0 引言
调节阀是自控系统中的终端现场调节仪表。它安装在工艺管道上，调节介质的流量，按设定要求控制工艺参数。调节阀直接接触高温、高压、深冷、腐蚀等工艺流体介质，因而是最容易被腐蚀、冲蚀、气蚀、老化、损坏的仪表，往往给生产过程的控制造成困难。尤其是在液体工况下，如果调节阀上的压差ΔP（P1－P2）大于最大允许计算压力降ΔPmax，那么就会产生闪蒸或气蚀，这种现象会引起调节阀或相邻管道结构上的损坏，同时还可能引起整个系统的振动和噪音，严重影响调节阀的使用寿命和整个自控系统的精确性，给装置生产带来极大的隐患。
1 阻塞流引起闪蒸和气蚀
闪蒸和气蚀是一个物理现象名词，因为它描述了流体介质在形式上的实际变化。这种变化是从液态变为气态，由于通常是在阀座口的最大流道缩径处或其下游的流体速度的增加而引起的。随着流体通过缩径，流束会变细或收缩。流束的最小横断面出现在实际缩径的下游被称为缩流断面处，如图1所示。
图1 缩流断面示意图
为维持流体稳定地流过调节阀，在截面最小的缩流断面处，流速是最大的。流速（或动能）的增加伴随着缩流断面处压力（或势能）大大的降低。再往下游，随着流束扩展进入更大的区域，流速下降，压力增加；但下游压力不会完全恢复到与调节阀上游相等的压力，调节阀两侧的压差ΔP表示阀门中消耗的能量。图2为高压力恢复和低压力恢复调节阀的压力变化曲线，反映了由于较大的内部紊流和能量消耗，一个流线型高压力恢复调节阀如球阀与一个低压力恢复调节阀的不同性能。
图2 高压力恢复和低压力恢复调节阀的压力变化曲线比较
不管阀门的恢复特性如何，值得注意的是与闪蒸和气蚀有关的压差就是调节阀入口状态下液体的蒸汽压力与缩流断面之间的压差。用Pvc表示缩流断面处的压力；用Pv表示调节阀入口状态下液体的蒸汽压力；FF表示临界压力比，它是由流体性质决定的小于1的常数。如果Pvc明显低于Pv，即
Pvc＜FFPv
这时会发生大量的汽化，严重影响流量的测量。流量不再与
成正比，如图3所示。随着横坐标
的增大，Pvc逐渐递减。在Pvc降至Pv以前，流经调节阀的流量Q与
成正比；在Pvc降至Pv以后，曲线斜率有所减小；当Pvc降至FFPv以后，流量Q几乎不再随
的增大而增加，斜率很小，这种状态称为阻塞流。
图3 调节阀流量与差压方根的关系
如果缩流断面处的压力降到液体的蒸汽压力以下，即Pvc＜Pv（由于该点处流速增加），气泡就会在流束中形成。随着缩流断面处的压力降到液体的蒸汽压力以下，即Pvc＜FFPv，气泡会大量形成。在此阶段，存在对调节阀的结构损坏的可能性。
如果调节阀的出口压力仍然低于液体的蒸汽压力，即P2＜Pv，气泡将保持在阀门的下游，这时就产生了“闪蒸”。如果下游的压力恢复足以使得调节阀的出口压力提高到高于液体的蒸汽压力，即P2＞Pv，气泡将会破裂或向内爆炸，从而产生“气蚀”。
2 闪蒸和气蚀的影响
闪蒸的影响主要是物理损害，闪蒸对调节阀的阀芯会产生严重的冲刷破坏，其特点是受冲刷表面有平滑抛光的外形，如图4所示，这种损坏过程非常类似于喷砂过程。就流体而言，蒸汽体积常常大于液体体积，以至于使液滴趋向于蒸汽的流速，液滴冲击表面如同固体颗粒冲击表面一样，足以使表面材料损坏脱落。冲刷最严重的一般是在流速最高处，通常位于阀芯和阀座环的接触线上或附近。
图4 闪蒸破坏的典型外形
气蚀的损害发生在非常接近气泡破裂的地方。曾有研究者发现，在气泡破裂时压力高达689MPa。一种理论认为，从每个气泡破裂产生的冲击波会向四周发射，当这些冲击波发生于邻近的固体边界层时，就产生一种高度挤压和连续不断的小撞击，任何一个确定的固体表面都会受到重复冲击趋向于疲劳，直至达到疲劳极限，导致表层脱落。气泡在离开固体表面有足够距离的地方破裂，可以认为不会产生物理损坏，因为，它们的能量被流动的流体吸收了。因此在实际中，经常出现阀内件遭严重损害的现象也就不足为奇了。气蚀损害具有煤渣似的粗糙外形的特点，这种损坏与大多数其他类型的流动损坏有明显的区别，如图5所示。如果在邻近的下游管道仍存在压力恢复和气泡破裂的现象，气蚀造成的损坏可能延伸至邻近的下游管道。很明显，高压力恢复阀门比较容易发生气蚀，因为它的下游压力更有可能上升至液体蒸汽压力以上。
