控制阀气蚀产生的原因及避免方法

    1 引言

    控制阀在工业过程控制中起着重要的作用，但是在液体压力或流量控制中常会遇到控制阀闪蒸和气蚀的问题。气蚀将在破坏控制阀和管线的材质，直接影响控制阀的使用寿命和工艺控制的安全。本文从控制阀闪蒸和气蚀产生的原因分析入手，提出几项避免控制阀产生气蚀的方法。

    2 气蚀产生的原因

    在一个大气压环境中，水在100℃时沸腾，水从液态转化为气态，整个水体内部不断涌现大量气泡，并逸出水面。在常温下（20℃），若使压强降低到水的饱和蒸汽压强2.4kPa（绝对压强）以下时，则水也沸腾。通常将这种现象称为空化，以示和真正的沸腾相区别，此时水中的气泡称为空泡。常把在管道中由于低压产生的空化叫做闪蒸。当管道中的空泡进入压强较高的区域时将突然溃灭，空泡溃灭的时间仅是毫秒级，空泡在溃灭时形成一股微射流，局部压强可达到800MPa，这会使壁面材料疲劳损坏。这种现象我们称之为气蚀或空蚀。

    现以水为例说明控制阀产生气蚀的原因。简化的控制阀管路图，如图1所示。

图1 控制阀流态图

    控制阀阀芯处截流，使过流断面减小，由1-1到2-2过流断面的总流伯努利方程：

    其中：z₁为过流断面1-1的形心高度；z₂为过流断面2-2的形心高度；g为重力加速度；p₁为过流断面1-1的形心处的压强（绝压）；p₂为过流断面2-2的形心处的压强（绝压）；υ₁为过流断面1-1的形心处的流速；υ₂为过流断面2-2的形心处的流速；Y为液体的重度；h_L为总水头损失。

    因1-1和2-2的过流断面的形心位置于同一水平线上（若不在同一水平线上，因1-1到2-2距离较近可近似认为在同一水平线上），即z₁=z₂，所以有，那么p₂=，随着过流断面2-2的减小，将增大，γh_L也将随之增大，当增大到一定值时，p₂将低于其所在温度下的水的饱和蒸气压，这时水将气化产生空泡（即闪蒸现象）。当含有空泡的水从过流断面2-2流至3-3时，由于过流断面突然增大，υ₃将减少，那么p₃将大于水的饱和蒸气压，水中包含的空泡将被溃灭，这就是气蚀。

    3 阻塞流的产生及影响

    控制阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，对于不可压缩流体，由能量守恒原理可知，控制阀上的水头损失，式中，h_L为控制阀上水头损失；ε为控制阀局部水头损失因数（随阀门开度面变化）；g为重力加速度；υ为流体的平均速度，υ=Q/S；ρ为流体密度；p₁为控制阀上游取压口的压力（绝对压力）；p₂为控制阀下游取压口的压力（绝对压力）；Δp为控制阀上、下游取压口的压力差，Δp=p₁-p₂；Q为流体体积流量；S为控制阀流通面积。

    所以上面水头损失的等式可变为

    当控制阀开度不变的情况下，如果保持控制阀前压力不变，当逐渐减少控制阀后压力时，流过控制阀的流量将随等比增大。但是当控制阀后压力减小到一定数值时，阀前阀后差大于时，流过控制阀的流量不再随等比而增大，这时的流态被称为阻塞流如图2所示。

图2 恒定时的关系曲线

    阻塞流不一定会发生闪蒸（空化）或气蚀现象，但闪蒸或气蚀一定发生在阻塞流情况下，所以阻塞流是产生闪蒸或气蚀的必要条件，如果避免了阻塞流的产生就从根本上避免气蚀产生。GB/T17213.2标准中判断是否为阻塞流的依据是Δp与之间的关系，当F_Fp_v）时为非阻塞流，当时为阻塞流。

    其中，Δp为控制阀上、下游取压口的压力差p₁-p₂；p₁为控制阀上游取压口的压力（绝对压力）；p²为控制阀下游取压口的压力（绝对压力）；F_L为无附接管件控制阀的液体压力恢复系数；F_F为液体临界压力比系数；p_v为入口温度下液体的饱和蒸气压力（绝对压力）；p_c为热力学临界压力（绝对压力）。

