruck der Flüssigkeit steigt, kollabieren die Dampfblasen.

Diese wiederholte Bildung und Kollabieren von Dampfblasen ist es, was Kavitation erzeugt.

Kavitation tritt nur bei Flüssigkeiten auf. Gase und Dämpfe durchlaufen dieses Phänomen der Flüssigkeitskavitation nicht.

2. Was verursacht Kavitation in einem Regelventil?

Mehrere Prozess- und Ventilbedingungen können zu Kavitation beitragen.

Hoher Druckabfall

Ein großer Druckabfall über das Ventil erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass der lokale Druck an der Vena contracta unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt.

Dies ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Beurteilung von Kavitation.

Anwendungen mit:

• Hoher Einlassdruck
• Niedriger Auslassdruck
• Große Druckdifferenz
• Hohe Strömungsgeschwindigkeit

können besondere Aufmerksamkeit bei der Ventilbemessung und -auswahl erfordern.

Niedriger Auslassdruck

Der Druck stromabwärts des Ventils beeinflusst die Druckrückgewinnung.

Wenn die Prozessbedingungen eine signifikante Druckreduzierung durch das Ventil verursachen, kann der lokale Druck den Dampfdruck der Flüssigkeit erreichen.

Hohe Flüssigkeitstemperatur

Der Dampfdruck hängt stark von der Flüssigkeitstemperatur ab.

Mit zunehmender Flüssigkeitstemperatur steigt im Allgemeinen ihr Dampfdruck. Das bedeutet, dass eine Flüssigkeit bei höheren Temperaturen anfälliger für Dampfbildung werden kann.

Hohe Strömungsgeschwindigkeit

Hohe Geschwindigkeit durch das Ventil erhöht die Druckreduzierung, die mit der Verengung verbunden ist.

Ventilgeometrie, Gestängedesign und Strömungsfläche beeinflussen alle die resultierende Geschwindigkeit und das Druckprofil.

3. Warum ist Kavitation schädlich?

Unkontrollierte Kavitation kann mehrere Probleme verursachen.

Geräusch

Das schnelle Kollabieren von Dampfblasen kann erhebliche Geräusche erzeugen. Das Geräusch kann wie Kieselsteine oder Partikel klingen, die durch das Ventil strömen.

Vibration

Wiederholte Blasenbildung und Kollabieren können Vibrationen im Ventil und in den angeschlossenen Rohrleitungen verursachen.

Starke Vibrationen können Ventilkomponenten, Aktuatormontagen und Instrumentierung beeinträchtigen.

Schäden am Gestänge

Kavitationsschäden erscheinen üblicherweise als Lochfraß und raue Oberflächen am Ventilgestänge oder an anderen Komponenten, die dem Blasen kollabieren ausgesetzt sind.

Wenn die Kavitation stark ist, können sich die Schäden über das Ventil hinaus in die nachgeschalteten Rohrleitungen erstrecken.

Reduzierte Regelperformance

Starke Kavitation kann die stabile Durchflussregelung beeinträchtigen und die Lebensdauer des Ventils verkürzen.

4. Wie prüft man auf Kavitationsrisiko

Kavitation sollte während des Bemessungsprozesses des Regelventils bewertet werden.

Wichtige Prozessinformationen umfassen:

• Flüssigkeitstyp
• Durchflussrate
• Einlassdruck
• Auslassdruck
• Betriebstemperatur
• Dampfdruck
• Flüssigkeitsdichte
• Ventilgröße
• Ventiltyp
• Erforderlicher Druckabfall

Regelventilbemessungsmethoden verwenden Druckrückgewinnung und verwandte Flüssigkeitsparameter, um das Potenzial für Kavitation und Drosselströmung zu bewerten.

Ein einfacher Vergleich des Einlass- und Auslassdrucks ist nicht immer ausreichend, da der Druck an der Vena contracta erheblich niedriger sein kann als der Auslassdruck.

5. Wie kann Kavitation in Regelventilen reduziert werden?

Die Lösung hängt von der Schwere und den Betriebsbedingungen ab.

Druckabfall pro Stufe reduzieren

Anstatt den gesamten Druckabfall in einer starken Verengung auftreten zu lassen, kann ein spezielles Ventilgestänge die Druckreduzierung über mehrere Stufen verteilen.

Dies reduziert den lokalen Druckabfall und hilft, die Dampfbildung zu kontrollieren.

Anti-Kavitations-Gestänge verwenden

Spezielle Anti-Kavitations-Gestänge können den Druck- und Geschwindigkeitsprofil im Ventil steuern.

