闪蒸与气蚀.docx
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闪蒸与气蚀
闪蒸与气蚀
问题：
调节阀气蚀和闪蒸——理论的临界压力比
说明：
然而，问题就是在于找到一个预测的方法，对于在任何蒸气压下的流体来说，缩流处的压力比阀门的总压力低多少才能产生阻塞流。
为了在理论上说明这一点，对流体在阀门入口和缩流处之间的流动做一个热动力学过程的假定，即假设流体全是液体和阀门出口与入口的面积相等，则从阀门入口到出口的过程中各点的热始均相等。
然而，存在阻塞流，在缩流处必定会出现部分蒸气。
显然，流体速度比入口的要大得多。
因此，等焓过程的假定是不切合实际的。
恒熵或者等熵过程要求没有流体摩擦存在。
然而，对于流动着的流体来说，这是不可能的。
热力学教科书指出，流动流体在经受收缩和扩大的过程中产生摩擦损失，其绝大部分是出现在扩大的过程中。
因此，在收缩到缩流处的这种摩擦损失很小，这种事实证明了缩流为恒熵过程的假定。
除了恒熵假定之外，还假定阀门入口流体全是液体并且是饱和状态。
如果由于逐步降低缩流处的压力，致使通过阀门的流量不断增加，那么，可用下式计算出每个缩流压力下的最后混合品质。
（40）
式中
X——混合品质；
Svc=S1——在入口和缩流处流体的熵，英热单位/磅-℉；
Sf——缩流处压力下饱和液体的熵，英热单位/磅-℉；
Slg——缩流处压力下饱和蒸气和液体的熵差，英热单位/磅-℉。
因为混合品质己知，用比容代替熵，重新排列上述关系式，可以用来计算假定的每个缩流处压力下的缩流处的比容。
（41）
式中
Vvc——缩流处的比容，英尺3/磅；
Vf——缩流处压力下饱和液体比容，英尺3/磅；
Vfg——缩流处压力下饱和蒸气比容和液体比容的差值，英尺3/磅。
用这些数据可以描绘出一根确定压力和缩流处的流体比容之间的关系曲线，假定阀门入口压力为饱和压力。
图9表示上述的代表性曲线。
可以导出流体通过调节阀节流孔的理论质量流量的表达式：
（42）
式中
W/A——每单位流通面积的理论质量流量，磅/秒-英尺2。
g——重力加速度，英尺/秒2；
V——缩流处比容的积分上限，英尺3/磅；
Vvc——缩流处比容、英尺3/磅；
dPvc-——缩流压力差，磅/英尺2绝压。
因为在缩流处的比容和压力之间的数学关系是不知道的，上式中的积分必须在图上获得。
获得积分值，就能够算出各种缩流处压力下的W/A值，缩流处的压力可以从曲线图上标绘出。
这种曲线有一个陡峭的斜率，这是由于流体从饱和液体状态减少到缩流处的压力所致。
不管怎样，曲线斜率开始减少，随后进一步减少，直至最后斜率减少到零为止，则表明为理论的阻塞流状态。
回想一下，这种状态也曾为试验所测定（见图7）。
在缩流处的压力下，计算的质量流量会低于指示器指示的阻塞流流量，在表面上看来流量是减少了。
然而，实际上观测到的流量达到了阻塞流的状态，尽管阀门下游的压力进一步减小，仍保持这种流量。
