1、在氣蝕和閃蒸場合下調節閥選用的研究在一個完全不含有氣體或蒸汽的液流中，經常會遇到兩種現象，即氣蝕和閃蒸(有些資料把氣蝕稱 為空化)。這種現象對于任何調節閥的綜合性討論都有重要的意義。因為，這種現象的產生將影響 到閥門大小的計算方法，可能引起噪音和振動，以及可能縮短調節閥零件和鄰近的下游管線的使用 壽命。雖然，氣蝕和閃蒸的定義之間有相似之處，但也有重要的差別。1氣蝕和閃蒸的定義及產生條件氣蝕是一種兩階段的現象，第一階段是在液體中形成空腔(氣泡)；第二階段是這些空腔擠壓破裂 而恢復成為全部的液體狀態。有些關于氣蝕的定義僅僅限于空腔的形成，但是從調節閥的觀點來 看，這似乎是不實際的定義。因為，氣蝕的

2、最大影響和大多數的氣蝕現象都是與空腔的破裂有直接 的關系，而不是空腔的形成。而閃蒸則是在氣蝕的第一階段形成的氣泡(空腔)一直持續到通常發生破裂的下游，這個過程稱為 閃蒸。下面通過討論孔板的工作情況來說明這一問題(可以把孔板模擬為一個有一定開度的調節 閥)。如圖1所示，當壓力為 P1的液體流經節流孔時，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降，當 孔后壓力P2達到或者低于該液體所在情況下的飽和蒸汽壓時，部分液體產生氣化，形成氣液兩相共 存的現象，在液體中產生空腔，這就是氣蝕的第一個階段。從離開縮流孔的下游開始，液體磨擦引 起流體減速，其結果使流體截面和壓力都增加，這種速度與壓力頭之間的能量反向轉換稱之

3、為壓力恢復”。由于在縮流處減少到蒸氣壓所形成的氣泡在壓力增加的下游不可能存在，就會擠壓破裂而恢 復形成液體狀態。至此，氣蝕過程完成。如果下游配管系統的壓力正好相當于或小于入口的蒸汽 壓，繼續流入下游流體的蒸汽百分比會不斷增加，流體速度持續增長其結果將產生閃蒸而不是氣蝕1。圖1沿液流方向通過節濟孔箔點的壓力和速度圖戰那么在調節閥中發生氣蝕和閃蒸的條件是什么？1.1對于氣蝕(1)入口和出口的流體必須全都是液體，即在調節閥的配管上游和下游附近沒有蒸氣存在。(2)在入口，液體必須是一種過冷狀態，顯然在入口，如果這種流體全都是液體，而且又是飽和狀 態，發生在閥上的任何壓力降都將引起在下游位置產生蒸汽。(

4、3)閥門出口壓力必須是液體蒸汽壓。可以設想，如果下游位置出現飽和，而且全都是液體狀態， 將可能存在氣蝕。1.2對于閃蒸(1)入口流體必須全都是液體，而在閥門出口必定存在若干蒸汽。顯然，如果在入口就有蒸汽，產 生于閥門上的任何差壓必將導致形成附加蒸汽。首先，要規定在閥門入口處沒有蒸汽，因為，當入 口流體含有蒸汽時，計算閥門大小的方法就非常復雜。(2)入口流體可以是飽和的或過冷狀態。(3)閥門出口壓力必須等于或低于液體的蒸汽壓。2氣蝕和閃蒸的損害氣蝕損害點是發生在非常接近氣泡破裂的地方。曾有研究者發現，在氣泡破裂時壓力高達689MPa。一種理論認為，從每個氣泡破裂產生的沖擊波會向四周發射，當這些沖

5、擊波發生于鄰近的 固體邊界層時，就產生一種高度擠壓和連續不斷的小撞擊，任何一個確定的表面增量都會受到重復 沖擊趨向于疲勞，直至達到疲勞極限，使細小金屬層脫落。氣泡在離開固體表面有足夠距離的地方 破裂，可以認為不會產生物理損壞，因為，它們的能量被流動的流體吸收了。所以，在實際使用 中，經常出現閥內件遭嚴重損害的現象，也就不足為奇了。氣蝕損害具有煤渣似的粗糙外形的獨特 特點，這種損壞與大多數其他類型的流動損壞有明顯的區別2。閃蒸的影響主要是物理損壞，與氣蝕的煤渣似粗糙外形相比，它有一個非常光滑的外形，這種外形 常常比得上細的噴砂表面，這種損壞過程也非常類似噴砂過程。就蒸液體而言，蒸汽體積常常是大

