閥門汽蝕

閥門汽蝕
本文比較分析了三種控制閥汽蝕損害的診斷方法，建議在閥門選型時(shí)，充分利用法則，控制出口流速，
避免或降低閥門的損壞程度。
控制閥在流體工業(yè)中發(fā)揮著重大作用。如今，隨著裝置節(jié)能減排、提高效益、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、減少控
制閥備件、快速的售后服務(wù)響應(yīng)等要求的逐步提高，用戶愈來(lái)愈 重視如何優(yōu)化、選擇及使用控制閥這一問(wèn)
題。這是由于控制閥在裝置中扮演執(zhí)行器的角色，直接決定著裝置的運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因控制閥自身故障
而導(dǎo)致裝置停車 的比例高達(dá) 65%，控制閥選型的好壞也決定了其生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
回顧近 5 年來(lái)，控制閥技術(shù)發(fā)展迅速，一些世界領(lǐng)先級(jí)控制閥廠家紛紛推出了在特殊情況下應(yīng)用的閥
門，例如耐高溫、高壓差、汽蝕、閃蒸、部分顆粒介質(zhì)磨蝕、 高噪音等工況；同時(shí)，智能診斷型定位器陸
續(xù)問(wèn)世，通過(guò)定位器可以對(duì)閥門進(jìn)行良好的實(shí)時(shí)檢測(cè)、提供維護(hù)報(bào)警信息、優(yōu)化閥門使用。毋庸置疑，上述
技術(shù)的提高， 大大保證了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，減少了許多薄弱環(huán)節(jié)。但是我們?nèi)绾尾拍苷_計(jì)算選擇并使用
閥門呢？根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)可知，在苛刻工況中，汽蝕經(jīng)常造成閥門內(nèi)件損壞，并伴有高噪音、內(nèi)件振動(dòng)、阻塞流
等情況發(fā)生，在閥門計(jì)算選型時(shí)，如何減小、避免汽蝕的發(fā)生至 關(guān)重要。目前，閥門制造商對(duì)汽蝕的評(píng)估
方法不盡相同，本文圍繞 KE 法、δ法和 XFz 法，主要針對(duì)如何減少、避免汽蝕和閥門的正確選型應(yīng)用進(jìn)行
了分析。
控制閥汽蝕控制閥汽蝕現(xiàn)象是指介質(zhì)流經(jīng)閥內(nèi)腔縮流處時(shí)，流速最大，壓強(qiáng)能最低，如果這時(shí)的壓力低于介質(zhì)的
飽和蒸汽壓，液體氣化，部分轉(zhuǎn)變成含蒸汽或氣體的氣泡；當(dāng)介 質(zhì)流過(guò)縮流處后，壓力升高，如果超過(guò)飽
和蒸汽壓值，汽泡發(fā)生破裂，重新由氣（汽）相變?yōu)橐合?，這個(gè)過(guò)程稱為汽蝕或空化（Cavitation）（如圖
1）。當(dāng)汽泡爆裂時(shí)，噴射釋放巨大的能量，并產(chǎn)生振動(dòng)波，實(shí)驗(yàn)證明，150μm 直徑的汽泡破裂，液滴噴射
速度達(dá)到 400km/h，產(chǎn)生的瞬間爆破壓力可達(dá) 數(shù)千公斤，對(duì)閥內(nèi)件表面造成嚴(yán)重沖擊和侵蝕磨損（圖 2），
同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致劇烈振動(dòng)和高噪音、阻塞流的發(fā)生。出現(xiàn)嚴(yán)重汽蝕時(shí)，在很短的時(shí)間內(nèi)，閥內(nèi)件將被損壞 或
者閥門的工作特性將發(fā)生改變。閥門學(xué)者從微觀學(xué)角度通過(guò)水做實(shí)驗(yàn)用數(shù)學(xué)模型證明了上述汽蝕過(guò)程，其中汽泡壓力平衡方程式為：
Pg+Pv=2α/R+P
R 為汽泡的當(dāng)量半徑，α為轉(zhuǎn)換常數(shù)，2α/R 代表氣泡表面張力分量部分，Pg 為汽泡內(nèi)蒸汽或氣體壓
力，Pv 是介質(zhì)飽和蒸汽壓，P 代表汽泡所處環(huán)境壓力。其 中，Pg 和Ｒ是汽泡內(nèi)所含氣體、蒸汽含量以及汽
泡體積大小的變量，這些參數(shù)的引入表明，當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)由穩(wěn)定變?yōu)榱鬟^(guò)閥門內(nèi)腔縮流處變成湍流不穩(wěn)定
狀態(tài) 時(shí)，介質(zhì)分子或液滴表面張力趨勢(shì)的變化，通常流體由穩(wěn)態(tài)到不穩(wěn)定湍流流動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，分子表面張力要有一個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。Ｒ則代表了汽泡在破裂前體積膨脹 的變化過(guò)程。從微觀公式中不難看出：在
一定溫度、壓力條件下，汽泡所處外部壓力和介質(zhì)飽和蒸汽壓是導(dǎo)致汽泡破裂、產(chǎn)生汽蝕的主要參數(shù)指標(biāo)。
KE 法限制 Trim 出口動(dòng)能