图10描述了W/A相对于Pvc的代表性的曲线形状。
试验测定的阻塞流流量超过使用本章节列举的方法所计算的理论值。
在最大W/A值下的Pvc与Pv之比定义为理论的临界压力比，用符号rc表示。
这个比值适用于图10的整个曲线。
（43）
重新排列上面的方程式，可以看到，产生阻塞流所需的缩流处压力等于理论临界压力比和蒸气压的乘积。
（43a）
图11表示了蒸气压力从零到临界压力Pc的数值范围内，水的rc与Pv关系。
为了预测阻塞流在缩流处的压力，把适用的Pv标记在曲线图上，在纵座标上读出相应的rc值，就可得到rc值和记入值Pv的乘积。
在编制各种液体包括两种致冷剂、烃类和除水以外的单元素液体的这种曲线时，注意到这些曲线的形状以及rc值范围方面有明显相似的地方。
只要稍微牺牲一点精度就可以把这些曲线合并为一条曲线，如图12所示。
图12的横座标上表示Pv/Pc而不是Pv，若干常见的液体的临界压力Pc在表9中列出。
网名：
i-Cyes
时间：
2011-6-24 浏览：
348
在气蚀和闪蒸场合下调节阀选用的研究
标题：
在气蚀和闪蒸场合下调节阀选用的研究
作者：
马玉山
来源：
互联网
在一个完全不含有气体或蒸汽的液流中，经常会遇到两种现象，即气蚀和闪蒸（有些资料把气蚀称为空化）。
这种现象对于任何调节阀的综合性讨论都有重要的意义。
因为，这种现象的产生将影响到阀门大小的计算方法，可能引起噪音和振动，以及可能缩短调节阀零件和邻近的下游管线的使用寿命。
虽然，气蚀和闪蒸的定义之间有相似之处，但也有重要的差别。
1气蚀和闪蒸的定义及产生条件
气蚀是一种两阶段的现象，第一阶段是在液体中形成空腔（气泡）；第二阶段是这些空腔挤压破裂而恢复成为全部的液体状态。
有些关于气蚀的定义仅仅限于空腔的形成，但是从调节阀的观点来看，这似乎是不实际的定义。
因为，气蚀的最大影响和大多数的气蚀现象都是与空腔的破裂有直接的关系，而不是空腔的形成。
而闪蒸则是在气蚀的第一阶段形成的气泡（空腔）一直持续到通常发生破裂的下游，这个过程称为闪蒸。
下面通过讨论孔板的工作情况来说明这一问题（可以把孔板模拟为一个有一定开度的调节阀）。
如图1所示，当压力为P1的液体流经节流孔时，流速突然急剧增加，而静压力骤然下降，当孔后压力P2达到或者低于该液体所在情况下的饱和蒸汽压时，部分液体产生气化，形成气液两相共存的现象，在液体中产生空腔，这就是气蚀的第一个阶段。
从离开缩流孔的下游开始，液体磨擦引起流体减速，其结果使流体截面和压力都增加，这种速度与压力头之间的能量反向转换称之为“压力恢复”。
由于在缩流处减少到蒸气压所形成的气泡在压力增加的下游不可能存在，就会挤压破裂而恢复形成液体状态。
至此，气蚀过程完成。
如果下游配管系统的压力正好相当于或小于入口的蒸汽压，继续流入下游流体的蒸汽百分比会不断增加，流体速度持续增长其结果将产生闪蒸而不是气蚀[1]。
那么在调节阀中发生气蚀和闪蒸的条件是什么?
