在調(diào)節(jié)閥的使用過(guò)程中，氣蝕和閃蒸是最為常見(jiàn)的流動(dòng)現(xiàn)象，也是難以避免的現(xiàn)象。氣蝕產(chǎn)生的蒸汽氣泡、爆炸現(xiàn)象對(duì)閥內(nèi)件的破壞相當(dāng)嚴(yán)重，引起調(diào)節(jié)閥壽命的縮短;閃蒸會(huì)對(duì)閥芯產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，使閥芯和閥座密封處損害，閥門的關(guān)閉性能嚴(yán)重降低。氣蝕和閃蒸還可能引起噪音，振動(dòng)。因此克服調(diào)節(jié)閥的氣蝕和閃蒸，顯得尤為重要。

1、對(duì)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生氣蝕和閃蒸的分析

　　氣蝕和閃蒸都是針對(duì)于液體介質(zhì)而言，液體介質(zhì)在閥芯處節(jié)流時(shí)，由于靜壓降低到液體的飽和蒸汽壓以下而使液體發(fā)生汽化的現(xiàn)象稱為空化，介質(zhì)流過(guò)閥座后，如果靜壓恢復(fù)到大于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，原先空化的蒸汽又恢復(fù)成液體狀態(tài)，這時(shí)汽泡破裂會(huì)釋放巨大的能量，會(huì)引起噪音、振動(dòng)，導(dǎo)致閥內(nèi)件損壞，這一現(xiàn)象稱為氣蝕;如果靜壓不能恢復(fù)到液體的飽和蒸氣壓，則流出閥體的將會(huì)是蒸汽或蒸汽液體混合物，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷和噪音，這一現(xiàn)象稱為閃蒸。通過(guò)圖1～3來(lái)分別表示流體不產(chǎn)生氣蝕、產(chǎn)生氣蝕、產(chǎn)生閃蒸時(shí)流體在流經(jīng)閥體內(nèi)部時(shí)的壓力變化。

　　1.1、不產(chǎn)生氣蝕的壓差范圍

　　圖1表示流體通過(guò)閥的時(shí)候，由于大于，不會(huì)引起沸騰現(xiàn)象，液體仍保持原有狀態(tài)。

圖1 正常狀態(tài)

　　P1———閥的入口壓力，P2———閥的出口壓力，Pv———閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力，Pc———液體(熱力學(xué))臨界壓力，Pvc———流體縮流斷面的壓力.

　　1.2、產(chǎn)生氣蝕狀態(tài)的壓差范圍

　　圖2表示降至以下的液體壓力，在出口側(cè)又恢復(fù)到以上，原先產(chǎn)生的氣泡再次破滅。

圖2 氣蝕狀態(tài)(PvcPv)

　　P1———閥的入口壓力，P2———閥的出口壓力，Pv———閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力，Pc———液體(熱力學(xué))臨界壓力，Pvc———流體縮流斷面的壓力.

　　1.3、產(chǎn)生閃蒸狀態(tài)的壓差范圍

　　圖3表示仍在以下徘徊，也未恢復(fù)到以上的區(qū)域，出口側(cè)出現(xiàn)氣液兩相的流體，這種現(xiàn)象稱為閃蒸，此時(shí)閥內(nèi)處于阻塞流狀態(tài)，對(duì)流量影響極大。

圖3 閃蒸狀態(tài)(P2

　　P1———閥的入口壓力，P2———閥的出口壓力，Pv———閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力，Pc———液體(熱力學(xué))臨界壓力，Pvc———流體縮流斷面的壓力.

　　為便于對(duì)液體在閥內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)分析，把一個(gè)有一定開(kāi)度的調(diào)節(jié)閥模擬成一個(gè)同心孔板如圖4所示。圖4用以說(shuō)明流體在閥內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中各點(diǎn)的速度和壓力的分布曲線。

圖4 流體通過(guò)閥門的壓力和速度變化曲線

　　根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如果流體流過(guò)系統(tǒng)邊界層沒(méi)有發(fā)熱和做功的能量損失，在該系統(tǒng)中沿確定的基準(zhǔn)面每點(diǎn)上的總能級(jí)保持一定。流體通過(guò)孔板前開(kāi)始收縮，以便通過(guò)孔板，其流速與流體面積成反比，故流速增加，因?yàn)樗俣扰c壓力之和保持大約相等，能量的相互轉(zhuǎn)換必然會(huì)由于速度增加導(dǎo)致壓力下降。

　　在鄰近孔板的下游，流體將達(dá)到它的最小截面，最大速度和最小壓力，這點(diǎn)稱為縮流(Pvc)。如果該點(diǎn)速度充分增加，壓力降到蒸汽壓，就使得在流體中產(chǎn)生空腔。這便是氣蝕的第一階段。從離開(kāi)縮流處的下游開(kāi)始，由于流體摩擦引起流體減速，其結(jié)果使流體截面和壓力增加，這一能量反向轉(zhuǎn)換即“壓力恢復(fù)”，在縮流處，壓力減少到蒸汽壓而形成的蒸汽泡在壓力增加的下游不可能存在，而會(huì)擠壓破裂恢復(fù)成液體狀態(tài)，這一過(guò)程便是氣蝕。

