在調(diào)節(jié)閥的使用過程中，氣蝕和閃蒸是最為常見的流動現(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)象對閥內(nèi)件的破壞相當嚴重，引起調(diào)節(jié)閥壽命的縮短;閃蒸會對閥芯產(chǎn)生嚴重的沖刷破壞，使閥芯和閥座密封處損害，閥門的關(guān)閉性能嚴重降低。氣蝕和閃蒸還可能引起噪音，振動。因此克服調(diào)節(jié)閥的氣蝕和閃蒸，顯得尤為重要。

1、對調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生氣蝕和閃蒸的分析

　　氣蝕和閃蒸都是針對于液體介質(zhì)而言，液體介質(zhì)在閥芯處節(jié)流時，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)流過閥座后，如果靜壓恢復(fù)到大于液體的飽和蒸氣壓時，原先空化的蒸汽又恢復(fù)成液體狀態(tài)，這時汽泡破裂會釋放巨大的能量，會引起噪音、振動，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，則流出閥體的將會是蒸汽或蒸汽液體混合物，此時會產(chǎn)生嚴重的沖刷和噪音，這一現(xiàn)象稱為閃蒸。通過圖1～3來分別表示流體不產(chǎn)生氣蝕、產(chǎn)生氣蝕、產(chǎn)生閃蒸時流體在流經(jīng)閥體內(nèi)部時的壓力變化。

　　1.1、不產(chǎn)生氣蝕的壓差范圍

　　圖1表示流體通過閥的時候，由于大于，不會引起沸騰現(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，此時閥內(nèi)處于阻塞流狀態(tài)，對流量影響極大。

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.

　　為便于對液體在閥內(nèi)的流動狀態(tài)分析，把一個有一定開度的調(diào)節(jié)閥模擬成一個同心孔板如圖4所示。圖4用以說明流體在閥內(nèi)流動過程中各點的速度和壓力的分布曲線。

圖4 流體通過閥門的壓力和速度變化曲線

　　根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如果流體流過系統(tǒng)邊界層沒有發(fā)熱和做功的能量損失，在該系統(tǒng)中沿確定的基準面每點上的總能級保持一定。流體通過孔板前開始收縮，以便通過孔板，其流速與流體面積成反比，故流速增加，因為速度與壓力之和保持大約相等，能量的相互轉(zhuǎn)換必然會由于速度增加導(dǎo)致壓力下降。

　　在鄰近孔板的下游，流體將達到它的最小截面，最大速度和最小壓力，這點稱為縮流(Pvc)。如果該點速度充分增加，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。從離開縮流處的下游開始，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，而會擠壓破裂恢復(fù)成液體狀態(tài)，這一過程便是氣蝕。

　　由于液體中空腔破裂產(chǎn)生的沖擊波，向四周發(fā)射，當這種沖擊波發(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受到重復(fù)沖擊趨于疲勞直至極限時，細小金屬層便會脫落。其他理論認為，在此基礎(chǔ)上，還同時伴隨著化學(xué)腐蝕過程。

　　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)生的物理損壞一般發(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)趨勢度量，那么

　　式中：Ksc———系統(tǒng)氣蝕指數(shù);

　　Kc———初始氣蝕指數(shù);

　　ΔP———閥門壓力降。

　　用于液體流量的計算方程：

　　式中：qv———液體體積流量;

　　ρ———液體密度;

　　Cv———閥門流通能力。

　　表示Ksc點的qv相對于的典型曲線如圖5所示，可見qv與在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，當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)，大部分開始氣蝕。若閥門出口壓力進一步降低，氣化量增大，氣蝕強度增加，液體流通能力Cv進一步降低。若壓力降足夠大，流動完全受阻，以致于壓降再增加也不能引起流量增加，此時的流動狀態(tài)稱為阻塞流。事實上，閥門恢復(fù)系數(shù)Km是發(fā)生劇烈氣蝕的很好指標。

　　式中：Km———閥門恢復(fù)系數(shù);

　　ΔPm———產(chǎn)生阻塞流時閥門壓降。

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的兩個數(shù)值，表征一個具體閥門的兩個氣蝕強度。當Ksc=Kc時，閥門開始產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，如果P1不變，進一步降低P2直至Ksc達到Km時，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。

　　在一般計算調(diào)節(jié)閥口徑的公式中，閥門計算用的壓力條件已定，用該方程式可計算出ΔPm，由圖5發(fā)現(xiàn)，如果計算的ΔPm小于實際ΔP，這個流量將處于阻塞流狀態(tài);如果ΔPm計算值大于實際ΔP，則表明閥門將運行在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、如何消除氣蝕對閥門造成的危害

　　2.1、改變工藝系統(tǒng)

　　通過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或多個限流孔板壓降，或者串聯(lián)安裝兩個以上的調(diào)節(jié)閥使每個閥上的壓降不超過ΔP允，上游閥可具有較大的壓降，串聯(lián)閥門的個數(shù)，由總壓降決定。

　　其中：ΔP允=Kc(P1-Pv)

　　當工藝系統(tǒng)仍在設(shè)計階段正在選擇閥門安裝位置時，如果已確定某個閥門將出現(xiàn)阻塞流，采用不同的位置如安裝在長管線的開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

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

　　例如目前國內(nèi)市場上出現(xiàn)的氣動薄膜角型多級調(diào)節(jié)閥，它采用類似在長管道中放入幾個節(jié)流孔板以達到逐級降壓的目的。由于高壓液體在流過多節(jié)流孔的過程中逐漸降壓，因此，每級的閥芯上只承擔(dān)一部分壓差(在設(shè)計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、振動及其對調(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。當液體從各個小孔噴射進去后，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，就避免了對閥芯和套筒的直接破壞。

　　2.5、選擇適當?shù)牟馁|(zhì)

　　一般情況下，材料越硬，抗蝕能力越強，但目前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(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。

　　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，因為閃蒸出現(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，因為僅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�？梢赃x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)計比球形閥體更為經(jīng)濟。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閥門。

　　3.3、系統(tǒng)設(shè)計

　　閃蒸現(xiàn)象是由系統(tǒng)設(shè)計所決定的。擴大節(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。例如冷凝器相對于管道來說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)計能幫助防止閃蒸破壞的發(fā)生。

4、結(jié)束語

　　在許多應(yīng)用場合，減輕閃蒸所帶來的破壞和防止氣蝕的發(fā)生所采取的各種措施都會受到其費用和復(fù)雜程度的限制，因此工程設(shè)計人員的目標是通過合理的閥門設(shè)計可以防止氣蝕的發(fā)生，通過優(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的破壞。