KE 法可以簡(jiǎn)單概括為限制閥門 Trim（通常指閥座、閥心等）出口動(dòng)能的一種預(yù)測(cè)方法。早在數(shù)十年以
前，閥門學(xué)者指出為了解決汽蝕、噪音及振動(dòng)損壞閥門 及內(nèi)件的問(wèn)題，必須著手研究考慮控制閥門的流速，
但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有明確是控制閥門出口流速還是 Trim 的流速，不過(guò)這一理論為此后的研究提供了條件。經(jīng)過(guò)一
段 時(shí)間的研究發(fā)展，產(chǎn)生了 KE 法則。在 KE 法中，把介質(zhì)的密度和流體 Trim 出口流速結(jié)合起來(lái)加以考慮，
公式表達(dá)式為：公式 1、公式 2 中各參數(shù)定義如下：
A0：閥門縮流處面積，單位 in2 或 m2
KE：流體動(dòng)能，單位 psi 或 kPa
M1：轉(zhuǎn)換系數(shù)，見(jiàn)表 1
M2：轉(zhuǎn)換系數(shù)，見(jiàn)表 1
V0：閥內(nèi)件縮流處流體的流速，單位 ft/s 或 m/s
w：質(zhì)量流量，單位 lb/h 或 kg/s
ρ0：流體在縮流出口處的密度，單位 lb/ft3 或 kg/m3
公式 1、公式 2 中轉(zhuǎn)換系數(shù)及單位見(jiàn)表 1：限制閥門 Trim 出口動(dòng)能的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 2：根據(jù)表 2，KE 法同時(shí)作了補(bǔ)充，對(duì)于閥門關(guān)閉狀態(tài)在 95%以上的場(chǎng)合，如果介質(zhì)不含顆粒，對(duì) Trim 出
口動(dòng)量的限制可擴(kuò)大到 1030kPa（150psi）；防止汽蝕、閃蒸以及對(duì)于介質(zhì)內(nèi)含顆粒雜質(zhì)、出口兩相流的工
況，作為一般原則，Trim 出口動(dòng)能最大限制在 275kPa（40psi）;對(duì)于氣體或蒸汽介質(zhì)，有低流速或低噪音
嚴(yán)格要求場(chǎng)合，動(dòng)能最大不應(yīng)超過(guò) 75kPa（11psi）。
δ法量化評(píng)估
δ法又稱為δ汽蝕指數(shù)法，是 ISA 針對(duì)閥門汽蝕各過(guò)程，通過(guò)量化判斷、分析汽蝕對(duì)閥門造成的影響
的一種評(píng)估方法，被美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA- RP75.23-1995）所批準(zhǔn)，其定義為：δ=（P1－Pv）/（P1－P2）。
式中：δ為汽蝕指數(shù)，P1 為閥門入口壓力，P2 為閥門出口壓力，Pv 為介質(zhì)在一定溫度下的飽和蒸汽
壓。隨著δ變大，閥門產(chǎn)生汽蝕的可能性變??；反之，汽蝕 幾率增加；如果δ值為零或負(fù)值，發(fā)生閃蒸。
詳細(xì)定義見(jiàn)圖 3。從圖 3 中可看出，當(dāng)計(jì)算的δ值低于δi 值時(shí)，將發(fā)生初始汽蝕；當(dāng)δ低于δc 值，閥門內(nèi)流體升級(jí)為
連續(xù)性汽蝕，這時(shí)隨著δ減小，汽蝕繼續(xù)增加，但幅度沒(méi)有 從δi 到δc 增加得明顯，不過(guò)此時(shí)閥門及內(nèi)件
振動(dòng)加強(qiáng)，噪音升高；當(dāng)δ值等于δmv 值時(shí)，汽蝕、噪音、振動(dòng)指標(biāo)均達(dá)到最大值。繼續(xù)降低δ，汽蝕率
和閥門振 動(dòng)程度、噪音將隨著閃蒸現(xiàn)象的出現(xiàn)而有不同程度的降低。其中δmr 是各閥門制造商針對(duì)各自所
生產(chǎn)的閥門結(jié)構(gòu)、由實(shí)驗(yàn)室得出的閥門固有δ常數(shù)。對(duì)于圖 4 所示多級(jí)曲折流道閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)的閥門提供的
δmr 值非常小，基本上接近閥門產(chǎn)生阻塞流時(shí)的δ值（即δch），δmr 越小，閥門抗汽蝕能力越強(qiáng)；相反，
對(duì)于蝶 閥、球閥等高壓力恢復(fù)結(jié)構(gòu)的閥門，其δmr 較大，基本接近δi，說(shuō)明這些結(jié)構(gòu)的閥門抗汽蝕能力
較差。
XFz 法限制出口流速
XFz 法是根據(jù) IEC 標(biāo)準(zhǔn)，在預(yù)測(cè)分析汽蝕過(guò)程時(shí)，強(qiáng)調(diào)限制閥門出口流速，同時(shí)考慮進(jìn)、出口壓差對(duì)
氣蝕的影響。XFz 法最初起源于德國(guó) VDMA24422-1979 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)被 IEC60534 認(rèn)可采納。在這個(gè)法則中，通過(guò)
壓差比來(lái)判斷液體產(chǎn)生汽蝕過(guò)程，其中 XF 定義為液體壓差比，即：
XF=（P1－P2）/（P1－Pv）
式中：P1 為閥門入口壓力，P2 為閥門出口壓力，Pv 為介質(zhì)在一定溫度下的飽和蒸汽壓。而 XFz=（P1
－P2）/（P1－Pmin）。
