控制閥空化現(xiàn)象的分析

陳棟（美卓自動化（上海）有限公司，200131）

控制閥空化現(xiàn)象的分析

陳棟
（美卓自動化（上海）有限公司，200131）

本文主要分析了空化現(xiàn)象的形成機(jī)理，空化現(xiàn)象對閥門和管路的破壞作用，以及空化現(xiàn)象所帶來的噪音問題，同時也探究了在實(shí)際應(yīng)用條件下，對于空化現(xiàn)象產(chǎn)生破壞的預(yù)估和防治方法。

控制閥；控制閥；空化現(xiàn)象；腐蝕；磨蝕；噪音

工業(yè)中的過程控制是指以溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)作為被控變量的自動控制?？刂崎y是過程控制中獲得優(yōu)異精確性的關(guān)鍵元器件。但由于高壓的存在，常使控制閥出現(xiàn)沖刷、閃蒸和空化的現(xiàn)象，這不但影響控制閥的選擇計(jì)算，還會引起噪音、振動和材質(zhì)的損壞，大大縮短控制閥的使用壽命，使其可靠性降低，進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致整個過程控制系統(tǒng)完全癱瘓，因此這是一個不可忽視的問題［1］。

本文將著重分析空化現(xiàn)象的形成機(jī)理，空化現(xiàn)象對閥門和管路的破壞作用，以及空化現(xiàn)象所帶來的噪音問題。

1 空化現(xiàn)象的產(chǎn)生

空化現(xiàn)象是在流體介質(zhì)為液體的情況下產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。本文通過一個簡單的流道孔板模型來展示流體通過控制閥時產(chǎn)生的壓力和速度的變化，并借此來闡述控制閥內(nèi)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象的原因。見圖1。

由圖1可知，流道面積在孔板處的減小會引起流體速度的增加，并且由流體的機(jī)械能守恒（伯努利方程）可知，其會導(dǎo)致相應(yīng)的流體壓力降低。壓力會在流束最小截面處（Vena Contracta，VC）降到最低，其中，流束最小截面的位置會發(fā)生在靠近孔板的下游處。當(dāng)閥門流束最小截面處的壓力Pvc低于液體氣化壓力Pv，并且閥門下游壓力P2高于Pv時，空化現(xiàn)象就產(chǎn)生了。

空化產(chǎn)生分為兩個階段。首先，當(dāng)流體壓力減小到低于液體氣化壓力時，氣泡會在流體內(nèi)形成。然后，流體壓力在通過流束最小截面后會恢復(fù)到高于液體氣化壓力，這就會造成氣泡的破裂。氣泡的破裂可以是噴射形式或是球狀形式的，兩者都會引起壓力的巨幅震動。見圖2。

如果氣泡很靠近或者緊貼著管壁，破裂會以噴射的形態(tài)產(chǎn)生，并且會瞬間造成大約104MPa大小的壓力震動。當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離管壁時，球狀破裂會在流體內(nèi)部產(chǎn)生，并造成大約103MPa大小的瞬間壓力震動。如果氣泡破裂時很靠近管壁，噴射流和破裂所引起的震動波就會造成管壁材料的屈服和破損。有空化現(xiàn)象破壞的管壁表面通常是粗糙并且松軟的。

空化現(xiàn)象引起的機(jī)械破壞一直和噪音的產(chǎn)生密切相關(guān)。最高程度的噪音通常發(fā)生在臨近閥門開始出現(xiàn)壅塞（choked）之前。當(dāng)壅塞發(fā)生之后，氣泡破裂的位置會向下游移動。空化所造成的破壞程度通常也與閥門和下游管路所選用的材質(zhì)與鍍層有關(guān)。

圖1 空化現(xiàn)象的發(fā)生

圖2 和氣泡破裂的類型

2 腐蝕和磨蝕

雖然空化破壞完全是力學(xué)現(xiàn)象，但也和腐蝕與磨蝕相關(guān)。在空化腐蝕中，噴射流或者震動波會破壞金屬表面的鈍化層，正是鈍化層的存在，才能使金屬有了抗腐蝕性。鈍化層被破壞后，下面的基材會被消耗來形成新的鈍化層，長此以往，會造成在空化發(fā)生處的金屬物料相當(dāng)可觀的損失。見圖3。

空化現(xiàn)象以及空化腐蝕引起的磨蝕，會使金屬材料的損耗和破壞大量增加。金屬材料會被空化和空化腐蝕的合力軟化，這就造成了磨蝕性磨損。磨蝕的程度通常由流體速度決定。二者關(guān)系如下：

其中，ε為物料損失量；K為常數(shù)；V為流體速度；n為磨損系數(shù)。

磨損系數(shù)在由空化腐蝕產(chǎn)生的磨蝕工況下，可選到7，而在常規(guī)磨蝕的工況下，通常為2.5左右。磨損也和材質(zhì)有很大關(guān)系，不銹鋼的耐磨性能要比碳鋼好一些。

在空化現(xiàn)象存在的工況下，需要格外注意選擇正確的閥芯類型和材質(zhì)，以避免空化腐蝕引起的磨蝕。

由公式1可知：

1）通過選用多級降壓的閥芯來降低閥門內(nèi)的流體速度，使流體通過閥芯時的速度降到最低；

2）通過選用不銹鋼或硬化處理的材質(zhì)可以減少磨損。

3 空化和噪音

空化現(xiàn)象發(fā)生的強(qiáng)度取決于閥門的型號和壓力等級，所以要簡單地給出一個不會發(fā)生空化現(xiàn)象的流體的絕對界限很困難。因此，結(jié)合噪音等級和臨界壓力降來預(yù)測空化現(xiàn)象的發(fā)生是更為合理的方式。

