防气蚀控制阀的应用
文/赖小倩 李艳荣
气蚀是材料在液体的压力和温度达到或超过临界值时产生破坏的一种形式，它的产生将会使阀门遭到机械结构方面的破坏和产生严重的噪音，因此在工程项目的工艺过程控制系统中，根据选型参数正确判断气蚀及选用防气蚀控制阀是至关重要的。
气蚀产生的原理及危害
如图1所示，当液体介质接近于管线中的阀门时，它的截面积必须缩小以通过阀门的缩流处，其流速与流体的截面积成反比，为维持流体能够稳定的流过阀门，因此流速必须增加，因为流速和压力的总和要保证大约相等，因此必将导致压力的下降，在流体流经控制阀的缩流断面处时，将会产生最大速度和最小压力（PVC）。如图2所示当压力降低到介质的饱和蒸汽压以下时，将会有气泡产生，当流体离开缩流断面后， 截面积增大，液体的摩擦会引起流体减速，这样压力会逐渐上升，当压力上升到液体介质的饱和蒸汽压以上时，气泡会破裂或向内爆炸，从而产生气蚀。
气蚀过程中气泡破裂时所有的能量都集中在破裂点上，产生几千牛顿的冲击力，冲击波的压力高达2×105MPa，大大超过了大部分金属材料的疲劳破坏极限，同时局部的温度高达几千摄氏度，这些过热点引起的热应力是产生气蚀破坏作用的主要因素，气蚀如同砂子喷在零件表面，将零件表层撕裂，形成粗糙的渣孔般的外表面，在高压差恶劣条件下，极硬的阀芯和阀座也会在短时间内遭到破坏，发生泄漏， 影响阀门的使用性能，同时气蚀过程中产生的气泡破裂释放出巨大的能量，引起内部零件的振动，产生高达10KHZ的噪声，气泡越多，噪声越严重。如图3所示为气蚀破坏的阀芯表面。
判断产生气蚀的方法
第一步：首先判断阻塞流，当△P = P1- P2≥FL2(P1-FF×PV) 时，液体介质就会产生阻塞流。
式中：P1—阀前绝对压力，kPaA；
P2—阀后绝对压力，kPaA；
△P—阀前后压差，kPa；
FL—液体压力恢复系数；
PV—入口温度下液体饱和蒸汽压力，kPaA
FF—液体临界压力比系数，
FF=0.96-0.28
Pc—绝对热力学临界压力，kPaA
第二步：对比P2和PV的数值当P2＞PV时，则会产生气蚀现象。
第三步：计算气蚀允许最大压差值△Pc＝KC×(P1-PV)
式中：△Pc —气蚀初期允许的压降(kPa)；
Kc—气蚀指数，Kc值是描述阀门是否产生气蚀的重要参数，它的数值可以由试验获得， 由各个控制阀生产厂提供。根据不同的控制阀种类其Kc值的大概数值都在0.15～0.8之间 。
当△P≥△Pc值时，建议选用防气蚀阀。
常用防气蚀阀门的结构分析
对于产生气蚀的场合，我们一般选用防气蚀控制阀来予以避免，现在常用的防气蚀控制阀结构一般为：曲折路径型、多级减压型和多孔节流型。
曲折路径型
如图4所示，使流动的介质通过含有曲折路径的节流件来减小压力恢复的一种方法为曲折路径型，流路是曲折的，使流体节流并迫使其通过曲折变化的流道，流体在每通过一个弯角就起到一级降压的目的，使下一级的入口压力逐渐降低，且使每一级的压降都小于气蚀允许的最大压降值△Pc，就能够避免气蚀现象的产生，这种曲折路径的设计方法在各种控制气蚀产生的阀门设计中很常用。下面简单介绍一下此种结构每级压降的计算方法。根据迷宫阀的多级节流原理，每一级的压降按几何级数递减即：
△P＝△P1 ＋△P2 ＋△P3 ＋△P4＋……＋△Pn+1
或△P＝△P1＋△P1/2＋△P1/22＋△P1/23＋……＋△P1/2n
注：△P1————一级压降数值MPa,