Zum Beispiel verwendet das Fisher Cavitrol III Gestänge mehrere Strömungsverengungen, um den Druckabfall zu stufen und die schädlichen Auswirkungen der Kavitation zu reduzieren.

Für anspruchsvollere Anwendungen sind spezielle Ventile wie das Fisher CAV4 für Kavitationsdienste mit hohem Druckabfall ausgelegt.

Ventilbemessung überprüfen

Ein falsch bemessenes Ventil kann unter Bedingungen betrieben werden, die Geschwindigkeit und Druckabfall erhöhen.

Das Ventil sollte entsprechend den tatsächlichen minimalen, normalen und maximalen Prozessbedingungen bemessen werden und nicht einfach nur dem Rohrdurchmesser entsprechen.

Ventilgeometrie berücksichtigen

Ventilkörper- und Gestängegeometrie beeinflussen die Druckrückgewinnung.

Ventildesigns mit hoher Rückgewinnung können unter bestimmten Bedingungen anfälliger für Kavitation sein, da der Druck an der Vena contracta erheblich fallen kann.

6. Kavitation vs. Drosselströmung

Kavitation und Drosselströmung sind verwandt, aber nicht genau dasselbe.

Drosselströmung von Flüssigkeiten tritt auf, wenn eine Erhöhung des Druckabfalls keine entsprechende Erhöhung der Durchflussrate mehr bewirkt.

Kavitation kann als Teil dieser Bedingung der Drosselströmung auftreten, wenn der lokale Flüssigkeitsdruck auf den Dampfdruck fällt und Dampfblasen entstehen.

Daher erfordert ein Ventil, das nahe einer Drosselströmungsbedingung betrieben wird, eine sorgfältige Bewertung des Kavitationsrisikos.

7. Häufige Anwendungen, bei denen Kavitation auftreten kann

Kavitation wird wahrscheinlich in Anwendungen mit hohen Druckabfällen zu einem Problem, einschließlich:

• Kesselspeisewasser
• Pumpenauslassregelung
• Hochdruck-Flüssigkeitsentspannung
• Öl- und Gasverarbeitung
• Petrochemische Anlagen
• Chemische Verarbeitung
• Energieerzeugung
• Hochdruck-Wassersysteme

Regelventile für schwere Beanspruchung werden häufig in Anwendungen mit hohem Druckabfall, Kavitation, Erosion, Vibration und anderen anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt.

8. Welche Informationen sollten für die Ventil auswahl bereitgestellt werden?

Wenn Kavitation vermutet wird, geben Sie die folgenden Informationen an, wenn Sie ein Angebot für ein Regelventil anfordern:

• Flüssigkeits-/Flüssigkeitstyp
• Minimale, normale und maximale Durchflussmenge
• Einlassdruck
• Auslassdruck
• Betriebstemperatur
• Dampfdruck
• Spezifisches Gewicht oder Dichte
• Rohrgröße
• Ventilgröße
• Erforderlicher Regelbereich
• Vorhandenes Ventilmodell, falls zutreffend

Diese Informationen ermöglichen es dem Lieferanten oder Ventiltechniker, das Druckprofil zu bewerten und festzustellen, ob ein Standardgestänge oder eine Anti-Kavitationslösung erforderlich ist.

Schlussfolgerung

Kavitation in Regelventilen ist hauptsächlich verbunden mit Flüssigkeitsbetrieb, hohem Druckabfall und niedrigem lokalem Druck.

Der grundlegende Prozess ist:

Hohe Strömungsgeschwindigkeit → Niedriger Druck an der Vena contracta → Dampfblasen bilden sich → Druck erholt sich → Blasen kollabieren → Geräusch, Vibration und Schäden

Die Verhinderung starker Kavitation beginnt mit der richtigen Ventilbemessung und Prozessbewertung. Abhängig von der Anwendung können Lösungen eine gestufte Druckreduzierung, spezielle Anti-Kavitations-Gestänge, geeignete Ventilgeometrie und geeignete Materialien umfassen.

Wir liefern industrielle Regelventile und Ventilpositionierer für anspruchsvolle Prozessanwendungen, einschließlich Lösungen von Fisher, Samson, Masoneilan, Flowserve, Koso und anderen Herstellern.

Wenn Sie mit Ventilgeräuschen, Vibrationen oder wiederholten Schäden am Gestänge zu kämpfen haben, geben Sie das Ventilmodell und die Prozessbedingungen für eine Konfigurationsüberprüfung an.