有关控制阀空化现象分析

卡麓湖路

工业中的过程控制是指以温度、压力、流量等工艺参数作为被控变量的自动控制。控制阀是过程控制中获得优异精确性的关键元器件。但由于高压的存在，常使控制阀出现冲刷、闪蒸和空化的现象，这不但影响控制阀的选择计算，还会引起噪音、振动和材质的损坏，大大缩短控制阀的使用寿命，使其可靠性降低，进而引起工艺系统装置的生产效率大幅度下降，严重时可能导致整个过程控制系统完全瘫痪，因此这是一个不可忽视的问题。

本文将着重分析空化现象的形成机理，空化现象对阀门和管路的破坏作用，以及空化现象所带来的噪音问题。

1.空化现象的产生

空化现象是在流体介质为液体的情况下产生的一种现象。本文通过一个简单的流道孔板模型来展示流体通过控制阀时产生的压力和速度的变化，并借此来阐述控制阀内产生的空化现象的原因。见图1。

      由图1可知，流道面积在孔板处的减小会引起流体速度的增加，并且由流体的机械能守恒（伯努利方程）可知，其会导致相应的流体压力降低。压力会在流束最小截面处（VenaContracta，VC）降到最低，其中，流束最小截面的位置会发生在靠近孔板的下游处。当阀门流束最小截面处的压力Pvc低于液体气化压力Pv，并且阀门下游压力P2高于Pv时，空化现象就产生了。

      空化产生分为两个阶段。首先，当流体压力减小到低于液体气化压力时，气泡会在流体内形成。然后，流体压力在通过流束最小截面后会恢复到高于液体气化压力，这就会造成气泡的破裂。气泡的破裂可以是喷射形式或是球状形式的，两者都会引起压力的巨幅震动。见图2。

      如果气泡很靠近或者紧贴着管壁，破裂会以喷射的形态产生，并且会瞬间造成大约104MPa大小的压力震动。当气泡远离管壁时，球状破裂会在流体内部产生，并造成大约103MPa大小的瞬间压力震动。如果气泡破裂时很靠近管壁，喷射流和破裂所引起的震动波就会造成管壁材料的屈服和破损。有空化现象破坏的管壁表面通常是粗糙并且松软的。

      空化现象引起的机械破坏一直和噪音的产生密切相关。最高程度的噪音通常发生在临近阀门开始出现壅塞（choked）之前。当壅塞发生之后，气泡破裂的位置会向下游移动。空化所造成的破坏程度通常也与阀门和下游管路所选用的材质与镀层有关。

2.腐蚀和磨蚀

     虽然空化破坏完全是力学现象，但也和腐蚀与磨蚀相关。在空化腐蚀中，喷射流或者震动波会破坏金属表面的钝化层，正是钝化层的存在，才能使金属有了抗腐蚀性。钝化层被破坏后，下面的基材会被消耗来形成新的钝化层，长此以往，会造成在空化发生处的金属物料相当可观的损失。见图3。

     空化现象以及空化腐蚀引起的磨蚀，会使金属材料的损耗和破坏大量增加。金属材料会被空化和空化腐蚀的合力软化，这就造成了磨蚀性磨损。磨蚀的程度通常由流体速度决定。二者关系如下：

ε=KVn   （1）

     其中，ε为物料损失量；K为常数；V为流体速度；n为磨损系数。

     磨损系数在由空化腐蚀产生的磨蚀工况下，可选到7，而在常规磨蚀的工况下，通常为2.5左右。磨损也和材质有很大关系，不锈钢的耐磨性能要比碳钢好一些。

     在空化现象存在的工况下，需要格外注意选择正确的阀芯类型和材质，以避免空化腐蚀引起的磨蚀。

由公式1可知：

    1）通过选用多级降压的阀芯来降低阀门内的流体速度，使流体通过阀芯时的速度降到最低；

    2）通过选用不锈钢或硬化处理的材质可以减少磨损。

3.空化和噪音

     空化现象发生的强度取决于阀门的型号和压力等级，所以要简单地给出一个不会发生空化现象的流体的绝对界限很困难。因此，结合噪音等级和临界压力降来预测空化现象的发生是更为合理的方式。

