闪蒸和汽蚀 _don

闪蒸和汽蚀。

独家摘要

主题：

虽然闪蒸和汽蚀是经常被一同讨论的，可是他们却因为产生的原因不同而有很大区别。但两者均可对阀门和相关设备造成不可估量的损坏。

主要概念观点：

●主要的区别

●每个工况条件是如何产生的

●防范阀门受损的措施

如何解决

不同的对策有助于组织或消除两者的产生。同时也可以使用组合对策。

下面的有些问题好像互不相关，但是他们全部包含在以下经常容易误解的现象中，那就是闪蒸冲刷和汽蚀。

想象一下：

●清澈透明，相对干净的水是如何冲坏阀门的呢？

●为什么在丹佛做白煮蛋要比洛杉矶时间长？

●为什么用手掐住水管，水会喷的更远？

●如何让液化汽罐烧烤用的更久？

●水泵泵不出水时听到的噪音是什么响声？

●可以预防闪蒸冲刷和汽蚀吗？如果不能，如何才能减少它对阀门的损坏呢？

闪蒸冲刷和汽蚀是对阀门产生严重损坏的潜在因素，也是第一个问题（清水、或是没有任何腐蚀性固体颗粒流过阀门时）的答案。

图1，左侧是一个导向型阀杆的未腐蚀前的情形，右侧是同一阀头被闪蒸严重冲刷腐蚀后的情形。

请注意，右边的阀头是如何呈现出光亮和槽道的，以及阀头局部的密封斜面是如何完全消失的。（这里，该圆锥面是关阀的密封面）从这些照片上可以明显的看到干净的流体发生的闪蒸冲刷可以如此严重地损坏阀头。

图2，是一组被汽蚀损坏的阀头和阀腔。这里也请注意非常明显的区别和不同：这个阀头却是暗黑和有坑洼凹状的（比如阀头和阀腔表面看上去像火山石般黑灰有坑洼。）以上这些照片显示汽蚀和闪蒸冲刷对阀门产生的损坏外观是非常不同的。但是造成的不良结果却是相同的：不能节流控制以及切断阀门。这两种类型的破坏是两种有关联的但非常不同的过程。

流程压力和汽化压力

我们先从了解“闪蒸冲刷”和“汽蚀”开始

这里我们开始研究“闪蒸冲刷”和“汽蚀”概念的真实意义，从而理解两者的区别。为此，我们首先要搞清楚另外一个概念“汽化压力”。

流体的汽化压力（以下以Pv来表述）是指在某个特定压力下，某种流体将发生热力学相变的过程从而转化成蒸汽。

图3为某种单质流体比如水的闪蒸和沸腾变化的相变图。

当温度不变时，压力的变化将导致一相往另一相的转变，当流程过程压力（用Pp表示）向低于汽化压力Pv方向继续降低时，汽化过程就会开始发生。在工业流程中，如果流程压

力不高于汽化压力，流体将维持在汽相状态，这一流程就称为汽化。

同样，当压力不变时，温度的变化同样可以导致相变。如果某种流体的汽化压力不断增加的同时，流体温度也会随之相应地增加。如果流体温度增加至汽化压力大于就地压力（一般情况就是大气压力）时，汽化过程就会发生，而这一过程就叫做沸腾。

换句话说，闪蒸发生在恒温度下压力降低时，而沸腾则是出现在恒压下，温度上升时。（这就是开头我所提到的煮蛋的例子：丹佛为什么比洛杉矶要多花点时间煮熟蛋呢？这是因为海拔千米的丹佛的气压要更低一些，而水在较低的气压下的沸腾温度比海平面的沸腾温度更低一些。所以即使水沸腾了，但温度较低，就要花更长的时间才能煮熟鸡蛋。）下面我们就要讨论：为什么在工业流程和管线系统中会发生闪蒸现象。

当流体流过一个通道时，比如管线或是软管，遇到某种限制时，比如你有一只阀门或是手掐住水管口，流体速度就会增加。为什么会这样呢？

这是因为流体流过一个更小的通流截面，它必须增加流速以保持物质的连贯性，也就是说流体的流量不变。这如同小河弯弯在到达广阔区域后平缓的流淌，而在狭窄的山谷中激流勇进波涛滚滚东流。

波义耳定律（Boyle’s law），伯努力定理（Bernoulli’s principle）和欧拉公式（Euler’s formula）都告诉我们流体的压力在节流区域内（比如阀门）比节流前大管径区域的压力更小。

图4就用图形来说明了以上观点。

闪蒸现象。

某种在流过节流区域，它的压力降低至汽化压力以下时，该条件称之为“缩流断面”（vena contracta）或“缩颈”，则汽化现象发生（也就是流体中会产生气泡）。如果下游压力一直保持在汽化压力以下，则该过程称之为闪蒸现象，而下游流体主要表现为汽态。

当水流撞击到阀门的阀头，阀腔和阀座等部件时，就会造成像图1所示的腐蚀损坏。即使在流体中都没有任何磨损颗粒，这种现象也会发生而且还可能非常严重。

图5所示，就是在使用液化丙烷烧烤炉时，液态丙烷发生闪蒸的情况。

当温度高于-42℃/-44℉时，丙烷的气化压力大于大气压力。然而，气瓶里的液态丙烷都是比其液化压力高大约10psig（0.6bar）存储于罐内，这样丙烷就一直以液态形式存在于瓶中，只有在丙烷液体流过安装在喷口上的阀门和减压阀时，液态丙烷的压力就会急速下降至其汽化压力，这样就使液态丙烷完全气化。一般情况下，气化后的丙烷气体在大气压力条件下的体积将膨胀出罐体内体积的300倍，这也就是为什么较小的丙烷罐可以烧烤很久的时间。

液化罐烤炉的例子我们可以叫它为“开放系统”，这是因为膨胀后的气体可以无限大地扩散到大气中，同时可以与巨大的系统（大气）进行物质交换和能量的转换。

而当某种流体流过一个管网系统时，我们称之为“闭式系统”，因为它只能进行能量交换而不能像开式系统那样在大气中进行物质交换。在闭式系统中，更应该仔细地考虑所有过程条件以判定是否会有闪蒸现象的发生。

图6描述了在闭式系统中，某种过程压力流从左至右流动时的压力变化曲线。

如果汽化压力Pv低于上游压力P1而高于缩流断面压力Pvc，同时又低于下游压力P2，这时气泡在压力降出现时就会产生。在这种情况下，如果压力恢复上升，则气泡就会瓦解消失或者内爆，这就是所谓的汽蚀条件。而汽蚀一般情况下，是能量巨大的，而且具有极大的潜在破坏力，就像在图2中看到的被损坏的阀门一样。

气泡的内爆会产生一种叫做流体微喷射流（micro-jets）的现象，该微射流就会以很高的速度喷撞到阀门部件上。而气泡瓦解时可以产生10万psi（约6千bar）压力的冲击波。图7就是显示了当周围流体压力恢复至气化压力之上时，单只气泡瓦解消失时的原理图。

当气泡瓦解产生的冲击波打击到阀部件表面时，工业阀门用到的材料结构会产生硬化和疲劳损坏。如果当阀门内件的表面变得很脆弱和很难抵抗断裂时，他们还要经受流体微喷射