在气蚀和闪蒸场合下调节阀选用的研究

1、在气蚀和闪蒸场合下调节阀选用的研究作者：马玉山在一个完全不含有气体或蒸汽的液流中，经常会遇到两种现象，即气蚀和闪蒸（有些资料把气蚀称为空化）。这种现象对于任何调节阀的综合性讨论都有重要的意义。因为，这种现象的产生将影响到阀门大小的计算方法，可能引起噪音和振动，以及可能缩短调节阀零件和邻近的下游管线的使用寿命。虽然，气蚀和闪蒸的定义之间有相似之处，但也有重要的差别。 1 气蚀和闪蒸的定义及产生条件 气蚀是一种两阶段的现象，第一阶段是在液体中形成空腔（气泡）；第二阶段是这些空腔挤压破裂而恢复成为全部的液体状态。有些关于气蚀的定义仅仅限于空腔的形成，但是从调节阀的观点来看，这似乎是不实际的定义。因为

2、，气蚀的最大影响和大多数的气蚀现象都是与空腔的破裂有直接的关系，而不是空腔的形成。而闪蒸则是在气蚀的第一阶段形成的气泡（空腔）一直持续到通常发生破裂的下游，这个过程称为闪蒸。下面通过讨论孔板的工作情况来说明这一问题（可以把孔板模拟为一个有一定开度的调节阀）。如图1所示，当压力为P1的液体流经节流孔时，流速突然急剧增加，而静压力骤然下降，当孔后压力P2达到或者低于该液体所在情况下的饱和蒸汽压时，部分液体产生气化，形成气液两相共存的现象，在液体中产生空腔，这就是气蚀的第一个阶段。从离开缩流孔的下游开始，液体磨擦引起流体减速，其结果使流体截面和压力都增加，这种速度与压力头之间的能量反向转换称之为“压

3、力恢复”。由于在缩流处减少到蒸气压所形成的气泡在压力增加的下游不可能存在，就会挤压破裂而恢复形成液体状态。至此，气蚀过程完成。如果下游配管系统的压力正好相当于或小于入口的蒸汽压，继续流入下游流体的蒸汽百分比会不断增加，流体速度持续增长其结果将产生闪蒸而不是气蚀1。 那么在调节阀中发生气蚀和闪蒸的条件是什么?1.1 对于气蚀 （1）入口和出口的流体必须全都是液体，即在调节阀的配管上游和下游附近没有蒸气存在。（2）在入口，液体必须是一种过冷状态，显然在入口，如果这种流体全都是液体，而且又是饱和状态，发生在阀上的任何压力降都将引起在下游位置产生蒸汽。（3）阀门出口压力必须是液体蒸汽压。可以设想，如果

4、下游位置出现饱和，而且全都是液体状态，将可能存在气蚀。1.2 对于闪蒸 （1）入口流体必须全都是液体，而在阀门出口必定存在若干蒸汽。显然，如果在入口就有蒸汽，产生于阀门上的任何差压必将导致形成附加蒸汽。首先，要规定在阀门入口处没有蒸汽，因为，当入口流体含有蒸汽时，计算阀门大小的方法就非常复杂。（2）入口流体可以是饱和的或过冷状态。（3）阀门出口压力必须等于或低于液体的蒸汽压。2 气蚀和闪蒸的损害 气蚀损害点是发生在非常接近气泡破裂的地方。曾有研究者发现，在气泡破裂时压力高达689MPa。一种理论认为，从每个气泡破裂产生的冲击波会向四周发射，当这些冲击波发生于邻近的固体边界层时，就产生一种高度挤

5、压和连续不断的小撞击，任何一个确定的表面增量都会受到重复冲击趋向于疲劳，直至达到疲劳极限，使细小金属层脱落。气泡在离开固体表面有足够距离的地方破裂，可以认为不会产生物理损坏，因为，它们的能量被流动的流体吸收了。所以，在实际使用中，经常出现阀内件遭严重损害的现象，也就不足为奇了。气蚀损害具有煤渣似的粗糙外形的独特特点，这种损坏与大多数其他类型的流动损坏有明显的区别2。 闪蒸的影响主要是物理损坏，与气蚀的煤渣似粗糙外形相比，它有一个非常光滑的外形，这种外形常常比得上细的喷砂表面，这种损坏过程也非常类似喷砂过程。就蒸液体而言，蒸汽体积常常是大于液体体积，以至于使液滴趋向于达到蒸汽的速度。液滴冲击表面

6、如同固体颗粒冲击表面一样，虽然材料的损坏脱落程度不一样，但还是足以使材料损坏脱落。 就调节阀而言，不论是气蚀还是闪蒸都会造成以下几方面的损害。 2.1 材质的损坏前面叙及由于气泡破裂会产生极大的冲击力，足以严重地冲击损伤阀座、阀芯、阀体，尤其在高压差的情况下，就连极硬的阀芯、阀座也只能使用很短的时间。 2.2 振动 气蚀和闪蒸还带来阀芯的振动，这种振动包括垂直振动和水平振动，它们分别来自流体对阀芯的垂直撞击与水平撞击，其结果造成机械磨损和破坏，调节阀控制不可靠，阀杆折断。 2.3 噪声 噪声一般来自三个方面：阀芯振动造成的噪声；气蚀造成的噪声；高速气体造成的气体动力噪声。 3气蚀和闪蒸对液体C