式中：Pmin 為流體流經(jīng)閥門縮流處時(shí)最小的壓力。XFz 同理于上述的δmr，是控制閥廠家針對(duì)不同結(jié)
構(gòu)的閥門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)，XFz 值越 大，閥門抗汽蝕能力越強(qiáng)。
圖 5a 為某閥門制造商通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 XFz。圖 5b 為 XFz（VDMA 也稱 Zy）、壓差比系數(shù) Kc、液體壓力
恢復(fù)系數(shù) FL 值隨著閥門差壓、流量分布示意 圖。根據(jù) XFz 法則以及用戶的需求，目前一些控制閥廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出高 XFz 抗汽蝕結(jié)構(gòu)閥門，如圖 6 所示。
根據(jù) XFz 法則，在選擇使用閥門時(shí)，一般遵循如下規(guī)則，見(jiàn)表 3。XFz 法強(qiáng)調(diào)對(duì)閥門出口流速的控制，通過(guò) CFD（如圖 7）模擬分析出口流速對(duì)閥門內(nèi)腔、內(nèi)件造成的影
響。選擇閥門時(shí)，根據(jù)表 4 及表 5 所述的一般出口流速規(guī) 則，計(jì)算出所需要的閥門最小口徑。
同時(shí)，XFz 法也對(duì)閥門出口流速作了規(guī)定，見(jiàn)表 5。XFz（IEC）法完全建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，并充分考慮了出口流速、閥門噪音、汽蝕振動(dòng)、內(nèi)件硬化
處理等綜合指標(biāo)，能夠?yàn)橛脩魷?zhǔn)確、合理選擇閥門，避免 汽蝕發(fā)生從而提高閥門的使用性能提供依據(jù)。在
我國(guó)國(guó)標(biāo) GB/T 17213.16-2005（工業(yè)過(guò)程控制閥第 8-4 部分：噪聲的考慮，液動(dòng)流流經(jīng)控制閥產(chǎn)生的噪聲
預(yù)測(cè)方法，該標(biāo)準(zhǔn)等同 IEC60534-8-4:1994）中，對(duì)汽蝕的分析就采用這個(gè)方法。
小結(jié)目前各先進(jìn)控制閥 廠家加大了控制閥可靠性預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)、研發(fā)力度，氣蝕、閃蒸對(duì)控制閥的損害是控
制閥可靠性預(yù)測(cè)分析的主要內(nèi)容。相比于國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)的控制閥制造行業(yè)在這一 領(lǐng)域的工作尚處于起步
階段，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置、控制閥計(jì)算及診斷軟件方面與歐美閥門廠家還有一定距離。通過(guò)以上分析可以看出，
IEC 標(biāo)準(zhǔn)中 的 XFz 法則是分析控制閥汽蝕損害及預(yù)防比較完善的一種診斷方法，XFz 法則建立在大量實(shí)驗(yàn)室
數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，同時(shí)數(shù)學(xué)模型比較完善，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)數(shù)學(xué) 模型逐步優(yōu)化，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算
數(shù)據(jù)偏差縮小，二者達(dá)到統(tǒng)一。此外，XFz 法不僅預(yù)測(cè)、分析了閥門汽蝕損害，對(duì)如何避免、減小這種損害，
如何控制閥 門出口流速也作了充分的闡述。我國(guó)控制閥汽蝕診斷標(biāo)準(zhǔn)采用等同的 IEC XFz 法則，建議在控
制閥計(jì)算、閥門選型工作中充分掌握這個(gè)法則，使控制閥更好地為裝置服務(wù)。
閥門流量計(jì)算
發(fā) 布時(shí)間:2009-7-4 0:00:00 發(fā)布人:administration閥門流量計(jì)算
流量計(jì)算
Flow Calculations
如 何使用流量系數(shù)
How to use Cv 2. DN350 x DN300 x DN350，壓力等級(jí) Class 900 縮喉管
壓力密封閘閥，其它前提與例 1 相同，求壓降。What is the pressure drop through a 14"x12"x14"
法門流量系數(shù)(Cv)是表示
Class 900 Venturi pressure seal gate valve with
閥門 通過(guò)流體能力的數(shù)值。Cv
the same conditions as example 1.
越大，在給定壓降下閥門能夠通
解：采用公式 1
過(guò)的流體就越多。Cv 值 1 表示
Solution: Use formula 1.
當(dāng)通過(guò)壓降為 1 PSI 時(shí)，閥門每
Cv = 6285 (來(lái)自本頁(yè))