    4 避免气蚀产生的方法

    要从根本上避免气蚀需避免阻塞流，根据阻塞流判断公式可知，要为了使成立，应当减小Δp和F_Fp_v，增大F_L和p₁；所以可以用以下几种方法避免气蚀的产生。

    1）降低介质的饱和蒸汽压

    根据GB/T17213.2说明，F_F可由公式FF=0.96-0.28近似求得，且可知0.65＜F_F＜1。以水为例，不同温度下水的饱和蒸气压力，水的饱和蒸气压力p_v的变化率远大于F_F的变化率，所以若要减小F_Fp_v的值，可以通改变介质当前温度来降低介质的饱和蒸汽压力，从而减小FFpv的值，避免阻塞流的产生。这种方法可以用在热交换器热源或被加热液体的流量控制，以水为热源为例，控制阀应安装在热源的入口（入口水的饱和蒸汽压力比出口的略高），见表1。

表1 不同温度下水的饱和蒸气压力

    2）串联控制阀

    通过2个串联的控制阀共同实现流量和压力控制是避免气蚀产生的有效方法。串联的本质意义在于它减小了Δp。设2个串联控制阀中第1个阀阀后压力为p_m，则对控制阀1来说Δp₁=p₁-p_m，对控制阀2来说Δp₂=p_m-p₂，Δp₁=Δp₂-Δp₂。所以通过合理的选择p_m可以用两个串联的控制阀来替换一个会产生气蚀的控制阀如图3所示。

图3 控制阀串联示意图

    3）选择控制阀的阀内件类型和流向

    F_L是无附接管件的液体压力恢复系数。该系数表示阻塞流条件下阀体内几何形状对阀容量的影响。它定义为阻塞流条件下的实际最大流量与理论上非阻塞流条件下的流量之比。系数F_L可以由符合GB/T17213.9的试验来确定。在GB/T17213.2中列出了几种常用类型的控制阀的F_L值。从表中我们可知不同类型的控制阀的F_L值不同，即使相同类型的控制阀，其阀内件类型不同或流向不同，其F_L值也不相同。我们通过选择不同类型的控制阀，并选择合适的阀内件类型和流向，来使F_L较大，这样也可以避免阻塞流的产生。如蝶阀的F_L均小于0.7，球形柱塞型阀芯流开式控制阀的F_L为0.9。

    4）提高控制阀阀前阀后压力

    这里所说的提高控制阀阀前阀后压力，指的不是改变Δp的值，因为有时工艺状况要求的Δp必须是某一数值，在这种情况下，提高控制阀阀前阀后压力实际上就是改变控制阀的安装位置。例如在长距离输水路线上，如果在某一条线路上，必须完成Δp的压降，如果控制阀安装在终点附近，若终点要求压力接近大气压力，那么p₁=Δp+p₀（p₀为大气压力）。但是如果我们将控制阀的位置向上游移动单位长度，由达西公式推导出，液体在单位长度上的压力损失为其中：p_L为压力损失量；λ为沿程摩阻因数；l为管线长度；d为管线直径；υ为管线内流体流速。所以，将控制阀位置上移后的阀前压力可用p₁=Δp+p₀+p_L表示，这样就在Δp保持不变的情况下增大了阀前阀后的压力，也可以避免阻塞流的产生，来防止气蚀出现。

    5）选择多级控制阀

    GB/T17213.17标准中提供了多级控制阀的计算方法。多级控制阀就像将多个串联的控制阀做成一个控制阀一样。同时，从GB/T17213.17标准可以看出，多级控制阀的液体压力恢复系数F_L≥0.97，所以在相同的压力、压差情况下也避免了气蚀的产生。需要说明的是，使用多级控制阀时，阻塞流的判断公式与普通控制阀不同，在GB/T17213．17标准有说明如图4和图5所示。

图4 多级多通道控制阀

图5 多级单通道控制阀

    5 结语

    阻塞流是气蚀产生的必要条件，本文列举了多种方法来避免阻塞流的产生，从而避免产生气蚀。在实际设计过程中，设计者应当根据工艺状况和经济投入情况选择一种或多种方法并用的方式来避气蚀产生。