控制阀细节分析之11_控制阀空化及损害的评估方法

控制阀细节分析之十一——控制阀空化及损害的评估方法李宝华引言控制阀（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所发生的空化及气蚀损害以及如何进行评估和防治方面。

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须注重的问题。

面对这个重点，笔者力求了解，但所能看到和搜集到的国内外有关控制阀空化及评估的论述很有限，业内对此问题的叙述也有不同，同时也注意到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。

本文试对评估控制阀液体流体空化及损害的做一些探讨，以期引起对此问题的关注。

控制阀液体流体的空化控制阀是流体管路中的节流装置，是最终执行元件。

在控制系统的指令下，控制阀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，进而达到回路控制目的。

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p v 。

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p v 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。

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p v 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汽泡。

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p v 或高于p v 时，汽泡在饱和蒸汽压以上压力的作用下将迅速凝结而破裂。

汽泡破裂的瞬间，在汽泡原来占有的空间就形成具有高真空的空穴，周围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，由于汽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汽泡，再被高压力的流体压缩、凝结、破裂，如此形成多次反复。

这种汽泡产生和破裂的全过程称为空化（cavitation ）。

如果这些汽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）借助汽泡凝结时放出的热量，也会对金属材料产生图1 流体流经控制阀时的压力变化 -不同饱和蒸汽压情况-Pvc 为缩流处压力闪蒸空化无闪蒸和空化P VCP 1-P VP 1-P V（a）汽泡进入高压力区域破裂 （b）靠近硬表面时汽泡破裂（c）依附硬表面的半球状汽泡破裂 图2 汽泡破裂示意图 （d）微喷射流（e）压力波 波中心波方向化气蚀。

在空化发生之后，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及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。

一般的理论认为空化的汽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，破裂取决于汽泡周围压力与其内部压力差以及汽泡移动速度，这样，p 1 – p v 的压差越高，汽泡破裂就越强烈。

而根据最新研究，相对微喷射流，导致汽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：若是流体在流出阀内缩流区域后，流体压力仍然等于或低于流体温度对应下的饱和蒸汽压p v ，则汽化现象依然存在，流体形成气液两相流，这种现象称为闪蒸（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平滑冲刷，在缩流区域流速最大处的冲刷最为严重。

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△p c 等于F L 2（p 1 – p v ）或者低于（p 1 – p 2）。

闪蒸发生是缩流区域后的压力（阀后压力p 2）仍然小于流体温度对应下的饱和蒸汽压p v 。

空化发生是缩流区域压力p vc 小于流体温度对应下的饱和蒸汽压p v ，而缩流区域后的压力p 2恢复并高于流体温度对应下的饱和蒸汽压p v 。

要了解和防止空化气蚀的发生，在控制阀前后出现高的压差情况，对于三个重要参数要多加考虑：（1）阀门入口压力p 1 （2）阀门出口压力p 2 （3）液体饱和蒸汽压p v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。

西格玛方法西格玛方法是由美国仪表学会标准ISA RP 75.23：1995《关于评估控制阀空化的建议》推荐的，用来预估控制阀空化损害，并详细说明空化的因素和变量。

西格玛方法不采用液体流体在流经阀内件的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。

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。

ISA RP 75.23：1995的西格玛方法中对空化指数（cavitation Index ）σ定义为：式中：σ 为空化指数p 1为控制阀入口流体压力 p 2为控制阀出口流体压力p v 为液体流体在工作温度下的饱和蒸汽压图3 西格玛方法的典型空化指数图（a）ISA RP 75.23典型空化指数图(振动测量) （b）控制阀试验的空化指数图(声压级测量)直通单座阀；NPS 3（3英寸）；Cv=30； 流体：水；p 1 =0.8MPa(a)；p v =0.2MPa闪蒸空化紊流最大 振动状态持续 空化状态初始 空化状态液体振动状态σ加 速 度 制造厂 推荐空化值参见图3，确定不同的西格玛空化系数（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） σch 表示初始阻塞流（≈1/F L 3）；σch =（p 1 – p v ）/ [F L 2（p 1 –F F p v ）] 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（噪声）明显快速升高；当σ数值小于σc 值时进入持续空化状态，空化振动（噪声）仍有升高，空化损害加重；当σ数值达到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L pA,e ,dB[A]的关系，也同样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 ：其中：式中：F U —基于速度因数，如出口流速5m/s 时为1F T —温度影响，平均值为2（ISA RP 75.23附录C ）F DC —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d R —试验用标准控制阀的尺寸 （P 1 – Pv ）—选用控制阀的操作条件（P 1 – Pv ）R —试验用标准控制阀的操作条件a —指数，用于压力修正，根据经验数据确定，例如单座球形阀的初始空化损害的a 指数为0.08-0.11b —指数，用于尺寸修正，b = 0.068(C d /N 1d 2)0.125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的标准工作流程，只能依赖复杂的测试材料腐蚀率来确定初始空化损害。

此外，西格玛方法基于经验数据，也存有一些实际操作上的缺憾，再就是经验数据可覆盖的产品阀型范围比较小。

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。

压差比方法压差比方法最早是VDMA 组织在1979年发布VDMA 24422中提出压差比X F 和初始空化时的特性压力比X FZ （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，发布在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，中国标准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）。

σss =压差比方法基于声学测量及材料侵蚀相关性确定空化及损害程度、并在液体流体的压差比X F （阀门入出口压差p 1-p 2与阀门入口压力p 1同液体饱和蒸汽压p v 的压差p 1-p v 的比值）上确定初始空化的特性压力比X FZ ，突出特点是X FZ 理论计算值与实际测试值基本吻合，方法的可操作性强，并可使选型计算时能够很方便地确认用户操作条件下的控制阀是否发生空化。