　　由于液體中空腔破裂產(chǎn)生的沖擊波，向四周發(fā)射，當(dāng)這種沖擊波發(fā)生于鄰近的固體邊界層時(shí)，就產(chǎn)生一種高度擠壓和連續(xù)不斷的小撞擊，任何一個(gè)確定的表面增量受到重復(fù)沖擊趨于疲勞直至極限時(shí)，細(xì)小金屬層便會(huì)脫落。其他理論認(rèn)為，在此基礎(chǔ)上，還同時(shí)伴隨著化學(xué)腐蝕過(guò)程。

　　就閃蒸液體而言，由于蒸汽體積常常大于液體體積，以致于使液滴趨向于達(dá)到蒸汽高速度。液滴沖擊閥體表面如同固體顆粒沖擊表面一樣，使閥體材料損壞脫落。由于液體閃蒸產(chǎn)生的物理?yè)p壞一般發(fā)生在下游部分。如果閥門入口的液體接近于飽合狀態(tài)，使得閃蒸開(kāi)始發(fā)生于閥體的上游部分，則閥座與閥芯的密封表面也可能受到影響。

　　假如引出一個(gè)系統(tǒng)氣蝕參數(shù)，作為引起調(diào)節(jié)閥氣蝕的系統(tǒng)狀態(tài)趨勢(shì)度量，那么

　　式中：Ksc———系統(tǒng)氣蝕指數(shù);

　　Kc———初始?xì)馕g指數(shù);

　　ΔP———閥門壓力降。

　　用于液體流量的計(jì)算方程：

　　式中：qv———液體體積流量;

　　ρ———液體密度;

　　Cv———閥門流通能力。

　　表示Ksc點(diǎn)的qv相對(duì)于的典型曲線如圖5所示，可見(jiàn)qv與在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，當(dāng)ΔP增加到某一值后，Ksc=Kc，將導(dǎo)致Cv值下降，這就是產(chǎn)生氣蝕的前兆，此后，qv與比例失調(diào)，大部分開(kāi)始?xì)馕g。若閥門出口壓力進(jìn)一步降低，氣化量增大，氣蝕強(qiáng)度增加，液體流通能力Cv進(jìn)一步降低。若壓力降足夠大，流動(dòng)完全受阻，以致于壓降再增加也不能引起流量增加，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)稱為阻塞流。事實(shí)上，閥門恢復(fù)系數(shù)Km是發(fā)生劇烈氣蝕的很好指標(biāo)。

　　式中：Km———閥門恢復(fù)系數(shù);

　　ΔPm———產(chǎn)生阻塞流時(shí)閥門壓降。

圖5 qv與的典型曲線

　　可以把Kc和Km看成系統(tǒng)氣蝕參數(shù)Ksc的兩個(gè)數(shù)值，表征一個(gè)具體閥門的兩個(gè)氣蝕強(qiáng)度。當(dāng)Ksc=Kc時(shí)，閥門開(kāi)始產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，如果P1不變，進(jìn)一步降低P2直至Ksc達(dá)到Km時(shí)，閥內(nèi)出現(xiàn)阻塞狀態(tài)。

　　根據(jù)上式可得到阻塞流方程：

　　式中：γc———臨界壓力比。

　　在一般計(jì)算調(diào)節(jié)閥口徑的公式中，閥門計(jì)算用的壓力條件已定，用該方程式可計(jì)算出ΔPm，由圖5發(fā)現(xiàn)，如果計(jì)算的ΔPm小于實(shí)際ΔP，這個(gè)流量將處于阻塞流狀態(tài);如果ΔPm計(jì)算值大于實(shí)際ΔP，則表明閥門將運(yùn)行在qv與成比例的范圍內(nèi)。Km包括了所采用閥門類別的影響，它是衡量縮流和閥門出口間壓力恢復(fù)的尺度，Km值越高(閥門壓力恢復(fù)能力越低)，允許閥門壓降越高，越有利于防止氣蝕的發(fā)生。

2、如何消除氣蝕對(duì)閥門造成的危害

　　2.1、改變工藝系統(tǒng)

　　通過(guò)降低液體溫度或在一定差壓下提高閥后壓力，使流體在縮流處不低于其液體的飽和蒸汽壓。

　　2.2、改善安裝條件

　　在閥前或閥后安裝一個(gè)或多個(gè)限流孔板壓降，或者串聯(lián)安裝兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥使每個(gè)閥上的壓降不超過(guò)ΔP允，上游閥可具有較大的壓降，串聯(lián)閥門的個(gè)數(shù)，由總壓降決定。

　　其中：ΔP允=Kc(P1-Pv)

