コントロールバルブがパイプラインを砂利が流れているような音を立てたとき、メンテナンスチームは流体力学に深刻な問題があることを知ります。しかし、騒音や振動の正確な原因を診断することは、修理プロセスの中で最も難しい部分であることがよくあります。キャビテーションとフラッシングという2つの異なる現象は、開始条件がほぼ同じであるにもかかわらず、全く異なるエンジニアリングによる解決策を必要とします。.
どちらの状態も、液体がバルブの制限を通過して加速される際に、液体の圧力が蒸気圧以下に低下したときに発生する。この圧力低下により、液体は瞬時に沸騰し、液体と蒸気の混合気泡が発生します。決定的な違いは、バルブを通過して下流の配管に入った後の液体の圧力に何が起こるかにあります。.
キャビテーションをフラッシングと誤診すること、またはその逆は、高価なサイジングエラーとバルブの早期故障につながります。明確な物理的損傷パターン、圧力回復係数の役割、特定のアプリケーションのニュアンスを理解することで、エンジニアは正しいトリム材料を指定し、致命的なシステムのダウンタイムを防ぐことができます。.
共有される起源大静脈の圧力低下
キャビテーションとフラッシングの違いを理解するには、まずバルブボディ内部の流体力学に注目する必要があります。液体が弁体と弁座に近づくと、流路面積は著しく狭くなります。この流れの中で最も狭い点は、大静脈として知られています。ベルヌーイの原理によると、大静脈で流体速度が増加すると、静圧もそれに比例して減少しなければなりません。.
大静脈の静圧が液体の蒸気圧を下回ると、液体は物理的に液体でいられなくなる。瞬時に沸騰が始まり、何千もの微細な蒸気泡が発生する。この沸騰は、熱を加えることなく、激しい圧力低下のみによって起こる。キャビテーションもフラッシングも、まさにこのように始まる。発散は大静脈の下流で起こる。.
コントロールバルブのキャビテーションとは？
制御弁のキャビテーションは2段階の現象である。まず、大静脈収縮部で蒸気泡が形成されます。次に、流体が制限を出て減速すると、圧力が蒸気圧以上に回復します。回復した圧力が蒸気圧を上回ると、蒸気泡はもはや存在できなくなる。気泡はほんの数ミリ秒で内側に崩壊する。.
気泡の崩壊は非常に激しい。爆縮によってマイクロジェット状の液体が発生し、超音速で周囲の金属表面に衝突する。一つの気泡の崩壊によって発生する局所的な圧力は、3,000 psiを超えることがあります。何百万もの気泡がバルブトリムに連続的に衝突すると、気泡は疲労して金属の微細な破片を引き裂きます。.
キャビテーションによる損傷は非常に特徴的である。それは金属表面の粗い、燃えかすのような孔食として現れ、しばしば金属が強酸によって食いちぎられたように、あるいは粗い砂でブラストされたように見える。この損傷は通常、着座面とその下流の配管付近に集中する。深刻なキャビテーションはまた、しばしば85dBAを超える極端な騒音レベルを発生させ、これはまさに砂利がパイプを流れるような音である。.
コントロールバルブのフラッシングとは？
フラッシングは一段階の現象である。キャビテーションと同様に、圧力が蒸気圧以下に低下すると、大静脈で蒸気泡が形成される。しかし、フラッシングアプリケーションでは、下流の圧力が蒸気圧以上に回復することはありません。流体はバルブから出るとき、液体と蒸気の高速混合物のままです。.
下流の圧力が低いままなので、蒸気泡が崩壊することはない。そのため、フラッシングはキャビテーションに伴う爆縮衝撃波を引き起こしません。その代わり、高速二相流はサンドブラスターのように作用し、運動エネルギーによってバルブ内部を侵食します。.
フラッシングによる物理的ダメージは、キャビテーションとはまったく異なる。フラッシングによる浸食では、金属表面は滑らかで光沢があり、磨き上げられた状態になる。通常、損傷はより広い範囲に広がり、バルブ本体の下流側全体と隣接する配管に影響を及ぼします。フラッシングは、特に高圧 石油・ガスソリューション 高温の液体がセパレーターで大気圧まで減圧される。.