图5 气蚀破坏的典型外形
闪蒸和气蚀都可能带来阀芯的振动，包括垂直振动和水平振动，它们分别来自流体对阀芯的垂直撞击和水平撞击，其结果是造成机械磨损和破坏，调节阀性能变差，甚至阀杆折断。某公司1#动力装置曾经就发生过因为闪蒸引起振动致使阀杆断裂的情况。另外，气蚀产生时，蒸汽气泡破裂释放出能量，并产生一种类似于砂石在管道内流动的噪声。
3 闪蒸和气蚀现象的防护措施
3.1 闪蒸的防护措施
闪蒸的产生是因为Pvc＜Pv且P2＜Pv。闪蒸不能由调节阀直接控制。这意味着对任何调节阀来说都无法防止闪蒸。闪蒸不能靠调节阀来避免，最好的办法是选用合适的几何形状和材料的调节阀来避免或尽量减小破坏。
1）防止或减少液滴或气泡冲击阀体表面。选择流体方向改变尽可能少的阀门，以使液滴或气泡冲击数量减到最小。直行程角形阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心，而不是直接冲击阀体内壁，所以大大减少了冲击阀体内壁的饱和气泡数量，从而减弱了闪蒸的破坏力。一些旋转阀如偏心旋转球塞阀和V形球阀也提供直通式流道。
2）将受冲刷的表面尽可能硬化。对于流体肯定会冲击阀门内表面的区域，如阀座表面，尽可能选择较硬的材料。但能够长时间抵御闪蒸冲刷的材料很少，且价格昂贵，国内外常用的材料为司太莱合金（含钴、铬、钨的合金，45HRC）、硬化工具钢（60HRC）和钨碳钢（70HRC）等。但硬度高的材料加工成型成本高，而且易脆裂。一般常用的方法是在不锈钢基体上进行堆焊或喷焊司太莱合金，形成硬化表面。当硬化表面出现损伤后，可以进行二次堆焊或喷焊，这样既能增加设备的使用寿命，又减少了维修费用。
3）降低流体冲刷速度。在阀的下游加扩展式流通区域的阀门也是有效的，这样会大大减小冲刷速度。
4）既有闪蒸又有腐蚀性的流体比较麻烦。在这种情况下，流体会使阀门腐蚀，而闪蒸会冲刷由腐蚀产生的软性氧化层，这种综合作用比两种机理单独产生的破坏要大。在这种情况下，选择一种低合金钢以防止腐蚀是基本的解决方案。
3.2 气蚀的防护措施
气蚀的防护措施如下：
1）通过控制调节阀的压降来消除气蚀。如果控制调节阀的压降使得局部压力不会低于液体的蒸汽压力，那么蒸汽气泡就不会形成，没有蒸汽气泡的破裂，也就不会产生气蚀。为了消除气蚀，可以使用多级降压内件，如图6所示。把通过阀门的压降分成数个较小的压降，确保每一个较小的压降在其缩流断面处的压力都大于液体的蒸汽压力，因此不会形成蒸汽气泡。
图6 消除气蚀的多级降压内件
2）采用多孔节流设计，防止气蚀的发生。多孔节流是一种综合设计方案。这类阀体部件的特点是在阀体部件的套筒壁上或阀芯上开有许多特殊形状的小孔。每种不同的小孔设计都影响着阀门的压力恢复程度。如图7所示，图7a薄形金属板式结构流通效率最差，但压力恢复系数FL值较高，具有较低的压力恢复能力，不易产生气蚀。图7b厚形金属板式结构流通能力较高，但压力恢复系数FL值较低，具有较高的压力恢复能力，易产生气蚀现象。图7c复合板式结构是前两种设计的综合与平衡，不但有较高的流通能力而且仍能保持较高的FL值，从而具备较低的压力恢复能力，避免了气蚀现象的发生。此设计是流通能力和气蚀控制应用中最有效的方案。
图7 节流孔形式
3）如闪蒸的防护措施一样，尽可能减少或隔离气蚀产生的破坏。这种方法的目标是把气蚀与阀内表面隔离开来，并硬化那些会受到气蚀冲击的表面。
4）对已选定的阀型（压力恢复系数FL确定），应考虑从工艺系统上减小阀门上的压降，防止气蚀的产生。如果能将P2升高以至于缩流断面处的压力Pvc不会降到液体的蒸汽压力Pv以下，也就是说阀门不会被阻塞，那么气蚀就可以避免。将调节阀移到下游处有较高静压头的位置可以提高P2的值。增加一个限流孔板或类似的背压装置也能提高调节阀的P2值，同时，还存在把气蚀从调节阀转移到下游限流孔板处的潜在可能性。
4 结论
调节阀的闪蒸和气蚀是因阻塞流引起的常见现象。但是通过合理选择阀门结构，合理选用阀门材料，合理采用硬化处理等措施，可以有效控制闪蒸产生的破坏。通过科学的阀门结构设计，阀门新技术的应用以及工艺系统的调整等措施，可以有效防止气蚀的产生并减少气蚀带来的破坏。
