闪蒸 空化

格玛方法不采用液体 加
速
流体在流经阀内件的 度
初始 空化状态
流速来评估空化的影 响，而是基于实验室 针对性试验和经验数 据，依据阀两端压
最大 振动状态
持续 空化状态
σi 液体振动状态
差、液体的饱和蒸气
压、阀门公称通径和
其它在实验室对标准
阀门进行测试确定的
（a）ISA RP 75.23典型空化指数图（振动测量）
48 ｜Control Valve magazine｜November 2008
生之后，还导致出现剧烈振动和高强 噪声以及阻塞流。控制阀液体流体的空 化和气蚀损害会对控制阀造成降低工作 性能、缩短使用寿命、加剧振动和噪声 的严重影响，构成安全隐患。剧烈的空 化气蚀将使阀内件材料表面在很短时间 内侵蚀损坏，空化气蚀的危害性极大。 参见图1和图2。
式中：FU—基于速度因数，如出口流速5m/s 时为1
FT—温度影响，平均值为2（ISA RP 75.23附 录C）
FDC—实际应用的影响，如连续运行为2（ISA RP 75.23附录C）
SSE—控制阀公称通径（尺寸）修正系数
PSE—压力刻度修正系数
d—选用控制阀的尺寸
dR—试验用标准控制阀的尺寸 (P1-Pv）—选用控制阀的操作条件 (P1-Pv）R —试验用标准控制阀的操作条件 a—指数，用于压力修正，根据经验数据确
评估空化、计算空
化强度都是为了预防空化
气蚀对材料的损害。若
σi
闪蒸
空化
紊流
能早些知道初始空化损害 σid数值更为重要，但目 前ISA还没有对于评估σid 的详细说明和评估破坏性
σ （b）控制阀试验的空化指数图（声压级测量）
的标准工作流程，只能依 赖复杂的测试材料腐蚀率
■ 图3 西格玛方法的典型空化指数图b
空化和闪蒸都是液体流体在形式上 的实际变化，也都和出现阻塞流现象有 关，开始阻塞流的压差△Pc等于FL2（P1
P1
P2
P1
P1-PV P1-P2
闪蒸
PV
P2
P1-PV
空化
PV
PVC
-不同饱和蒸汽压情况 -Pvc为缩流处压力
无闪蒸和空化 PV
■ 图1 流体流经控制阀时的压力变化
（a）气泡进入高压力区域破裂
本文试对评估控制阀液体流体空化 及损害的做一些分析、探讨，供对此问 题关注者参考。
控制阀液体流体的空化
控制阀是管路节流装置，在控制系 统的指令下，需要不断改变阀内节流部 件的流通截面积，形成可调节的缩流， 使流体量发生变化，达到回路控制目 的。控制阀应用中的流体主要是液体和 气体。
对于液体流体，由工程热力学得 知，一定的温度对应一定的饱和压力 （压强）即饱和蒸汽压Pv。如果保持该 液体温度不变，降低液体的压力，当降 低到温度对应下的饱和蒸汽压Pv时，液 体就会汽化；若压力不变，提高液体温 度，当温度升高到等于或高于该压力对 应的饱和温度时，液体也会汽化。
来确定初始空化损害。此 外，西格玛方法基于经验
值时进入持续空化状态，空化振动（噪 数据，也存有一些实际操作上的缺憾，
声）仍有升高，空化损害加重；当σ数 再就是经验数据可覆盖的产品阀型范围
值达到σmv值时，空化、振动（噪声） 均为最大值，空化损害最为严重；当σ 数值继续小于σmv值时，流体状态逐渐 呈现闪蒸现象，振动（噪声）有所下
引言
控制阀（Control Valve）是终端执 行元件，决定着过程控制是否及时有 效。在流程工业认识到过程强化、功能 安全、控制有效、降低成本的时候，作 为控制回路的终端执行元件的控制阀凸 显其重要性，也暴露出控制阀长期以来 技术比较薄弱的一面，已引起业内注 意。
控制阀的生产厂家众多，造成控 制阀品种多、规格多、参数多，质量参 差不齐，应对苛刻工况更有很大差异， 尤其表现在液体流体应用时发生的空化 及气蚀损害、如何评估空化及损害和抗 空化方面。空化及气蚀损害会对阀内件 和阀体及阀后管件造成很大破坏，严重 影响控制阀的工作性能和使用寿命以及 加剧噪声、振动，构成安全隐患，了解 和防止空化气蚀发生是控制阀应用中必
能证明了上述各点情况。
为了评估空化损害，西格玛方法考
虑到空化的因素和变量，把空化程度量
化为空化强度I。例如，初始空化损害
σid时的空化强度I：
[
[
[
[
[ I=FUFTFDC=
σid-1 σss-1
其中：
[ σ -1
σss= SSE
+1
PSE