1.1对于气蚀
（1）入口和出口的流体必须全都是液体，即在调节阀的配管上游和下游附近没有蒸气存在。
（2）在入口，液体必须是一种过冷状态，显然在入口，如果这种流体全都是液体，而且又是饱和状态，发生在阀上的任何压力降都将引起在下游位置产生蒸汽。
（3）阀门出口压力必须是液体蒸汽压。
可以设想，如果下游位置出现饱和，而且全都是液体状态，将可能存在气蚀。
1.2对于闪蒸
（1）入口流体必须全都是液体，而在阀门出口必定存在若干蒸汽。
显然，如果在入口就有蒸汽，产生于阀门上的任何差压必将导致形成附加蒸汽。
首先，要规定在阀门入口处没有蒸汽，因为，当入口流体含有蒸汽时，计算阀门大小的方法就非常复杂。
（2）入口流体可以是饱和的或过冷状态。
（3）阀门出口压力必须等于或低于液体的蒸汽压。
2气蚀和闪蒸的损害
气蚀损害点是发生在非常接近气泡破裂的地方。
曾有研究者发现，在气泡破裂时压力高达689MPa。
一种理论认为，从每个气泡破裂产生的冲击波会向四周发射，当这些冲击波发生于邻近的固体边界层时，就产生一种高度挤压和连续不断的小撞击，任何一个确定的表面增量都会受到重复冲击趋向于疲劳，直至达到疲劳极限，使细小金属层脱落。
气泡在离开固体表面有足够距离的地方破裂，可以认为不会产生物理损坏，因为，它们的能量被流动的流体吸收了。
所以，在实际使用中，经常出现阀内件遭严重损害的现象，也就不足为奇了。
气蚀损害具有煤渣似的粗糙外形的独特特点，这种损坏与大多数其他类型的流动损坏有明显的区别[2]。
闪蒸的影响主要是物理损坏，与气蚀的煤渣似粗糙外形相比，它有一个非常光滑的外形，这种外形常常比得上细的喷砂表面，这种损坏过程也非常类似喷砂过程。
就蒸液体而言，蒸汽体积常常是大于液体体积，以至于使液滴趋向于达到蒸汽的速度。
液滴冲击表面如同固体颗粒冲击表面一样，虽然材料的损坏脱落程度不一样，但还是足以使材料损坏脱落。
就调节阀而言，不论是气蚀还是闪蒸都会造成以下几方面的损害。
2.1材质的损坏
前面叙及由于气泡破裂会产生极大的冲击力，足以严重地冲击损伤阀座、阀芯、阀体，尤其在高压差的情况下，就连极硬的阀芯、阀座也只能使用很短的时间。
2.2振动
气蚀和闪蒸还带来阀芯的振动，这种振动包括垂直振动和水平振动，它们分别来自流体对阀芯的垂直撞击与水平撞击，其结果造成机械磨损和破坏，调节阀控制不可靠，阀杆折断。
2.3噪声
噪声一般来自三个方面：
阀芯振动造成的噪声；气蚀造成的噪声；高速气体造成的气体动力噪声。
3气蚀和闪蒸对液体CV值的计算
在一般流动状态下，液体的计算公式是比较简单的，但如果出现气蚀和闪蒸的情况，计算就变得复杂起来。
过去在设计时考虑这种影响后采用的方法：
①按不产生闪蒸情况计算之后，再按CV值表选用大一档的阀体部件；②根据液体闪蒸的百分比，分别计算气体和液体两相的CV值后再相加；③选用与工艺管道直径相同的阀体部件；④用临近压差或闪蒸密度法。
过去采用的各种方法，都考虑到闪蒸后由于液体气化而产生的体积膨胀现象，但这只是从理论上考虑，却忽视了阀体部件结构中由于压力恢复所引起的阻塞问题，这样计算出来的CV值偏差较大，影响调节系统的质量。
新的理论认为：
流经阀体部件的流量和压差之间的关系如图2所示。
当压差较小，没有出现液体气化时，流量和压差的平方根关系成正比。
当缩流处的压力降低到液体饱和蒸汽压时，产生蒸汽气泡，流量和压差的平方根关系被破坏。
压差越大，气化越严重，最终导致了阻塞流。
从图2中看出，其关系曲线分成两部分：
在开始阶段qv正比于（ΔP）1/2，是正常流动，超过临界