     空化现象造成机械损坏的取决因素很多。一些不同的参数会影响空化破坏的程度，比如，阀门选用的材料、流体特质、管路布置以及流体可能所含的固体颗粒等。发生空化现象时，阀门内的压力降叫做是临界压力降。当实际的阀门内压力降等于或大于计算得到的临界压力降，同时下游压力比液体气化压力来得更高时，空化现象所引起的破坏便很有可能真实发生，任何防护手段都应当考虑被使用。

     另一方面，图4表明空化现象其实在临界压力降到达之前就已经开始发生，图中曲线表示了一台阀门的声音压力等级（soundpressurelevel，SPL）与（P1–P2）/（P1–Pv）的比率的关联。可以看到，在层流区域，噪音等级很低，而在接下来的紊流区域，曲线会缓和地上升，当流体压差到达一个特定值（ΔP=Z（P1-Pv））时，声压曲线开始快速上升。阀门初始空化压力系数Z对应的是空化发生初期，Z是由制造商在实验室环境下测得的流体噪音所决定的。这些参数通常会在阀门制造商的选型文件中体现。此时声音压力曲线上升的原因就是空化现象的发生。从实验室的测试中可以发现声压曲线开始上升要早于流体中的气泡被实际观察到。

      当阀门压差ΔP接近于临界压力降ΔPT时，声音压力曲线会达到最大值。从图中可知，此时，如果继续增加（P1–P2）/（P1–Pv）的比率，将会使声压曲线再次降低。关于这点，可参见VDMA24422（1979）的标准，该标准的测定点在于阀门下游1米处，其他标准也有类似规定。当阀门空化现象发生严重时，空化产生的气泡会在远离阀门的下游管路中发生破裂。这就是为什么VDMA24422（1979）说声压曲线会降低的原因。噪音不会消失，只是移动到了另一个地方（下游管路）中。所以即便气泡的数量是增加的，但气泡破裂发生的区域距离越长，噪音的强度也就越弱。从另一方面讲，当阀门压差越大，流体会越接近于气液混合的形态。

      一台在流体为液态工况下工作的阀门产生噪音，通常是发生了空化现象。空化产生的气泡破裂引起了令人烦恼的噪音，而噪音的等级和空化现象的强度直接相关。在空化现象早期阶段，噪音的声响就像沙子通过阀门。当通过阀门的压差增大时，空化强度也会相应增加，严重的空化伴随着剧烈的噪音也就产生了。空化噪音可以被精确地预估，因此，噪音等级便是空化引起的机械破坏的一个很好的指标。

       引起使阀门或管路受损的机械破坏的压力降取决于阀门类型、尺寸以及材质。大量的研究表明压力恢复系数越低的阀门，越接近于达到临界压力降，同时不引起空化破坏现象。也就是说压力恢复系数越低的阀门更可能达到临界压力降。当然，当ΔP>ΔPT时，并不总意味着破坏的产生。当阀门上下游压差很小时，空化现象可能来不及发生。腐蚀当然也是一个重要系数，这取决于所选用的阀门材质以及流体介质。

      所以，当预估空化现象发生的强度时，有两个系数需要被考虑。

      1）通过阀门的压力降不能超过临界压力降（如果ΔP很小，ΔPT可以被超过，但管路和阀门的材质选择很重要）；

      2）阀门的噪音等级不能超过表1中所给定的值。

     有一点需要特别指出，即使声压等级低于表1中所推荐的值，但阀门上下游的压差过大以至于超过临界压力降时，阀门依然有可能发生严重的空化现象。

4.结论

     空化现象的爆破力足以使阀内部件（特别是阀芯）遭到极其严重的破坏，严重的空化作用只需几小时调节阀就损坏了，以致于调节过程失控，产生重大安全事故。因此，在进行控制工程设计时，应充分考虑到防止空化现象的出现。特别对高压力降工况、低挥发性介质控制的场合，在防止空化作用方面要给予足够的重视。