1 概述   

    隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和計算機(jī)自動化控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對自動控制閥門的需求越來越多。自動控制閥門是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和物料輸送中閥門發(fā)展的大趨勢，據(jù)統(tǒng)計，在石油化工裝置中，自動控制閥門已占閥門總數(shù)70%以上。調(diào)節(jié)閥是自動控制閥門之一，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的介質(zhì)流量達(dá)到工藝過程的控制作用。調(diào)節(jié)閥在流量調(diào)節(jié)過程中不可避免會產(chǎn)生氣蝕，使閥門過早失效，嚴(yán)重的將危害系統(tǒng)安全運行。

    2 氣蝕的產(chǎn)生及危害

    氣蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)到臨界值時產(chǎn)生破壞的一種形式。當(dāng)液體通過節(jié)流孔時，流體流道面積的縮小導(dǎo)致流速迅速增加，速度的增加，產(chǎn)生了速度和壓力之間的能量轉(zhuǎn)換，流體壓力下降。壓力在節(jié)流孔下游側(cè)附近達(dá)到最低值，這時其速度最大，壓力最小。當(dāng)該處的壓力P_vc低于液體蒸汽壓P_v且閥門下游壓力P₂高于液體蒸汽壓時，就會發(fā)生氣蝕（圖1）。氣蝕產(chǎn)生時

    P_vc<P_v<P₂

    式中

    P_vc——節(jié)流孔處的壓力，MPa
    P₂——閥門下游壓力，MPa
    P_v——液體蒸汽壓，MPa

    氣蝕一般出現(xiàn)在兩個階段。首先，當(dāng)液體壓力低于液體蒸汽壓時，在液體中形成蒸汽泡，由液體攜帶氣泡的邊緣層向下游移動。其次，如果出口壓力大于液體蒸汽壓力，氣泡就會破裂或爆破，同時產(chǎn)生巨大的壓力沖擊波，并通過液體向外傳播，集中撞擊管道壁和閥內(nèi)零件，沖擊到相近的金屬表面上。氣泡破裂對金屬表面的沖擊類似于微流噴射，它能以10⁴MPa的壓力，振動和碰撞管壁。在液體內(nèi)，當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離金屬表面破裂時，產(chǎn)生球形壓力波，此時，碰撞壓力約為10³MPa，且微流噴射的影響未達(dá)到金屬固體壁。如果氣泡接近金屬表面破裂，微流噴射將直接沖擊金屬表面。由于沖擊波反復(fù)沖擊，導(dǎo)致金屬表面疲勞、撕裂和其他缺陷。氣蝕損壞表現(xiàn)為金屬表面凹凸不平和多孔現(xiàn)象。如果閥門出口壓力低于液體蒸汽壓時，蒸汽氣泡不會破裂，液體以氣液兩相混合狀態(tài)存在，液流速度將繼續(xù)增大，這種狀態(tài)稱為閃蒸（圖2）。閃蒸并不是一個主要問題，其損害與氣蝕不同，通常選用抗沖蝕的閥體和閥瓣材料，限制閥門出口流速，可大大降低和消除，延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命。閃蒸時P_v>P₂。

    表面上看氣蝕破壞是一種機(jī)械性的破壞。但是，在腐蝕性介質(zhì)中，氣蝕會加快腐蝕侵蝕。氣蝕發(fā)生時，微流噴射（或沖擊波）破壞了金屬表面的鈍化膜保護(hù)層，基體金屬受到侵蝕，產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。沖蝕又把產(chǎn)生的腐蝕介質(zhì)沖掉，引起新的腐蝕。與氣蝕或氣蝕腐蝕相關(guān)的沖蝕導(dǎo)致金屬進(jìn)一步磨損和破壞，通過氣蝕和腐蝕的影響，材料被沖蝕磨損（圖3）。

    沖蝕強(qiáng)度與流體流速有關(guān)

    e=KVⁿ

    式中e——材料損耗
    K——常數(shù)
    V——流速，m/s
    n——磨損指數(shù)