6、于液體體積，以至于使液滴趨向于達到蒸汽的速度。液滴沖擊表面如同固體顆粒沖擊表面一樣，雖 然材料的損壞脫落程度不一樣，但還是足以使材料損壞脫落。就調節閥而言，不論是氣蝕還是閃蒸都會造成以下幾方面的損害。2.1 材質的損壞前面敘及由于氣泡破裂會產生極大的沖擊力，足以嚴重地沖擊損傷閥座、閥芯、閥體，尤其在高壓 差的情況下，就連極硬的閥芯、閥座也只能使用很短的時間。2.2 振動氣蝕和閃蒸還帶來閥芯的振動，這種振動包括垂直振動和水平振動，它們分別來自流體對閥芯的垂 直撞擊與水平撞擊，其結果造成機械磨損和破壞，調節閥控制不可靠，閥桿折斷。2.3 噪聲噪聲一般來自三個方面：閥芯振動造成的噪聲；氣蝕造成的噪聲

7、；高速氣體造成的氣體動力噪聲。3氣蝕和閃蒸對液體 CV值的計算在一般流動狀態下，液體的計算公式是比較簡單的，但如果出現氣蝕和閃蒸的情況，計算就變得復雜起來。過去在設計時考慮這種影響后采用的方法：按不產生閃蒸情況tf算之后，再按 CV值表選用大一檔的閥體部件； 根據液體閃蒸的百分比，分別計算氣體和液體兩相的CV值后再相加；選用與工藝管道直徑相同的閥體部件；用臨近壓差或閃蒸密度法。過去采用的各種方法，都考慮到閃蒸后由于液體氣化而產生的體積膨脹現象，但這只是從理論上考慮，卻忽視了閥體部件結構中由于壓力恢復所引起的阻塞問題，這樣計算出來的CV值偏差較大,影響調節系統的質量。新的理論認為：流經閥體部件的

8、流量和壓差之間的關系如圖2所示。圉2流量與壓差的關系當壓差較小，沒有出現液體氣化時，流量和壓差的平方根關系成正比。當縮流處的壓力降低到液體 飽和蒸汽壓時，產生蒸汽氣泡，流量和壓差的平方根關系被破壞。壓差越大，氣化越嚴重，最終導 致了阻塞流。從圖 2中看出，其關系曲線分成兩部分：在開始階段qv正比于(AP) 1/2,是正常流動，超過臨界 屈 值后，就會出現阻塞流，這就是說，當 PVc=PV時，閥內開始出現阻塞；當 PVc 比PC低到一定程度時才形成阻塞流，其關系為：FL= PT/(P1-FFPV) 1/2(1)式中FL為壓力恢復系數；APr為產生阻塞流時閥上的壓差，kPa； PV為液體的飽和蒸汽

9、壓力，kPa； FF為臨界壓力比。產生阻塞流時，介質不同，其偏離 PV的程度也不同。根據試驗，FF值與飽和蒸汽壓力 PV和臨界壓力PC的比值有關，其關系曲線如圖 3所示。FF值可以根據各種介質的臨界壓力(表1)查取，也可由下式計算：FF=0.96-0.28 (PV/PC) 1/2(2)表1臨界壓力PC值名稱分子式PC X 102/kPaTC/KAR49.7150.8氯Cl277.9417氟F253.1144.3氯化氫HC183.9324.6氫H213.933.2水H2O221647.3氨NH2114405.61二氧化碳CO274.7304.2由1式和2式可知：A PT=F2L (P1-FFPV