現象を予測する：シグマ指数と圧力回復
エンジニアは、バルブにキャビテーションやフラッシングが発生するかどうかを予測するために、標準化された計算に頼っています。一般的にシグマ（σ）と呼ばれるキャビテーションインデックスは、この予測のための最も信頼性の高い数学的ツールです。これは、バルブ全体の圧力損失に対する利用可能な圧力損失の比率として計算されます。.
シグマ値が1.0を下回ると、下流側の圧力が蒸気圧を下回るため、フラッシングが発生します。1.0から1.5の間の値は、深刻で有害なキャビテーションを示します。1.5～2.0の値は、騒音レベルの上昇を伴う初期のキャビテーションを示唆しますが、シグマ値が2.0を超える場合は、一般的に標準的なバルブ設計では安全と考えられます。.
もう一つの重要な指標は、FLと表記される液圧回復係数である。この係数は、バルブの内部形状と大静脈収縮後の圧力回復傾向を測定します。FLが低いバルブはキャビテーションが発生しやすく、これはかなりの圧力を回復し、流体を蒸気圧以上に戻すからです。例えば 汎用グローブ調節弁 一般的に、バタフライバルブの FL は約 0.9 と高く、キャビテーションに非常に強い。逆に、標準的なバタフライバルブのFLは0.6に近く、かなりの圧力を回復し、キャビテーションによる損傷を非常に受けやすい。.
フィールド診断チェックリスト音、振動、損傷
メンテナンスチームは、バルブをパイプラインから取り外すことなく、キャビ テーションとフラッシングを区別できることが多い。重要な指標は、音、振動、損傷の場所です。.
音：ひどいキャビテーションは、砂利や石がパイプの中を流れるような音がする。音は大きく、ガラガラで、非常に不規則である。フラッシングは、高速の蒸気漏れに似た、連続的で甲高いヒューヒューという音や、突進するジェット噴流のような音に近い。.
振動：キャビテーションは強烈な高周波振動を発生させるため、フランジボルトを緩め、フランジを破壊する可能性がある。 デジタル電空バルブポジショナー. .フラッシングは、衝撃波が発生しないため、振動の発生がはるかに少ない。.
損傷外観：バルブを取り外して検査する場合、損傷パターンが決定的な診断ツールとなる。ざらざらした噴石のような孔はキャビテーションを示す。表面が滑らかで、研磨され、掃き出されている場合は、フラッシングを示す。.
エンジニアリング・ソリューションアンチキャビテーション・トリムの使用時期
キャビテーションとフラッシングの解決策は根本的に異なる。圧力損失プロファイルを変更することでキャビテーションを防ぐことはできますが、システムが低い下流圧力を必要とする場合、フラッシングを防ぐことはできません。.
キャビテーションに対する最も効果的な機械的ソリューションは、アンチキャビテーションバルブトリムの使用です。この特殊なトリムは、流体を一連の曲がりくねった経路に強制的に通し、大規模な圧力降下を小さく扱いやすい段階に分割します。各段階の圧力が蒸気圧を上回るようにすることで、トリムは気泡の発生を物理的に防止します。.
しかし、エンジニアは、アンチキャビテーショントリムを使用しない場合を知っておく必要があります。汚れた流体用途や粒子数の多いシステムでは、多段トリムの小さなドリル穴がすぐに詰まってしまい、バルブが作動不能になります。このような場合、エンジニアは、シグマ指数が 1.7 を下回る場合に必要となるステライト 6 などの非常に硬い合金に頼らなければなりません。.
フラッシングの場合、アンチキャビテーショントリムはまったく効果がありません。下流の圧力は低いままでなければならないため、流体は常にフラッシングします。唯一の解決策は、高い流速を管理することです。エンジニアは、アングルスタイルのバルブボディを指定し、フラッシングする流体がバルブ壁に衝突するのを防ぎ、配管内にまっすぐ流下するようにします。浸食性の二相流に耐えるためには、硬化したトリム材料と特大の下流配管も不可欠です。このような特殊な設計は 電力およびエネルギー・アプリケーション ボイラーのブローダウンの処理。.
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配管システムで砂利のような騒音や激しい振動が発生している場合、高度なキャビテーションが発生している可能性があります。当社の基盤技術について詳しくは、以下のガイドをご覧ください。 コントロールバルブとは. .セーフティ・クリティカルなアプリケーションについては ESDバルブ選択ガイド.
包括的なシステム分析およびカスタムトリムのサイジングについては、以下をご覧ください。 コンタクト ページからカーターのアプリケーション・エンジニアにお問い合わせください。.