1 引言

    控制閥在工業(yè)過程控制中起著重要的作用，但是在液體壓力或流量控制中常會(huì)遇到控制閥閃蒸和氣蝕的問題。氣蝕將在破壞控制閥和管線的材質(zhì)，直接影響控制閥的使用壽命和工藝控制的安全。本文從控制閥閃蒸和氣蝕產(chǎn)生的原因分析入手，提出幾項(xiàng)避免控制閥產(chǎn)生氣蝕的方法。

    2 氣蝕產(chǎn)生的原因

    在一個(gè)大氣壓環(huán)境中，水在100℃時(shí)沸騰，水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，整個(gè)水體內(nèi)部不斷涌現(xiàn)大量氣泡，并逸出水面。在常溫下（20℃），若使壓強(qiáng)降低到水的飽和蒸汽壓強(qiáng)2.4kPa（絕對(duì)壓強(qiáng)）以下時(shí)，則水也沸騰。通常將這種現(xiàn)象稱為空化，以示和真正的沸騰相區(qū)別，此時(shí)水中的氣泡稱為空泡。常把在管道中由于低壓產(chǎn)生的空化叫做閃蒸。當(dāng)管道中的空泡進(jìn)入壓強(qiáng)較高的區(qū)域時(shí)將突然潰滅，空泡潰滅的時(shí)間僅是毫秒級(jí)，空泡在潰滅時(shí)形成一股微射流，局部壓強(qiáng)可達(dá)到800MPa，這會(huì)使壁面材料疲勞損壞。這種現(xiàn)象我們稱之為氣蝕或空蝕。

    現(xiàn)以水為例說明控制閥產(chǎn)生氣蝕的原因。簡(jiǎn)化的控制閥管路圖，如圖1所示。

圖1 控制閥流態(tài)圖

    控制閥閥芯處截流，使過流斷面減小，由1-1到2-2過流斷面的總流伯努利方程：

    其中：z₁為過流斷面1-1的形心高度；z₂為過流斷面2-2的形心高度；g為重力加速度；p₁為過流斷面1-1的形心處的壓強(qiáng)（絕壓）；p₂為過流斷面2-2的形心處的壓強(qiáng)（絕壓）；υ₁為過流斷面1-1的形心處的流速；υ₂為過流斷面2-2的形心處的流速；Y為液體的重度；h_L為總水頭損失。

    因1-1和2-2的過流斷面的形心位置于同一水平線上（若不在同一水平線上，因1-1到2-2距離較近可近似認(rèn)為在同一水平線上），即z₁=z₂，所以有，那么p₂=，隨著過流斷面2-2的減小，將增大，γh_L也將隨之增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，p₂將低于其所在溫度下的水的飽和蒸氣壓，這時(shí)水將氣化產(chǎn)生空泡（即閃蒸現(xiàn)象）。當(dāng)含有空泡的水從過流斷面2-2流至3-3時(shí)，由于過流斷面突然增大，υ₃將減少，那么p₃將大于水的飽和蒸氣壓，水中包含的空泡將被潰滅，這就是氣蝕。

    3 阻塞流的產(chǎn)生及影響

    控制閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件，對(duì)于不可壓縮流體，由能量守恒原理可知，控制閥上的水頭損失，式中，h_L為控制閥上水頭損失；ε為控制閥局部水頭損失因數(shù)（隨閥門開度面變化）；g為重力加速度；υ為流體的平均速度，υ=Q/S；ρ為流體密度；p₁為控制閥上游取壓口的壓力（絕對(duì)壓力）；p₂為控制閥下游取壓口的壓力（絕對(duì)壓力）；Δp為控制閥上、下游取壓口的壓力差，Δp=p₁-p₂；Q為流體體積流量；S為控制閥流通面積。

    所以上面水頭損失的等式可變?yōu)?/P>

    當(dāng)控制閥開度不變的情況下，如果保持控制閥前壓力不變，當(dāng)逐漸減少控制閥后壓力時(shí)，流過控制閥的流量將隨等比增大。但是當(dāng)控制閥后壓力減小到一定數(shù)值時(shí)，閥前閥后差大于時(shí)，流過控制閥的流量不再隨等比而增大，這時(shí)的流態(tài)被稱為阻塞流如圖2所示。

圖2 恒定時(shí)的關(guān)系曲線

    阻塞流不一定會(huì)發(fā)生閃蒸（空化）或氣蝕現(xiàn)象，但閃蒸或氣蝕一定發(fā)生在阻塞流情況下，所以阻塞流是產(chǎn)生閃蒸或氣蝕的必要條件，如果避免了阻塞流的產(chǎn)生就從根本上避免氣蝕產(chǎn)生。GB/T17213.2標(biāo)準(zhǔn)中判斷是否為阻塞流的依據(jù)是Δp與之間的關(guān)系，當(dāng)F_Fp_v）時(shí)為非阻塞流，當(dāng)時(shí)為阻塞流。

    其中，Δp為控制閥上、下游取壓口的壓力差p₁-p₂；p₁為控制閥上游取壓口的壓力（絕對(duì)壓力）；p²為控制閥下游取壓口的壓力（絕對(duì)壓力）；F_L為無(wú)附接管件控制閥的液體壓力恢復(fù)系數(shù)；F_F為液體臨界壓力比系數(shù)；p_v為入口溫度下液體的飽和蒸氣壓力（絕對(duì)壓力）；p_c為熱力學(xué)臨界壓力（絕對(duì)壓力）。