10、) =F2LP1- (0.96-0.28 (PV/PC) 1/2) PV利用上式可以判定閥內是否產生阻塞流，是否出現閃蒸或氣蝕現象。如果 APA PT時，則產生阻塞流；如果當 P22PV時，則出現氣蝕現象。閥體部件一旦出現閃蒸或氣蝕，必然處在阻塞流工作狀態。因此，要用臨界壓差 AP1計算CV值，計算公式為：CV=10qv p /F2L(P1-FTPV) 1/2(3)式中qv為液體狀態下的體積流量；p為液體狀態下的密度。例 1:已知 水流量 qv=100m3 , p =0.97g/cm3, t1=80 C , P1=11.7X102kPa, P2=5xi02kPa , PV=0.47 x102k

11、Pa, PC=221x102kPa試選擇閥體部件并計算 CV值。(1)第一方案：FT=0.96-0.28 (PV/PC) 1/2=0.95,所以， PT=F2L (P1-FTPV) =3.66 M02kPa.因為， PA PTP1PV,故有氣蝕現象，流量系數計算為：CV=10qv p /F2L(p1-FTPV1/2=51.5(2)第二方案：使用流開狀態的直通雙座閥，查表得FL=0.90;A PT=F2L (P1-FTPV) =9.11 102kPa。因為，APΔPT,故不會產生氣蝕，也不會出現阻塞流。流量系數計算為:CV=10qv ( p / Q P 1/2=38由此可見，調節閥的

12、選用與介質流動狀況有密切聯系，調節閥選用合適，可以避免氣蝕和閃蒸，避 免不必要的浪費。4如何克服氣蝕和閃蒸造成的損害 PTW示為:(4)4.1 從壓力上考慮避免氣蝕的根本方法是不讓閥體部件的使用壓差大于最大允許壓差。最大允許壓差用 PT=KC (P1-PV)式中P1為閥前壓力(kPa) ; KC為氣蝕系數，KC值因介質種類、閥芯形狀、閥體結構和流向而不 同，口徑越大，KC越小，一般情況下， KC=0.250.65。為了不使閥體部件在氣蝕條件下工作，必須使 PAPT可以串聯兩個以上的閥體部件，使壓差分配在兩個閥體部件上，使每個閥體部件的壓差 P都小于 PT這樣就可以避免氣蝕。必須指出，當 AP2

13、.5MPa時，即使產生氣蝕現象，對材質的破壞也不嚴重，因此，不需要采用什么 特殊措施。如果壓差較高，就要設法避免和解決氣蝕問題，如對角形閥采用側進流體，閥芯壽命就 比底進流體時長，因為避免了密封面的直接破壞。另外，在閥前閥后安裝限流孔也可以吸收一些壓 降。4.2 從材質上考慮一般情況下，材料越硬，抗蝕能力越強，但至今仍沒有找到長時間抵抗嚴重氣蝕作用而不受損害的 材料。因此，在有氣蝕作用的情況下，應該考慮到閥芯、閥座易于更換。目前，制造閥芯、閥座的 材料從抗氣蝕的角度出發，國內外使用最廣泛的是司鈦萊合金、硬化工具鋼和鉆鴇合金鋼，特殊的 表面要進行硬化處理。當用司鈦萊合金時，可在這些不銹鋼基體上進

14、行堆焊和噴焊，以形成硬化表 面。按不同的使用條件，硬化表面可局限于閥座、閥芯和閥座的封線處，也可以在整個表面或閥芯 導向處(圖4)。4.3 從結構上考慮可設計特殊結構的閥芯、閥座，以避免氣蝕的破壞作用。其基本原理是使高速流體通過閥芯、閥座 時，每一點都高于在該溫度下的飽和蒸汽壓，或者使液體本身相互碰撞，在流路間導致高速紊流， 使閥體部件中液體的動能由于磨擦而變為熱能，因此，減少氣泡的形成率。(1)采用逐級降壓原理，把閥體部件總的壓差分成幾個小壓差，逐級降壓，每一級都不超過臨界壓 差，如圖5所示。C c)圖4閥芯，閥座硬表面堆焊示意圖圉5會皴閘芯的閥體部件(2)利用液流的多孔節流原理，減少氣蝕的發生。這類閥體部件的特點是在閥體部件的套筒壁上或 閥芯上開有許多特殊形狀的孔(圖6)。當液體從各個小孔噴