探讨调节阀气蚀和闪蒸的控制

探讨调节阀气蚀和闪蒸的控制

赵万福 1 付东革 2

1. 上海自动化仪表有限公司七厂 上海 202150

2.中国核电工程有限公司 北京市 100840

摘要：浅析闪蒸及气蚀的成因的，探讨其产生的影响，详细地分析了调节阀在阀门结构和材料选择方面有效防止闪蒸和汽蚀影响的方法，从而减少危害的发生，为工业安全生产提供了新的思路。

关键词：气蚀；闪蒸；饱和压力；气蚀系数；压力恢复系数

1. 概论

调节阀是常用的执行器也是自控系统中的终端控制部件，但在使用过程当中，轻易地会出现气蚀及闪蒸现象。在气蚀的流动中，渐渐地会出现一些蒸汽气泡，与此同时，其产生的爆炸会对调节阀内部产生一定程度的破坏，造成调节阀使用寿命的逐渐缩短，而且发生的闪蒸现象，不可回避地冲刷阀芯组件，发生很严重的损毁。这种现象不但会对阀芯组件的密封面和阀座的密封面造成损坏，更会较为严重地拉低阀门的关闭性能及使用性能。以上这些现象的发生，一方面会造成口径选择及计算的偏差, 另一方面还会造成更为严重的后果，例如：强化噪声、加大振动、破坏材质等^【1】。总而言之，在一定程度上消除调节阀的气蚀和闪蒸，是其在使用过程中的重中之重。

2. 气蚀和闪蒸的成因及影响

2.1 气蚀和闪蒸的成因

毋庸置疑，闪蒸及气蚀二者的出现，都与调节阀的组塞流密不可分。组塞流是一个物理现象名词：它指的是在不可压缩流体流经控制阀的瞬间能达到的最大流速。在控制阀中，不论哪种液体流过，如果把入口压力作为一个固定量P1，则当出口压力P2越变越小的过程中，就会出现调节阀内部的液体通过量（流量）在不断增加的现象。巧合的是，在出口压力P2不断减少的过程中，直到其压力达到一个临界值 时，调节阀内部的流量就不再改变，趋于稳定，阻塞流指的就是这个极限流量【2】。

阀门最大允许压力降 ，如果压差（ ）> ，那么就容易产生气蚀和闪蒸现象。

根据以上描述可以得出：气蚀和闪蒸的发生受制于两个压差，这两个压差值分别是：调节阀入口处状态下流体的蒸汽压P_v和缩流断面处压力P_vc。 设定F_F是临界压力比，它由由流体性质决定，且恒小于F_FF_F1。如果P_vc明显低于P_v，即P_vc 小于 F_FP_v时将会发生大量的汽化，而因气化产生的气泡会对流量的测量造成影响。

当出现缩流断面处的压力不断下降，并且下降到液体的蒸汽压力以下，流束中就会产生气泡。当缩流断面处的压力在蒸汽压力下不断降低，大量的气泡就会形成。在这个压力降低，气泡不断生成的过程中，调节阀的结构可能会因此而被损害。假设阀门出口的压力还在持续降低，直到小于流体的蒸汽压力，阀门的下游处将聚集大量的气泡，这就会导致闪蒸现象的发生。倘若下游的压力升高，进而让调节阀的出口压力比液体的蒸汽压力高，此事凝聚起来的气泡将会发生破裂或向内爆炸，从而产生“气蚀”。下面具体说明。

1）当介质流经调节阀时，我们可以把调节阀当做一个节流件来处理，当介质进入时其压力为P₁，流速为V₁,。当介质流动到阀芯部分时，受到阀芯，阀座节流的影响，会产生紧缩现象,而流速和静压力都会因此产生巨大影响：一个增加到V₂，另一个减少到P₂。当这个液体在工况下的饱和蒸气压pv大于或等于这个减小的P2时，管内一部分液体将气化成为气态，因此管内将存在气，液两种状态，从而有气泡在液体中生成，我们把这种现象称为闪蒸。（2）当介质流过阀芯和阀座形成的颈缩部位时，通道截面积的改变，使得压力回升，功能关系发生转化，同时受摩擦力影响，流体减速至V₃，压力得以上升至P₃，因颈缩处压力减小到流体饱和蒸气压的气泡，因受压破裂转装为液体。气泡的破裂点上聚集了大量挤压时的能量，刹那间产生巨大的力（冲力），使得阀芯、阀座和阀体上产生塑料变形，称之为空化^[3]。