7、V值的计算 在一般流动状态下，液体的计算公式是比较简单的，但如果出现气蚀和闪蒸的情况，计算就变得复杂起来。过去在设计时考虑这种影响后采用的方法：按不产生闪蒸情况计算之后，再按CV值表选用大一档的阀体部件；根据液体闪蒸的百分比，分别计算气体和液体两相的CV值后再相加；选用与工艺管道直径相同的阀体部件；用临近压差或闪蒸密度法。 过去采用的各种方法，都考虑到闪蒸后由于液体气化而产生的体积膨胀现象，但这只是从理论上考虑，却忽视了阀体部件结构中由于压力恢复所引起的阻塞问题，这样计算出来的CV值偏差较大，影响调节系统的质量。新的理论认为：流经阀体部件的流量和压差之间的关系如图2所示。 当压差较小，没有出现

8、液体气化时，流量和压差的平方根关系成正比。当缩流处的压力降低到液体饱和蒸汽压时，产生蒸汽气泡，流量和压差的平方根关系被破坏。压差越大，气化越严重，最终导致了阻塞流。从图2中看出，其关系曲线分成两部分：在开始阶段qv正比于（P）1/2，是正常流动，超过临界值后，就会出现阻塞流，这就是说，当PVc=PV时，阀内开始出现阻塞；当PVc比PC低到一定程度时才形成阻塞流，其关系为：FL=PT/（P1-FFPV）1/2（1）式中FL为压力恢复系数；Pr为产生阻塞流时阀上的压差，kPa；PV为液体的饱和蒸汽压力，kPa；FF为临界压力比。 产生阻塞流时，介质不同，其偏离PV的程度也不同。根据试验，FF值与饱

9、和蒸汽压力PV和临界压力PC的比值有关，其关系曲线如图3所示。 FF值可以根据各种介质的临界压力（表1）查取，也可由下式计算：FF=0.96-0.28（PV/PC）1/2（2）表1 临界压力PC值名称分子式PC102/kPaTC/K氩AR49.7150.8氯Cl277.9417氟F253.1144.3氯化氢HC183.9324.6氢H213.933.2水H2O221647.3氨NH2114405.6二氧化碳CO274.7304.2由1式和2式可知：PT=F2L（P1-FFPV）=F2LP1-（0.96-0.28（PV/PC）1/2）PV 利用上式可以判定阀内是否产生阻塞流，是否出现闪蒸或气蚀现

10、象。如果PPT时，则产生阻塞流；如果当P22PV时，则出现气蚀现象。阀体部件一旦出现闪蒸或气蚀，必然处在阻塞流工作状态。因此，要用临界压差P1计算CV值，计算公式为：CV=10qv/F2L（P1-FTPV）1/2（3）式中qv为液体状态下的体积流量；为液体状态下的密度。 例1：已知水流量qv=100m3，=0.97g/cm3，t1=80，P1=11.7102kPa，P2=5102kPa，PV=0.47102kPa，PC=221102kPa试选择阀体部件并计算CV值。 （1）第一方案： FT=0.96-0.28（PV/PC）1/2=0.95，所以，PT=F2L（P1-FTPV）=3.66102k

11、Pa.因为，PPT，P1PV，故有气蚀现象，流量系数计算为：CV=10qv/F2L（p1-FTPV1/2=51.5 （2）第二方案： 使用流开状态的直通双座阀，查表得FL=0.90；PT=F2L（P1-FTPV）=9.11102kPa。因为，PΔPT，故不会产生气蚀，也不会出现阻塞流。流量系数计算为：CV=10qv（/P）1/2=38 由此可见，调节阀的选用与介质流动状况有密切联系，调节阀选用合适，可以避免气蚀和闪蒸，避免不必要的浪费。 4 如何克服气蚀和闪蒸造成的损害 4.1 从压力上考虑 避免气蚀的根本方法是不让阀体部件的使用压差大于最大允许压差。最大允许压差用PT表示为：PT

12、=KC（P1-PV） （4）式中P1为阀前压力（kPa）；KC为气蚀系数，KC值因介质种类、阀芯形状、阀体结构和流向而不同，口径越大，KC越小，一般情况下，KC=0.250.65。 为了不使阀体部件在气蚀条件下工作，必须使PPT，可以串联两个以上的阀体部件，使压差分配在两个阀体部件上，使每个阀体部件的压差P都小于PT，这样就可以避免气蚀。 必须指出，当P2.5MPa时，即使产生气蚀现象，对材质的破坏也不严重，因此，不需要采用什么特殊措施。如果压差较高，就要设法避免和解决气蚀问题，如对角形阀采用侧进流体，阀芯寿命就比底进流体时长，因为避免了密封面的直接破坏。另外，在阀前阀后安装限流孔也可以吸收一

13、些压降。 4.2 从材质上考虑 一般情况下，材料越硬，抗蚀能力越强，但至今仍没有找到长时间抵抗严重气蚀作用而不受损害的材料。因此，在有气蚀作用的情况下，应该考虑到阀芯、阀座易于更换。目前，制造阀芯、阀座的材料从抗气蚀的角度出发，国内外使用最广泛的是司钛莱合金、硬化工具钢和钴钨合金钢，特殊的表面要进行硬化处理。当用司钛莱合金时，可在这些不锈钢基体上进行堆焊和喷焊，以形成硬化表面。按不同的使用条件，硬化表面可局限于阀座、阀芯和阀座的封线处，也可以在整个表面或阀芯导向处（图4）。 4.3 从结构上考虑 可设计特殊结构的阀芯、阀座，以避免气蚀的破坏作用。其基本原理是使高速流体通过阀芯、阀座时，每一点都高于在该温度下的饱和蒸汽压，或者使液体本身相互碰撞，在流路间导致高速紊流，使阀体部件中液体的动能由于磨擦而变为热能，因此，减少气泡的形成率。 （1）采用逐级降压原理，把阀体部件总的压差分成几个小压差，逐级降压，每一级都不超过临界压差，如图5所示。 （2）利用液流的多孔节流原理，减少气蚀的发生。这类阀体部件的特点是在阀体部件的套筒壁上或阀芯上开有许多特殊形状