    4 避免氣蝕產(chǎn)生的方法

    要從根本上避免氣蝕需避免阻塞流，根據(jù)阻塞流判斷公式可知，要為了使成立，應(yīng)當(dāng)減小Δp和F_Fp_v，增大F_L和p₁；所以可以用以下幾種方法避免氣蝕的產(chǎn)生。

    1）降低介質(zhì)的飽和蒸汽壓

    根據(jù)GB/T17213.2說明，F(xiàn)_F可由公式FF=0.96-0.28近似求得，且可知0.65＜F_F＜1。以水為例，不同溫度下水的飽和蒸氣壓力，水的飽和蒸氣壓力p_v的變化率遠(yuǎn)大于F_F的變化率，所以若要減小F_Fp_v的值，可以通改變介質(zhì)當(dāng)前溫度來降低介質(zhì)的飽和蒸汽壓力，從而減小FFpv的值，避免阻塞流的產(chǎn)生。這種方法可以用在熱交換器熱源或被加熱液體的流量控制，以水為熱源為例，控制閥應(yīng)安裝在熱源的入口（入口水的飽和蒸汽壓力比出口的略高），見表1。

表1 不同溫度下水的飽和蒸氣壓力

    2）串聯(lián)控制閥

    通過2個(gè)串聯(lián)的控制閥共同實(shí)現(xiàn)流量和壓力控制是避免氣蝕產(chǎn)生的有效方法。串聯(lián)的本質(zhì)意義在于它減小了Δp。設(shè)2個(gè)串聯(lián)控制閥中第1個(gè)閥閥后壓力為p_m，則對(duì)控制閥1來說Δp₁=p₁-p_m，對(duì)控制閥2來說Δp₂=p_m-p₂，Δp₁=Δp₂-Δp₂。所以通過合理的選擇p_m可以用兩個(gè)串聯(lián)的控制閥來替換一個(gè)會(huì)產(chǎn)生氣蝕的控制閥如圖3所示。

圖3 控制閥串聯(lián)示意圖

    3）選擇控制閥的閥內(nèi)件類型和流向

    F_L是無(wú)附接管件的液體壓力恢復(fù)系數(shù)。該系數(shù)表示阻塞流條件下閥體內(nèi)幾何形狀對(duì)閥容量的影響。它定義為阻塞流條件下的實(shí)際最大流量與理論上非阻塞流條件下的流量之比。系數(shù)F_L可以由符合GB/T17213.9的試驗(yàn)來確定。在GB/T17213.2中列出了幾種常用類型的控制閥的F_L值。從表中我們可知不同類型的控制閥的F_L值不同，即使相同類型的控制閥，其閥內(nèi)件類型不同或流向不同，其F_L值也不相同。我們通過選擇不同類型的控制閥，并選擇合適的閥內(nèi)件類型和流向，來使F_L較大，這樣也可以避免阻塞流的產(chǎn)生。如蝶閥的F_L均小于0.7，球形柱塞型閥芯流開式控制閥的F_L為0.9。

    4）提高控制閥閥前閥后壓力

    這里所說的提高控制閥閥前閥后壓力，指的不是改變?chǔ)的值，因?yàn)橛袝r(shí)工藝狀況要求的Δp必須是某一數(shù)值，在這種情況下，提高控制閥閥前閥后壓力實(shí)際上就是改變控制閥的安裝位置。例如在長(zhǎng)距離輸水路線上，如果在某一條線路上，必須完成Δp的壓降，如果控制閥安裝在終點(diǎn)附近，若終點(diǎn)要求壓力接近大氣壓力，那么p₁=Δp+p₀（p₀為大氣壓力）。但是如果我們將控制閥的位置向上游移動(dòng)單位長(zhǎng)度，由達(dá)西公式推導(dǎo)出，液體在單位長(zhǎng)度上的壓力損失為其中：p_L為壓力損失量；λ為沿程摩阻因數(shù)；l為管線長(zhǎng)度；d為管線直徑；υ為管線內(nèi)流體流速。所以，將控制閥位置上移后的閥前壓力可用p₁=Δp+p₀+p_L表示，這樣就在Δp保持不變的情況下增大了閥前閥后的壓力，也可以避免阻塞流的產(chǎn)生，來防止氣蝕出現(xiàn)。

    5）選擇多級(jí)控制閥

    GB/T17213.17標(biāo)準(zhǔn)中提供了多級(jí)控制閥的計(jì)算方法。多級(jí)控制閥就像將多個(gè)串聯(lián)的控制閥做成一個(gè)控制閥一樣。同時(shí)，從GB/T17213.17標(biāo)準(zhǔn)可以看出，多級(jí)控制閥的液體壓力恢復(fù)系數(shù)F_L≥0.97，所以在相同的壓力、壓差情況下也避免了氣蝕的產(chǎn)生。需要說明的是，使用多級(jí)控制閥時(shí)，阻塞流的判斷公式與普通控制閥不同，在GB/T17213．17標(biāo)準(zhǔn)有說明如圖4和圖5所示。

圖4 多級(jí)多通道控制閥

圖5 多級(jí)單通道控制閥

    5 結(jié)語(yǔ)

    阻塞流是氣蝕產(chǎn)生的必要條件，本文列舉了多種方法來避免阻塞流的產(chǎn)生，從而避免產(chǎn)生氣蝕。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)工藝狀況和經(jīng)濟(jì)投入情況選擇一種或多種方法并用的方式來避氣蝕產(chǎn)生。