空化現(xiàn)象造成機(jī)械損壞的取決因素很多。一些不同的參數(shù)會影響空化破壞的程度，比如，閥門選用的材料、流體特質(zhì)、管路布置以及流體可能所含的固體顆粒等。發(fā)生空化現(xiàn)象時，閥門內(nèi)的壓力降叫做是臨界壓力降。當(dāng)實(shí)際的閥門內(nèi)壓力降等于或大于計(jì)算得到的臨界壓力降，同時下游壓力比液體氣化壓力來得更高時，空化現(xiàn)象所引起的破壞便很有可能真實(shí)發(fā)生，任何防護(hù)手段都應(yīng)當(dāng)考慮被使用。

另一方面，圖4表明空化現(xiàn)象其實(shí)在臨界壓力降到達(dá)之前就已經(jīng)開始發(fā)生，圖中曲線表示了一臺閥門的聲音壓力等級（sound pressure level，SPL）與（P1 -P2）/（P1 - Pv）的比率的關(guān)聯(lián)?？梢钥吹剑趯恿鲄^(qū)域，噪音等級很低，而在接下來的紊流區(qū)域，曲線會緩和地上升，當(dāng)流體壓差到達(dá)一個特定值（ΔP = Z（P1-Pv）時，聲壓曲線開始快速上升。閥門初始空化壓力系數(shù)Z對應(yīng)的是空化發(fā)生初期，Z是由制造商在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測得的流體噪音所決定的。這些參數(shù)通常會在閥門制造商的選型文件中體現(xiàn)。此時聲音壓力曲線上升的原因就是空化現(xiàn)象的發(fā)生。從實(shí)驗(yàn)室的測試中可以發(fā)現(xiàn)聲壓曲線開始上升要早于流體中的氣泡被實(shí)際觀察到。

當(dāng)閥門壓差ΔP接近于臨界壓力降ΔPT時，聲音壓力曲線會達(dá)到最大值。從圖中可知，此時，如果繼續(xù)增加（P1 -P2）/（P1 - Pv）的比率，將會使聲壓曲線再次降低。關(guān)于這點(diǎn)，可參見VDMA 24422（1979）的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的測定點(diǎn)在于閥門下游1米處，其他標(biāo)準(zhǔn)也有類似規(guī)定。當(dāng)閥門空化現(xiàn)象發(fā)生嚴(yán)重時，空化產(chǎn)生的氣泡會在遠(yuǎn)離閥門的下游管路中發(fā)生破裂。這就是為什么VDMA 24422（1979）說聲壓曲線會降低的原因。噪音不會消失，只是移動到了另一個地方（下游管路）中。所以即便氣泡的數(shù)量是增加的，但氣泡破裂發(fā)生的區(qū)域距離越長，噪音的強(qiáng)度也就越弱。從另一方面講，當(dāng)閥門壓差越大，流體會越接近于氣液混合的形態(tài)。

一臺在流體為液態(tài)工況下工作的閥門產(chǎn)生噪音，通常是發(fā)生了空化現(xiàn)象。空化產(chǎn)生的氣泡破裂引起了令人煩惱的噪音，而噪音的等級和空化現(xiàn)象的強(qiáng)度直接相關(guān)。在空化現(xiàn)象早期階段，噪音的聲響就像沙子通過閥門。當(dāng)通過閥門的壓差增大時，空化強(qiáng)度也會相應(yīng)增加，嚴(yán)重的空化伴隨著劇烈的噪音也就產(chǎn)生了?？栈胍艨梢员痪_地預(yù)估，因此，噪音等級便是空化引起的機(jī)械破壞的一個很好的指標(biāo)。

引起使閥門或管路受損的機(jī)械破壞的壓力降取決于閥門類型、尺寸以及材質(zhì)。大量的研究表明壓力恢復(fù)系數(shù)越低的閥門，越接近于達(dá)到臨界壓力降，同時不引起空化破壞現(xiàn)象。也就是說壓力恢復(fù)系數(shù)越低的閥門更可能達(dá)到臨界壓力降。當(dāng)然，當(dāng)ΔP＞ΔPT時，并不總意味著破壞的產(chǎn)生。當(dāng)閥門上下游壓差很小時，空化現(xiàn)象可能來不及發(fā)生。腐蝕當(dāng)然也是一個重要系數(shù)，這取決于所選用的閥門材質(zhì)以及流體介質(zhì)。

所以，當(dāng)預(yù)估空化現(xiàn)象發(fā)生的強(qiáng)度時，有兩個系數(shù)需要被考慮。

1）通過閥門的壓力降不能超過臨界壓力降（如果ΔP很小，ΔPT可以被超過，但管路和閥門的材質(zhì)選擇很重要）；

2）閥門的噪音等級不能超過表1中所給定的值。

有一點(diǎn)需要特別指出，即使聲壓等級低于表1中所推薦的值，但閥門上下游的壓差過大以至于超過臨界壓力降時，閥門依然有可能發(fā)生嚴(yán)重的空化現(xiàn)象。

圖3 鈍化層的破壞和修復(fù)

圖4 聲壓曲線

表1 噪音等級推薦值

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