值后，就会出现阻塞流，这就是说，当PVc=PV时，阀内开始出现阻塞；当PVc比PC低到一定程度时才形成阻塞流，其关系为
FL=[ΔPT/（P1-FFPV）]1/2
（1）
式中FL为压力恢复系数；ΔPr为产生阻塞流时阀上的压差，kPa；PV为液体的饱和蒸汽压力，kPa；FF为临界压力比。
产生阻塞流时，介质不同，其偏离PV的程度也不同。
根据试验，FF值与饱和蒸汽压力PV和临界压力PC的比值有关，其关系曲线如图3所示。
FF值可以根据各种介质的临界压力（表1）查取，也可由下式计算，
FF=0.96-0.28（PV/PC）1/2
（2）
表1临界压力PC值
名称
分子式
PC×102/kPa
TC/K
氩
AR
49.7
150.8
氯
Cl2
77.9
417
氟
F2
53.1
144.3
氯化氢
HC1
83.9
324.6
氢
H2
13.9
33.2
水
H2O
221
647.3
氨
NH2
114
405.6
二氧化碳
CO2
74.7
304.2
由1式和2式可知
ΔPT=F2L（P1-FFPV）=F2L[P1-（0.96-0.28（PV/PC）1/2）PV]
利用上式可以判定阀内是否产生阻塞流，是否出现闪蒸或气蚀现象。
如果ΔP>ΔPT时，则产生阻塞流；如果当P22>PV时，则出现气蚀现象。
阀体部件一旦出现闪蒸或气蚀，必然处在阻塞流工作状态。
因此，要用临界压差ΔP1计算CV值，计算公式为
CV=10qv[ρ/F2L（P1-FTPV）]1/2 （3）
式中qv为液体状态下的体积流量；ρ为液体状态下的密度。
例1已知水流量qv=100m3，ρ=0.97g/cm3，t1=80℃，P1=11.7×102kPa，P2=5×102kPa，PV=0.47×102kPa，PC=221×102kPa试选择阀体部件并计算CV值。
（1）第一方案：
FT=0.96-0.28（PV/PC）1/2=0.95，所以，ΔPT=F2L（P1-FTPV）=3.66×102kPa.因为，ΔP>ΔPT，P1>PV，故有气蚀现象，流量系数计算为
CV=10qv[ρ/F2L（p1-FTPV]1/2=51.5
（2）第二方案：
使用流开状态的直通双座阀，查表得FL=0.90；
ΔPT=F2L（P1-FTPV）=9.11×102kPa。
因为，ΔP<ΔPT，故不会产生气蚀，也不会出现阻塞流。
流量系数计算为
CV=10qv（ρ/ΔP）1/2=38
由此可见，调节阀的选用与介质流动状况有密切联系，调节阀选用合适，可以避免气蚀和闪蒸，避免不必要的浪费。
4如何克服气蚀和闪蒸造成的损害
4.1从压力上考虑
避免气蚀的根本方法是不让阀体部件的使用压差大于最大允许压差。
最大允许压差用ΔPT表示为
ΔPT=KC（P1-PV），（4）
式中P1为阀前压力（kPa）；KC为气蚀系数，KC值因介质种类、阀芯形状、阀体结构和流向而不同，口径越大，KC越小，一般情况下，KC=0.25~0.65。
为了不使阀体部件在气蚀条件下工作，必须使ΔP<ΔPT，如果因工艺条件的限制必须使ΔP>ΔPT，可以串联两个以上的阀体部件，使压差分配在两个阀体部件上，使每个阀体部件的压差ΔP都小于ΔPT，这样就可以避免气蚀。
必须指出，当ΔP<2.5MPa时，即使产生气蚀现象，对材质的破坏也不严重，因此，不需要采用什么特殊措施。
如果压差较高，就要设法避免和解决气蚀问题，如对角形阀采用侧进流体，阀芯寿命就比底进流体时长，因为避免了密封面的直接破坏。
另外，在阀前阀后安装限流孔也可以吸收一些压降。