[ SSE=
db dR
[ PSE= （P1-Pv） a （P1-Pv）R
控制阀细节分析之 评估控制阀空化及损害
文/刘光德 李宝华 萨姆森控制设备（中国）有限公司
控制阀应用在液体流体时发生的 空化及气蚀损害会对阀内件和阀体及阀 后管件造成很大破坏，严重影响控制阀 的工作性能和使用寿命以及加剧噪声、 振动，构成安全隐患。了解和防止空化 气蚀发生是控制阀选用以及在苛刻工况 应用中必须注重的问题。对于评估控制 阀空化及损害，ISA标准推荐西格玛方 法，而IEC标准在预估噪声中提出压差 比方法。
西格玛方法
态）；当σ数值小于σi值时进入初始空 化状态，曲线出现拐点，空化振动（噪
西格玛方法是由美国仪表学会标准 ISA RP 75.23：1995
声）明显快速升高；当σ数值小于σc
《关于评估控制阀空 化的建议》推荐的， 用来预估控制阀空化
σmv
σmr
制造厂
推荐空化值
损害，并详细说明空
σc
化的因素和变量西
应用园地 Valve Application 选型与应用
西格玛方法是基于实验室针对性试验和经验数据，依据阀两端压差、液体的饱和蒸气压、阀门公称 通径和其它在实验室对标准阀门进行测试确定的阀门公称通径和压力的参数，在被试验的控制阀出口管 道上测量振动（加速度），并用比较使用条件和试验条件的方法（运用控制阀公称通径修正系数S S E和压 力刻度修正系数PSE）确定空化各过程西格玛指数，计算空化强度I，对空化及损害进行量化评估。
须重视的问题。面对这个重点，笔者力 求了解，但所能搜集到的国内有关控制 阀空化及评估的论述很有限，也注意到 ISA和IEC的标准对评估空化及损害提出 有各自的西格玛方法和压差比方法。国 家标准GB/T 17213.16-2005（等同IEC 60534-8-4：1994）也没有及时修订 到汲取有最新研究成果的新版标准IEC 60534-8-4：2005。
阀门公称通径和压力
■ 图3 西格玛方法的典型空化指数图a
2008年11月｜控制阀信息｜ 49
应用园地 Valve Application 选型与应用
直通单座阀；NPS 3（3英寸）；Cv=30；
流体：水；P1=0.8MPa(a)；Pv=0.2MPa
σmv
σc
σch≈1/FL3
b—指数，用于尺寸修正， b=0.068(Cd/N1d2)0.125
在空化发控制阀细节分析之评估控制阀空化及损害萨姆森控制设备中国有限公司西格玛方法是基于实验室针对性试验和经验数据依据阀两端压差液体的饱和蒸气压阀门公称通径和其它在实验室对标准阀门进行测试确定的阀门公称通径和压力的参数在被试验的控制阀出口管道上测量振动加速度并用比较使用条件和试验条件的方法运用控制阀公称通径修正系数sse和压力刻度修正系数pse确定空化各过程西格玛指数计算空化强度i对空化及损害进行量化评估
-Pv）或者低于（P1-P2）。闪蒸发生是 缩流区域后的压力（阀后压力P2）仍然 小于流体温度对应下的饱和蒸汽压Pv； 空化发生是缩流区域压力Pvc小于流体 温度对应下的饱和蒸汽压Pv，而缩流区 域后的压力P2恢复并高于流体温度对应 下的饱和蒸汽压Pv。要了解和防止空化 气蚀的发生，在控制阀前后高压差的 情况，对于三个重要参数要多加考虑： 阀门入口压力P1、阀门出口压力P2和液 体饱和蒸汽压Pv。空化发生及损害的大 小，很大程度上取决于这三个参数之间 的相互关系。
ISA RP 75.23：1995的西格玛方法 对空化指数（cavitation Index）σ定义 为：
σ=（P1-Pv） （p1-p2）
（d）微喷射流
（e）压力波
■ 图2 气泡破裂示意图
式中：σ为空化指数 P1为控制阀入口流体压力 P2为控制阀出口流体压力 Pv为液体流体在工作温度下的饱和蒸汽压
一般的理论认为空化的气泡破裂 时产生的微喷射流是气蚀损害的主要原 因，微喷射流很微小且与高的流体流速 有关，破裂取决于气泡周围压力与其 内部压力差以及气泡移动速度，这样， P1-Pv的压差越高，气泡破裂就越强 烈。根据最新研究，导致气泡破裂的压 力波对空化气蚀损害的作用更大一些。