    一般沖蝕下，磨損指數(shù)n≈2.5，當(dāng)氣蝕和腐蝕相結(jié)合影響時，磨損指數(shù)可達(dá)n=7。

    氣蝕不僅對閥門產(chǎn)生機(jī)械損害，導(dǎo)致閥門失效，而且產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲。當(dāng)液體流過閥座通孔或節(jié)流孔時，會突然加速、氣化和膨脹，在管路中產(chǎn)生紊流、振動和動力噪聲。氣蝕氣泡的破裂是噪聲的主要來源，通常有氣蝕就有噪聲，噪聲量直接與氣蝕程度有關(guān)。因此，氣蝕對調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)管路的影響相當(dāng)大。

    3 氣蝕的防護(hù)

    3.1 材料的選擇

    氣蝕破壞與金屬的機(jī)械性能和抗腐蝕能力有關(guān)，因為抗氣蝕破壞主要是材料抵抗氣泡破裂時形成重疊凹坑的能力，它隨材料吸收能量的能力而改變�？箽馕g破壞較好的材料應(yīng)具備堅實和均勻的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，變形能力大，抗拉強(qiáng)度和硬度高，加工硬化性好，疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強(qiáng)度高。韌性材料抗氣蝕能力要高于脆性材料，因此，通�？蛇x用不銹鋼閥門，提高抗氣蝕能力。

    3.2 閥門的形式

    調(diào)節(jié)閥的形式將影響其對氣蝕的敏感性，調(diào)節(jié)閥一般有兩種形式，即低復(fù)原閥門（如截止閥等）和高復(fù)原閥門（如球閥和蝶閥等）。這2種形式的閥門在進(jìn)口壓力和壓降相同的情況下，流體通過收縮截面時，高復(fù)原閥門的閥后出口壓力恢復(fù)遠(yuǎn)大于低復(fù)原閥門。對截止閥而言，其通道的幾何形狀和湍流存在，會產(chǎn)生很大的流體阻力，因此，在閥后出口壓力不會恢復(fù)很多。而對球閥而言，其進(jìn)口流體阻力不大，在閥后出口壓力恢復(fù)很多，閥門的復(fù)原性可用壓力恢復(fù)系數(shù)FL表示（圖4）。

    F_L越接近1.0，壓力恢復(fù)越少。

    3.3 壓力降的分布

    壓力降分布的均勻性也對氣蝕產(chǎn)生影響，可以采用幾個串聯(lián)閥門和一系列節(jié)流孔板，把壓力降分布在幾個串聯(lián)閥門之間或分布在一個閥門和節(jié)流孔板之間。閥門和節(jié)流孔板沿介質(zhì)流動方向的合理設(shè)置，可以經(jīng)濟(jì)和有效地控制氣蝕。采用多級壓降和增加流體出口面積，可以有效地控制流體速度。控制流體速度（相當(dāng)于控制閥內(nèi)的壓力）是避免氣蝕的有效手段，其目的是使閥內(nèi)壓力高于流體最低壓力蒸汽壓，避免蒸汽氣泡破裂，較好的避免了閥內(nèi)的氣蝕。

    閥門的壓降可以分成幾段來實現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)閥上的壓降產(chǎn)生在多級閥瓣上時，總壓降（P₁-P_n）被劃分成幾個較小的連續(xù)壓降P₂、P₃、…P_n，在下一個節(jié)流級之前，流體壓力被允許恢復(fù)到中間壓力P₂、P₃、…P_n-1，一直到最后的壓降Pn，使氣蝕消除在一個較大的延伸區(qū)內(nèi)（圖5）。

    4 結(jié)語

    長期以來，氣蝕現(xiàn)象縮短了管線設(shè)備的使用壽命，消耗了大量的人力和物力，正確認(rèn)識氣蝕產(chǎn)生的原因及危害，降低和消除氣蝕的潛在影響，對提高設(shè)備長周期、安全、經(jīng)濟(jì)運行，具有特別重要的現(xiàn)實意