4.2从材质上考虑
一般情况下，材料越硬，抗蚀能力越强，但至今仍没有找到长时间抵抗严重气蚀作用而不受损害的材料。
因此，在有气蚀作用的情况下，应该考虑到阀芯、阀座易于更换。
目前，制造阀芯、阀座的材料从抗气蚀的角度出发，国内外使用最广泛的是司钛莱合金、硬化工具钢和钴钨合金钢，特殊的表面要进行硬化处理。
当用司钛莱合金时，可在这些不锈钢基体上进行堆焊和喷焊，以形成硬化表面。
按不同的使用条件，硬化表面可局限于阀座、阀芯和阀座的封线处，也可以在整个表面或阀芯导向处（图4）。
4.3从结构上考虑
可设计特殊结构的阀芯、阀座，以避免气蚀的破坏作用。
其基本原理是使高速流体通过阀芯、阀座时，每一点都高于在该温度下的饱和蒸汽压，或者使液体本身相互碰撞，在流路间导致高速紊流，使阀体部件中液体的动能由于磨擦而变为热能，因此，减少气泡的形成率。
（1）采用逐级降压原理，把阀体部件总的压差分成几个小压差，逐级降压，每一级都不超过临界压差，如图5所示。
（2）利用液流的多孔节流原理，减少气蚀的发生。
这类阀体部件的特点是在阀体部件的套筒壁上或阀芯上开有许多特殊形状的孔（图6）。
当液体从各个小孔喷射进去后，在套筒中心相互碰撞，一方面出于碰撞消耗能量，起到缓冲作用；另一方面，因气泡的破裂发生在套筒中心，这样，就避免了对阀芯和套筒的直接破坏。
参考文献：
[1]HutchisonJW.TSAhangbookofcontrolvalves[J].Instrumentsocietyofamerica，1976，（4）：
15.
[2]张永德.过程控制装置[M]，北京：
化学工业出版社，2000.3.
在调节阀的使用过程中，气蚀与闪蒸是难以避免的现象，尤其在压差较大的场合。
气蚀和闪蒸会严重损害调节阀的密封面，造成调节阀密封面泄露，甚至丧失调节能力。
所以，调节阀在设计阶段就要根据现场技术要求，进行合理的设计。
那么，有哪些方法可以避免调节阀的气蚀和闪蒸呢？
1、从压力上考虑
避免气蚀的根本方法是不让阀体部件的使用压差大于最大允许压差。
最大允许压差用ΔPT表示为
ΔPT=KC（P1-PV），（4）
式中P1为阀前压力（kPa）；KC为气蚀系数，KC值因介质种类、阀芯形状、阀体结构和流向而不同，口径越大，KC越小，一般情况下，KC=0.25~0.65。
为了不使阀体部件在气蚀条件下工作，必须使ΔP<ΔPT，如果因工艺条件的限制必须使ΔP>ΔPT，可以串联两个以上的阀体部件，使压差分配在两个阀体部件上，使每个阀体部件的压差ΔP都小于ΔPT，这样就可以避免气蚀。
必须指出，当ΔP<2.5MPa时，即使产生气蚀现象，对材质的破坏也不严重，因此，不需要采用什么特殊措施。
如果压差较高，就要设法避免和解决气蚀问题，如对角形阀采用侧进流体，阀芯寿命就比底进流体时长，因为避免了密封面的直接破坏。
另外，在阀前阀后安装限流孔也可以吸收一些压降。
2、从材质上考虑
一般情况下，材料越硬，抗蚀能力越强，但至今仍没有找到长时间抵抗严重气蚀作用而不受损害的材料。
因此，在有气蚀作用的情况下，应该考虑到阀芯、阀座易于更换。
目前，制造阀芯、阀座的材料从抗气蚀的角度出发，国内外使用最广泛的是司钛莱合金、硬化工具钢和钴钨合金钢，特殊的表面要进行硬化处理。
当用司钛莱合金时，可在这些不锈钢基体上进行堆焊和喷焊，以形成硬化表面。
按不同的使用条件，硬化表面可局限于阀座、阀芯和阀座的封线处，也可以在整个表面或阀芯导向处（见图4）。
3、从结构上考虑
可设计特殊结构的阀芯、阀座，以避免气蚀的破坏作用。
