1、在氣蝕和閃蒸場合下調節(jié)閥選用的研究在一個完全不含有氣體或蒸汽的液流中，經(jīng)常會遇到兩種現(xiàn)象，即氣蝕和閃蒸（有些資料把 氣蝕稱為空化）。這種現(xiàn)象對于任何調節(jié)閥的綜合性討論都有重要的意義。因為，這種現(xiàn)象 的產(chǎn)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(jié)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(chǎn)生條件氣蝕是一種兩階段的現(xiàn)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(tài)。有些關于氣蝕的定義僅僅限于空腔的形成，但是從調節(jié) 閥的觀點來看，這似乎是不實際的定義。因為，氣蝕

2、的最大影響和大多數(shù)的氣蝕現(xiàn)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(xù)到通常發(fā)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(jié)閥） 。如圖 1 所示，當壓力為 P1 的液體流經(jīng)節(jié)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(chǎn)生氣化，形成氣液兩相共存的現(xiàn)象，在液體中產(chǎn)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

3、間的能量反向轉換稱之為壓力恢復”。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(tài)。至此，氣蝕過程完成。如果下游配管系統(tǒng)的壓力正好相當于或小于入口的蒸汽壓，繼續(xù)流入下游流體的蒸汽百分比 會不斷增加，流體速度持續(xù)增長其結果將產(chǎn)生閃蒸而不是氣蝕 10Eh君徴謊方向追邁節(jié)流孔各點的壓力和速魔團竣那么在調節(jié)閥中發(fā)生氣蝕和閃蒸的條件是什么？1.1 對干氣蝕（1）入口和出口的流體必須全都是液體，即在調節(jié)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(tài)，顯然在入口，如果這種流體全都是液體，而且又 是飽和狀態(tài)，發(fā)生在閥上的任何壓力降都將引

4、起在下游位置產(chǎn)生蒸汽。（3）閥門出口壓力必須是液體蒸汽壓?？梢栽O想，如果下游位置出現(xiàn)飽和，而且全都是液 體狀態(tài)，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(chǎn)生于閥門上的任何差壓必將導致形成附加蒸汽。首先，要規(guī)定在閥門入口處沒有蒸 汽，因為，當J4也找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(tài)。(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(fā)生在非常接近氣泡破裂的地方。曾有研究者發(fā)現(xiàn)，在氣泡破裂時壓力高達 689MPa。一種理論認為，從每

5、個氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波會向四周發(fā)射，當這些沖擊波發(fā)生于鄰近的固體邊界層時，就產(chǎn)生一種高度擠壓和連續(xù)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(chǎn)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(jīng)常出現(xiàn)閥內件遭嚴重損害的現(xiàn)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(shù)其他類型的流動損壞有明顯的區(qū)別2o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

6、噴砂過程。就蒸液體而言，蒸汽 體積常常是大于液體體積，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(jié)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(chǎn)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(jié)閥控制不可靠，閥桿折斷。2.3 噪聲噪聲一般來自三

7、個方面：閥芯振動造成的噪聲；氣蝕造成的噪聲；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(tài)下，液體的計算公式是比較簡單的，但如果出現(xiàn)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米用的方法：按不產(chǎn)生閃蒸情況計算之后,再按 CV 值表選用大一檔的閥體部件； 根據(jù)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(chǎn)生的體積膨脹現(xiàn)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

8、差較大，影響調節(jié)系統(tǒng)的質量。新的理論認為：流經(jīng)閥體部件的流量和壓差之間的關系 如圖 2所示。當壓差較小，沒有出現(xiàn)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(chǎn)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(P)1/2,是正常流動，超過臨界屁 值后，就會出現(xiàn)阻塞流，這就是說，當 PVc=PV 時， 閥內開始出現(xiàn)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(shù)； Pr 為產(chǎn)

9、生阻塞流時閥上的壓差，kPa； PV 為液體的飽和蒸汽壓 力，kPa； FF 為臨界壓力比。產(chǎn)生阻塞流時，介質不同，其偏離 PV 的程度也不同。根據(jù)試驗，F(xiàn)F 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(jù)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PCX102/kPaTC/K氬AR49.7150.8氯CI277.9417氟F253.1144.3:氯化氫HC183.9324.6氫H213.933.2水H2O221647.3氨NH2114405.6

10、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利用上式可以判定閥內是否產(chǎn)生阻塞流，是否出現(xiàn)閃蒸或氣蝕現(xiàn)象。如果PM PT 寸，則產(chǎn)生阻塞流；如果當 P22PV 時，則出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。閥體部件一旦出現(xiàn)閃蒸或氣蝕，必然處在 阻塞流工作狀態(tài)。因此，要用臨界壓差 P1 計算 CV 值，計算公式為：CV=10qvp/F2L(P1-FTPV)1/2(3)式中 qv 為液體狀態(tài)下的體積流量；p為液體狀態(tài)下的密度。例 1:已知水流量 qv=100m3,p=0.97g/cm3 t1=80C，P 仁

11、 11.7X02kPa, P2=5X102kPa, PV=0.47X02kPa, 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) =3.66X02kPa.H為， P4PTP1PV，故有氣蝕現(xiàn)象，流量系數(shù)計算為：CV=10qvp/F2L(p1-FTPV1/2=51.5(2) 第二方案：使用流開狀態(tài)的直通雙座閥，查表得FL=0.90;PT=F2L( P1-FTPV) =9.11 為 02kPa。因為， PΔPT,故不會產(chǎn)生氣蝕，也不會出現(xiàn)阻塞流。流量系數(shù)計

12、算為：CV=10qv( p/1/2=38由此可見，調節(jié)閥的選用與介質流動狀況有密切聯(lián)系，調節(jié)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 表示為：PT=KC( P1-PV)(4)式中 P1 為閥前壓力(kPa); KC 為氣蝕系數(shù)，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 P4PT 可以串聯(lián)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

13、體部 件的壓差都小于 PT 這樣就可以避免氣蝕。必須指出，當 P2.5MPa 時，即使產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)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(fā)，國內外使用最廣泛的是司鈦萊合金、硬化工具鋼和 鉆鎢合金鋼，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?yōu)闊崮?，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