　　當(dāng)工藝系統(tǒng)仍在設(shè)計(jì)階段正在選擇閥門安裝位置時(shí)，如果已確定某個(gè)閥門將出現(xiàn)阻塞流，采用不同的位置如安裝在長(zhǎng)管線的開(kāi)頭或安裝在閥后壓力更高的位置，這樣可以允許較高的入口壓力以消除阻塞流。

　　2.3、選擇特殊結(jié)構(gòu)的閥體

　　氣蝕可以通過(guò)閥門結(jié)構(gòu)來(lái)消除，比如多級(jí)降壓或迷宮式等，采用多級(jí)降壓原理，把閥體部件總的壓差分成幾個(gè)小壓差，逐級(jí)降壓，確保其節(jié)流縮徑處的壓力都不低于液體的飽和蒸汽壓，從而不會(huì)產(chǎn)生氣蝕的氣泡。

　　例如目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)的氣動(dòng)薄膜角型多級(jí)調(diào)節(jié)閥，它采用類似在長(zhǎng)管道中放入幾個(gè)節(jié)流孔板以達(dá)到逐級(jí)降壓的目的。由于高壓液體在流過(guò)多節(jié)流孔的過(guò)程中逐漸降壓，因此，每級(jí)的閥芯上只承擔(dān)一部分壓差(在設(shè)計(jì)上使其處于允許范圍之內(nèi))，使節(jié)流后壓力在閥的部分高于液體的飽合蒸汽壓力。從而，有效地避免氣蝕現(xiàn)象，防止由此引起的噪音、振動(dòng)及其對(duì)調(diào)節(jié)閥的侵蝕。

　　2.4、利用液體的多孔節(jié)流原理

　　利用液體的多孔節(jié)流原理，減少氣蝕的發(fā)生。這類閥體部件的特點(diǎn)是在閥體部件的套筒壁上或閥芯上開(kāi)有許多特殊形狀的孔。當(dāng)液體從各個(gè)小孔噴射進(jìn)去后，在套筒中心相互碰撞，一方面出于碰撞消耗能量，起到緩沖作用;另一方面，因氣泡的破裂發(fā)生在套筒中心，這樣，就避免了對(duì)閥芯和套筒的直接破壞。

　　2.5、選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)

　　一般情況下，材料越硬，抗蝕能力越強(qiáng)，但目前仍沒(méi)有找到長(zhǎng)時(shí)間抵抗嚴(yán)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(yīng)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(guó)內(nèi)外使用最廣泛的是司鈦萊合金(用Co、Cr、W元素)、硬化工具鋼和鈷鎢合金鋼，特殊的表面要進(jìn)行硬化處理。當(dāng)用司鈦萊合金時(shí)，可在這些不銹鋼基體上進(jìn)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和閥芯密封面上，也可以是閥環(huán)和閥桿全部堆焊。

3、如何減輕閃蒸對(duì)閥門造成的危害

　　在調(diào)節(jié)閥里閃蒸是不能預(yù)防的，所能做到的就是減輕閃蒸的破壞。在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中影響著閃蒸破壞的因素主要有閥門結(jié)構(gòu)、材料性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　3.1、材料選擇

　　一般情況下，硬度較高、耐磨損的材料更能抵御閃蒸的破壞。硬度高的材料常常用于制造閥體。如采用球形閥，最好用鉻鉬合金鋼閥體，因?yàn)殚W蒸出現(xiàn)在閥體內(nèi)部。如果角形閥下游配裝材料硬度高的管道，其閥體可以選用碳鋼材料，因?yàn)閮H僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。

　　3.2、閥門結(jié)構(gòu)

　　閃蒸破壞是高速度的飽和氣泡沖擊閥體表面，并腐蝕閥體表面造成的。可以選擇角型閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等流通性好、流阻小的閥門。例如角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，而不是象球形閥一樣直接沖擊體壁，所以大大減少了沖擊閥體體壁的飽和氣泡數(shù)量。從而減弱了閃蒸的破壞力。因此在閃蒸破壞出現(xiàn)的情況下，角形閥體設(shè)計(jì)比球形閥體更為經(jīng)濟(jì)。在某些情況下，常常采用由一段下游管道承受閃蒸破壞的方法保護(hù)閥門。

　　3.3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　閃蒸現(xiàn)象是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)所決定的。擴(kuò)大節(jié)流縮徑后的閥后容腔，降低流速，即降低沖刷速度和沖刷能量。例如冷凝器相對(duì)于管道來(lái)說(shuō)具有更大的容積防止高速度的氣泡沖擊材料表面。因而良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能幫助防止閃蒸破壞的發(fā)生。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　在許多應(yīng)用場(chǎng)合，減輕閃蒸所帶來(lái)的破壞和防止氣蝕的發(fā)生所采取的各種措施都會(huì)受到其費(fèi)用和復(fù)雜程度的限制，因此工程設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是通過(guò)合理的閥門設(shè)計(jì)可以防止氣蝕的發(fā)生，通過(guò)優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)和合理地選用閥體材料可以減輕閃蒸所帶來(lái)的破壞。