其基本原理是使高速流体通过阀芯、阀座时，每一点都高于在该温度下的饱和蒸汽压，或者使液体本身相互碰撞，在流路间导致高速紊流，使阀体部件中液体的动能由于磨擦而变为热能，因此，减少气泡的形成率。
（1）采用逐级降压原理，把阀体部件总的压差分成几个小压差，逐级降压，每一级都不超过临界压差，如图5所示。
（2）利用液流的多孔节流原理，减少气蚀的发生。
这类阀体部件的特点是在阀体部件的套筒壁上或阀芯上开有许多特殊形状的孔（图6）。
当液体从各个小孔喷射进去后，在套筒中心相互碰撞，一方面出于碰撞消耗能量，起到缓冲作用；另一方面，因气泡的破裂发生在套筒中心，这样，就避免了对阀芯和套筒的直接破坏。
调节阀的闪蒸和气蚀2009-2-118:
45:
35来源：
浙江金锋自动化仪表有限公司>>进入该公司展台调节阀作为过程控制系统中的终端部件，是最常用的一种执行器。
在调节阀内流动的液体出现闪蒸和气蚀两种现象。
它们的发生不但影响口径的选择和计算，而且将导致严重的噪声、振动、材质的破坏等。
在这种情况下调节阀的使用寿命缩短，工作可靠性下降，进而引起工艺系统和装置生产率的大幅下降。
因此在应用调节阀时必须引起重视，做到正确选择，合理使用。
1闪蒸和气蚀
正常情况下，作为液体状态的介质，流入、流经、流出调节阀时均保持流液态，其压力变化曲线如图1中
（1）所示。
闪蒸作为液体状态的介质，流入调节阀时是液态，在流经调节阀中的缩流处时流体的压力低于气化压力Pvapor，液态介质变成气态介质，并且它的压力不会再回复到气化压力之上，流出调节阀时介质一直保持气态。
其压力曲线如图1中的
（2）所示。
闪蒸就象一种喷沙现象，它作用在阀体和管线的下游部分，给调节阀和管道的内表面造成严重的冲蚀，同时也降低了调节阀的流通能力。
气蚀作为液体状态的介质，流入调节阀时是液态，在流经调节阀中的缩流处时流体的压力低于气化的压力，液态介质变成气态介质，随后它的压力又恢复到气化压力Pvapor之上，最后在流出调节阀前介质又变成液态。
其压力变化曲线如图1中（3）所示。
可以根据一些现象来初步判断气蚀的存在。
当气蚀开始时它会发出一种嘶嘶声，当气蚀发展完全稳定时，调节阀中会发出嘎嘎的声音，就象有碎石在流过调节阀时发出的声响。
气蚀对调节阀内件的损害也是很大的，同时它也降低了调节阀的流通效能，就象闪蒸一样。
因此，我们必须采取有效的措施来防止或者最大限度地减少闪蒸或气蚀的发生。
尽量将调节阀安装在系统的最低位置处，这样可以相对提高调节阀入口P1和出口P2的压力，如图2所示。
在调节阀的上游或下游要装一个截止阀或者节流孔板来改变调节阀原有的安装压降特性，这种方法一般对于小流量情况比较有效，如图3所示。
选用专门的反气蚀内件也可以有效地防止闪蒸或气蚀，它可以改变流体在调节阀内的流速变化，从而增加了内部压力。
尽量选用材质硬性好的调节阀，因为在发生气蚀时，这样的调节阀有一定的抗冲蚀性和耐磨性，可以在一定的条件下让气蚀存在，并且不会损坏调节阀的内件。
相反，对于软性材质的调节阀，由于它的抗冲蚀性和耐磨性较差，当发生气蚀时，调节阀的内部构件很快就会被磨损，因而无法在有气蚀的情况下正常工作。
总之，目前还没有什么工程材料能够适应严重条件下的气蚀情况，只能针对客观情况来综合分析，选择一种相对比较合理的解决方法。
2结语
调节阀的选型和应用是一个专业性强，涉及的技术领域广的系统工作，要做好这个工作，不仅要
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