控制阀空化

    阀门用于节流液体时压力参数与阀内件流体流速比较的权衡。
      控制阀选型时，压力参数的效率是否比阀内件流体流速重要？近来阀门制造行业对此问题的争论一直持续不断。
　　阀内件出口流体流速尽管在控制阀选型时是需要考虑的一个参数，但是它不会描述控制阀内发生的整个物理现象。因此，运用阀内件流体流速方法解决控制阀内可能出现的许多问题是靠不住的，在很多情况下，并不能提供最经济的解决方案。

空化
　　当纯液体通过控制阀节流后，如果流动液体的静压降低到低于该液体的饱和蒸汽压时，可能出现空化。此时，液体流动的连续性因部分液体气化形成气泡被打破了。由于控制阀都会表现某一压力恢复的特性，最终的下游压力通常高于节流孔喉口的静压。当下游压力高于流体的饱和蒸汽压时，蒸汽气泡溃裂回复为液体。这一两级转化的过程被称为空化。

　　蒸汽气泡的破裂可能引起高达100000psi的局部压力波。同样，在阀内出现空化期间，由于气泡的破裂是不均匀的，流体会形成微小喷射。高密度压力波与微小喷射对阀门表面的冲击同时发生，能够引发严重危害。空化的

危害导致阀芯和阀座面很快损坏，也会对阀体造成损坏（见照片）。它还会带来噪音和振动问题，构成安全隐患。因此必须了解和防止这种现象的发生，特别是遇到高压降情况时。在对控制阀内是否会出现空化进行预测时，有三个参数应当加以考虑：阀门入口压力（P1）、阀门出口压力（P2）和液体饱和蒸汽压（Pv）。空化危害的大小，很大程度上取决于这三个参数之间的相互关系。阀门两端的压降越高，Pv越是接近P2，空化的危害性越大。

阻塞流
　　阀门内的压力恢复是其特殊的内部几何条件的一个功能。一般来说，阀内结构流线型的条件越好，压力恢复会更频繁，从而增加了空化发生的可能性。空化开始时阀内的压降被称为临界压降。如果实际压降高于临界压降且下游压力高于液体的饱和蒸汽压时，会形成完全阻塞流。
　　在控制阀的ISA S75.01和IEC534-2标准中，完全阻塞流情况下阀门两端的临界压降可以根据图1的公式计算。公式清晰地描述，阀内件内的液体流速不是用来预测和确定完全阻塞流或完全空化的参数。阀门压降、液体饱和蒸汽压和阀门压力恢复系数是通常用来确定完全阻塞流和空化条件的参数。

西格玛方法
　　用来预测控制阀内空化危害的方法被称为“西格玛方法”。它是由ISA 75.23推荐的，并且以实验室试验和经验数据为基础。这种方法将“使用条件s值”与“阀门s值”比较，这是根据实验室针对危害的特殊的几何临界值的试验确定的（见图2）。
　　使用西格玛方法后，流体在阀内件内的流速不能用来预测空化的危害。西格玛方法依靠阀门两端的压降、液体的饱和蒸汽压、阀门尺寸和其他在实验室内对标准阀门进行测试确定的压力和阀门尺寸参数。

液体流速
　　流体在阀内件内的流速是通过图3所示公式计算得出的。对于多级阀内件而言，可利用每级阀内件两端的压降确定液体经过每级阀内件各自的流速。
　　阀内件内液体流速虽然由压降而定，但是由于液体饱和蒸汽压不包括在内，因此不能预测空化的发生和它造成的危害。换句话说，完成空化和它对阀门造成的危害的预测，必须参考临界压降计算和西格玛方法。

举例
　　假设阀内件液体流速分析不能解决控制阀内的空化问题。例如，假设水流过阀门有两个条件：
　　◆条件1－流量为900gpm，入口压力为2000psig，出口压力为1000psig，液体饱和蒸汽压为1psia。
　　◆条件2－流量为900gpm，入口压力为500psig，出口压力为3psig，液体饱和蒸汽压为1psia。
　　条件1中的压降（1000psi）高于条件2中的压降（497psi）。因此，根据阀内件液体流速分析和使用图3内的公式，条件1中所需的阀内件(阀内件内的弯道和分级更多)系数K比条件2的高，使阀内件液体流速达到理想的低流速，使阀内件避免受损害。
　　然而，条件2的空化比条件1的严重得多，因为条件2中的出口压力（3psig）比条件1中的出口压力（1000psig）更加接近液体的饱和蒸汽压（1psia）。
　　这说明阀内件液体流速分析不能预测控制阀内空化的危害，因为它完全依赖（P1-P2），缺少液体饱和蒸汽压参数（Pv）和P1、P2、Pv之间的关系。
　　下面是另一个例子：在许多应用中，硬使阀内件出口液体流速降低，例如，达到100ft/sec，可能显得非常保守，而且可能仍然不足以使阀门免受空化危害。使阀内件出口液体流速降低到100ft/sec，将有赖于多级阀内件，这样做的话，成本可能非常高，而且没有什么必要。

图2：这两个使用条件s和阀门s的公式说明阀内件流体流速不能用来预测空化的危害。

图3：当液

体饱和蒸汽压不包括在内时，计算液体流速的公式不能预测空化。

　　在这个例子中，介质是水，达到100鸉，流量达到200gpm，阀门入口压力P1=800psig，出口压力P2=200psig，液体的饱和蒸汽压Pv=1psia。此应用案例中选用的阀门可能是钻有小孔的2英寸单级笼式节流阀，阀门的压力恢复系数FL=0.94。
　　根据图1中的公式计算出，临界压降为707psig，大于阀门两端的压降600psig。因此，该阀门不存在阻塞流和空化。
　　在此应用案例中考虑采用西格玛方法。根据图2的公式可以计算出，使用条件s值是1.35，阀门s值是1.13。需要确定阀门s值的经验参数是通过在Masoneilan 流量实验室内对2英寸41005系列阀门进行测试后得出的。使用条件s值大于阀门s值；因此，西格玛方法预测，阀门将不会受到空化的危害。
　　另一方面，采用图3中K=1.6（钻孔用）的公式，该阀门内的阀内件出口液体流速约为236ft/sec——比某些阀门制造商强制规定的100ft/sec高得多。
　　这些例子表明，临界压降法和西格玛方法都证明，单级阀工作时将不会受到空化的危害，尽管阀内件出口液体流速远远高于100ft/sec。而且，上述应用案例选用的单级防空化阀比采用多级阀内件的阀门更经济。■

严重的空化危害导致阀芯和阀座面很快损坏，也会对阀体造成损坏。

文章编号：050706
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