还有一种情况：若是流体在流出缩 流区域后，流体压力仍然等于或低于流 体温度对应下的饱和蒸汽压Pv，则汽化 现象依然存在，流体形成气液两相流， 这个过程称为闪蒸（flashing），是不同 于空化的现象。闪蒸的发生形成两相 流，会使液体流体流量不再随阀前后压 差的增加而增加，出现阻塞流。闪蒸也 会对阀内件及阀后管路造成比较平滑的 冲刷，在缩流区域流速最大处的冲刷最 为严重。
比较小。虽然建议制造厂提供空化系数 σmr的推荐值，但很少能在厂商的产品 样本中看到。
降。ISA RP 75.23推荐方法是在控制阀
出口管道上使用加速度计测量振动。
典型图是空化指数σ与加速度dB[A]的
关系；若采用测量噪声的方法，如图3
（b）所示的控制阀试验的空化指数σ
与声压级LpA,e,dB[A]的关系，也同样
（b）靠近硬表面时气泡破裂
（c）依附硬表面的半球状气泡破裂 波中心 波方向
的参数，在被试验的控制阀出口管道上 测量振动（加速度），并用比较使用条 件和试验条件的方法（运用控制阀公称 通径修正系数SSE和压力刻度修正系数 PSE）确定空化各过程西格玛指数，计 算空化强度I，对空化及损害进行量化 评估。美国的控制阀制造厂商基本上都 使用西格玛方法评估空化及损害。
在（不可压缩的）液体流体通过控 制阀阀芯阀座节流时，缩流截面处的流
速加快，而静压会降低，当该区域的压 力降低到等于或低于流体温度对应下的 饱和蒸汽压Pv时，部分液体就会汽化， 这时有相当数量的蒸汽及溶解在液体中 的气体逸出，形成许多蒸汽与气体混合 的小气泡。当流体流出缩流区域，静压 得以部分恢复，若恢复到该饱和蒸汽压 Pv或高于Pv时，气泡在饱和蒸汽压以上 压力的作用下将迅速凝结而破裂。气泡 破裂的瞬间，在气泡原来占有的空间就 形成具有高真空的空穴，液体在高压差 的作用下，以极高的速度流向空穴，形 成有冲击力的微喷射流和压力波，由于 气泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部 溶解和凝结，因此在冲击力的作用下又 分成小气泡，再被高压力的流体压缩、 凝结、破裂，如此形成多次反复。这 种气泡产生和破裂的全过程称为空化 （cavitation）。如果这些气泡在阀内流 路阀内件表面处凝结、破裂，就会对材 料表面产生高频冲击，所形成的冲击力 可高达几百甚至上千牛顿（冲击的压强 可高达几千兆帕），冲击频率可达几万 赫兹，从而使材料产生疲劳导致机械剥 蚀的损害。同时，从液体中逸出的活性 气体（如氧气）借助气泡凝结时放出 的热量，也会对金属等材料产生化学 腐蚀。这种由于空化导致金属等材料 因机械剥蚀和化学腐蚀受到损害的现 象，称为控制阀空化气蚀。在空化发
参见图3，确认不同状态下的西格 玛空化系数（cavitation coefficient）：
σi表示初始空化； σc表示持续空化； σmv表示最大振动空化； σid表示初始空化损害（开始对材 料产生损害）； σ c h 表 示 初 始 阻 塞 流 （ ≈ 1 / F L 3）： σch=（P1-Pv）/ [FL2（P1-FFPv）]； σmr为制造厂推荐的空化系数。 从图3中可看出，根据操作条件计 算的σ数值较大且大于σi值时是非空 化状态，流体已呈紊流（液体振动状
定，例如单座球形阀的初始空化损害的a指数为
0.08-0.11
压差比方法
压力比方法最早是VDMA组织在 1979年发布VDMA 24422中提出压差 比XF和初始空化时的特性压力比XFZ （也称为Zy值），并于1989年对VDMA 24422进行修订。1994年IEC组织采 纳VDMA 24422：1989有关压差比方 法的内容，发布了IEC 60534-8-4： 1994 《工业过程控制阀 第8-4部分： 噪声的考虑 液动流流经控制阀产生 的噪声预测方法》第一版（国标GB/T 17213.16-2005就是等同此版本）。此 后，德国萨姆森（SAMSON）公司和 同在法兰克福的达姆施塔特科技大学 （Darmstadt University of Technology） 进行联合研究实时测试阀门空化气蚀 程度的方法，获得更精确的信息，使 评估空化及损害取得开拓性进展。此 项科研成果导致IEC组织对第一版的IEC 60534-8-4：1994进行重新改写，作 技术上的重要修订，于2005年8月发布 了该标准第二版本（IEC 60534-8-4： 2005）。