△P2————二级压降数值MPa，
△P3————三级压降数值MPa，
△P4————四级压降数值MPa，
△Pn+1————n+1级压降数值MPa，
△P阀门前后总压降数值MPa。
在计算时只要保证每一级的压降数值都小于该级阻塞流允许的压降数值，即能避免闪蒸和气蚀的产生。在一定的工艺条件下能够成功确定迷宫阀的降压级数。
多级减压型
如图5所示为常见的2种多级减压结构，当阀门工作时，流体通过多级阀芯的台阶进行节流，使得高压降的流体沿着阀芯轴线的方向流动，通过阀芯和阀笼的特殊设计，使得流体不断的转弯,降低流体的压降和流速，且下一级的入口压力相对较低，使得阀门在承受较大压差的同时，也能够保证流体节流后的压力高于液体的饱和蒸汽压力，防止液体气蚀的产生。这种多级降压的控制阀一般都为4级降压结构，根据各个控制阀厂家的模拟压降试验得出，它的大部分压降都发生在第一级和第二级，在最后一级压降很小，这样可以避免流体流速过快而冲刷阀芯、阀座密封面。这种多级减压型的防气蚀控制阀可以通过压降模拟或计算的方式来确定压降的分配原则。即第一级：全压降的37%；第二级：全压降的37%；第三级：全压降的16%；第四级：全压降的10%。其计算方法是计算每一级的KC值，即
KC=
=
计算后使每一级节流处的气蚀指数为0.25～0.45之间(降压级数越多,气蚀指数的数值越接近中间值，这样可以更有效防止气蚀现象产生)。
多孔节流型
如图6所示为多孔节流型结构，多孔节流是一种综合的设计方案，它是通过多孔节流和汇聚喷射的方式来降低阀门的入口压力。而会聚喷射也是解决气蚀问题的基本方法，也就是使用带钻孔的特殊阀笼，即在阀笼圆周壁的每个孔上均有“有效”的锐边，通过该孔产生P1和P2之间的压降，并通过多层喷射进行逐级降压。且当流体流到最后一级，当阀芯离开阀座时，液体就从许多开启的小孔喷出，每一个孔都向中心喷射，并与径向相反的喷射流相会，这样在气蚀液体中心的周围形成了一个缓冲垫， 可以避免破裂的气泡冲击到金属阀座表面如图7所示。
这种多孔节流的防气蚀控制阀也可以通过压降模拟或计算的方式来确定每一级压降的分配原则。其计算方法与多级减压型结构的防气蚀笼式阀相同。计算每一级的KC值，即
KC=
=
在防气蚀控制阀结构为2级防气蚀时，使每一级节流处的气蚀指数KC小于0.7，可以有效防止气蚀现象产生。2级防气蚀控制阀压降分配数值为：第一级：全压降的51%，第二级：全压降的49%；在防气蚀控制阀结构为3级防气蚀时，使每一级节流处的气蚀指数KC在0.25～0.6之间，可以有效防止气蚀现象产生。3级防气蚀控制阀压降分配数值为：第一级：全压降的50%， 第二级：全压降的33%，第三级：全压降的17%；在控制阀结构为3级及以上防气蚀阀门时，一般使计算后每一级节流处的气蚀指数KC为0.25～0.45之间，（降压级数越多，气蚀指数的数值越接近中间值，这样可以更有效防止气蚀现象产生）。3级防气蚀控制阀压降分配数值为：4级防气蚀控制阀压降分配数值为：第一级：全压降的37%；第二级：全压降的37%；第三级：全压降的16%；第四级：全压降的10%。
综上所述，以上为3种比较常用的防气蚀阀门结构，根据设计的方法和原理不同，其各级的压降分配及防气蚀程度也各有不同，这些防气蚀阀门的流量特性均为直线特性。而且对于多级减压型的防气蚀阀门一般为角阀，对于现场管道的安装有一定的要求。用户和设计院可以根据现场工况的需要，适当选用不同结构的防气蚀阀门。