2.1 气蚀和闪蒸的危害

当气蚀和闪蒸现象产生时，毋庸置疑，这就代表了高速气泡出现在了流体中，并且在短短时间内，促使气泡完成产生与破裂。在产生过程中，带来的冲击力是极为巨大的，甚至会严重损坏阀门及相关的管道，造成较大程度的危害。

发生气蚀时，常常发生在非常接近气泡破裂的地方，当饱和蒸汽气泡不断破裂时，会释放一定程度的能量，而这些能量会在产生过程中缓慢持续地撕裂材料，最后会产生类似于煤渣的粗糙表面。一种理论认为^[4]，气泡破裂时会产生向四周扩散的冲击波，当附近的固体边界层受到这些冲击波的影响时，就会有连续不断的小撞击产生，而这些小撞击同时也是具有很高压力的，无论哪个确定的固体表面都在受到重复冲击时都会有一个疲劳值，达到这个疲劳值就会导致表层脱落。因为气泡是在离开固体表面一定距离的地方破裂的，他们自身所携带的能量会被流体吸收，所以可以认为不存在物理损坏。在一定程度上，气蚀造成的损害是较为巨大的，甚至会缓慢延伸到邻近的下管道，当该处依然出现压力恢复或气泡破裂的现象时，蒸汽气泡的内向爆炸或者破裂会产生无规则的类似金属相撞产生的噪声，影响现场办公环境，更易造成更为严重的危害。

因闪蒸现象出现的气泡会对调节阀的阀芯造成严重的，并且表面有平滑抛光外形的冲刷破坏，阀芯阀座的接触线上（或者附近）因为流速极高所以被冲刷的最为严重。

阀芯的振动可能由闪蒸和气蚀引起，这种振动不仅有水平和垂直振动，更会在一定程度上迅速加大管道及阀门的机械磨损破坏，与此同时，在振动加大时产生的紧固件松动，会导致调节阀性能变差，甚至阀杆折断，严重威胁生产安全。

3、闪蒸和气蚀现象的控制

调节阀闪蒸的过程来自管道下游系统和管线的相互作用发生的，是一个控制流体和操作温度的变量，换句话说，阀门本身是没有办法决定闪蒸变量的。闪蒸现象的发生是没办法依靠阀门来规避的，目前阀门行业最常见的办法是通过选择合理的阀门形式和正确的材料来减小和降低损坏。在此，我们主要讨论阀门的结构和材料的选择来控制闪蒸和气蚀。

3.1阀门结构方面： 调节阀的设计结构在某种意义上说对是否会发生闪蒸以没有明显关系，但是合理的改变内部结构可以有效的控制其破坏作用。当我们在流体的方向选择改变相对少的阀门时，它会减慢粒子的冲击，直到它们到达一个最低点^【2】。

1986年从美国引进的Masoneilan产品中的72000型角型阀，它的主要特点：就是介质在阀内流动没有急弯或滞流点，减小流阻及冲蚀。而且在经过现场调研后我们将阀体出口部分采用了碳化钨材料镶嵌，防止了高速流体（含硬质颗粒）冲击和汽蚀而造成的阀体损坏；

3.2 在材料方面：一般条件下，选择硬度较高的材料会在一定程度上加大闪蒸和气蚀破坏的防护与抵御。我们举几种常见调节阀的材料，来说明硬度较高的材料往往会用于一些阀体的制造，具体材料见表1 .

表1调节阀材料的选择

而且目前大部分恶劣工况下的调节阀的阀内件普遍使用堆焊硬质合金或者超音速碳化钨喷涂工艺，其硬度都可以做到HRC50-60甚至更高，其表现出的抗腐蚀和抗冲刷能力较强。

4、结论

总而言之，在调节阀装置中，尤其是高压差的场合，气蚀和闪蒸可以说是难以避免的现象。但通过调节阀结构的优化设计和正确合理的选择阀门材料都行之有效的解决办法。本文分析了气蚀和闪蒸产生的原因以及带来的危害，探讨闪蒸和气蚀的控制方法，为生产提供思路。

参考文献

[1]. 张存岩,关书玲. 调节阀的闪蒸和气蚀[J].一重技术,2006,(02):39-40.

[2].张晓宁.调节阀闪蒸和气蚀现象分析[J].广东化工,2013,40(12):16-186.

[3].蔡丹.浅谈气蚀场合下调节阀的选用[J].化肥设计，2012,50(03):41-42．

[4]. 秦猛.调节阀闪蒸和气蚀现象及防护措施[J]. 工业仪表与自动化装置,2014,(03):59-62.