閃蒸

　　現象：
　　閃蒸就是高壓的飽和水進(jìn)入比較低壓的容器中后由于壓力的突然降低使這些飽和水變成一部分的容器壓力下的飽和水蒸氣和飽和水。

　　形成原因：
　　當水在大氣壓力下被加熱時(shí)，100℃是該壓力下液體水所能允許的最高溫度。再加熱也不能提高水的溫度，而只能將水轉化成蒸汽。水在升溫至沸點(diǎn)前的過(guò)程中吸收的熱叫“顯熱”，或者叫飽和水顯熱。在同樣大氣壓力下將飽和水轉化成蒸汽所需要的熱叫“潛熱”。然而，如果在一定壓力下加熱水，那么水的沸點(diǎn)就要比100℃高，所以就要求有更多的顯熱。壓力越高，水的沸點(diǎn)就高，熱含量亦越高。壓力降低，部分顯熱釋放出來(lái)，這部分超量熱就會(huì )以潛熱的形式被吸收，引起部分水被“閃蒸”成蒸汽。

　　實(shí)際情況：
　　閃蒸在管道系統中出現，容易對閥門(mén)產(chǎn)生汽蝕損壞，可以選擇反汽蝕高壓閥，其特點(diǎn)是多次節流分攤壓差，也可以選用耐汽蝕沖刷材料。

　　閃蒸也可以作為能源，被利用在熱力發(fā)電廠(chǎng)中鍋爐排水的回收和地熱發(fā)電中。 

空化

當純液體通過(guò)控制閥節流后，如果流動(dòng)液體的靜壓降低到低于該液體的飽和蒸汽壓時(shí)，可能出現空化。此時(shí)，液體流動(dòng)的連續性因部分液體氣化形成氣泡被打破了。由于控制閥都會(huì )表現某一壓力恢復的特性，最終的下游壓力通常高于節流孔喉口的靜壓。當下游壓力高于流體的飽和蒸汽壓時(shí)，蒸汽氣泡潰裂回復為液體。這一兩級轉化的過(guò)程被稱(chēng)為空化。

噪音：噪音是由于閥門(mén)前后壓差過(guò)大而產(chǎn)生的，也和氣蝕空化閃蒸等有關(guān)，所以危害特別大，要特別注意，噪音一般要求不大于85分貝

1 　概述

    在很多有水力機械的地方,經(jīng)?？梢钥吹秸{節閥、減壓閥等節流閥的閥瓣和閥座等零件內部產(chǎn)生磨痕、深溝及凹坑,這些大多是由汽蝕引起的。汽蝕是一種水力流動(dòng)現象,這種現象既能引起調節閥流通能力kV 減小,又能產(chǎn)生噪音、振動(dòng)及對設備的損害,進(jìn)而嚴重影響閥門(mén)的使用性能和壽命。因此控制和降低調節閥受汽蝕的影響是閥門(mén)設計和使用時(shí)要考慮的問(wèn)題之一。
2 　汽蝕和閃蒸

    汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達到臨界值時(shí)產(chǎn)生的一種破壞形式,分為閃蒸和空化兩個(gè)階段。閃蒸是一種非?？焖俚霓D變過(guò)程,當流體流經(jīng)調節閥時(shí),由于閥座和閥瓣形成局部收縮的流通面積,產(chǎn)生局部阻力,使流體的壓力和速度發(fā)生變化(見(jiàn)圖1) 。當壓力為P1 的流體流經(jīng)節流孔時(shí),流速突然急劇增加,靜壓驟然下降,當孔后壓力P2 在達到該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力Pv 前,部分流體汽化成氣體,產(chǎn)生氣泡,形成氣液兩相共存現象,稱(chēng)為閃蒸階段,可見(jiàn)它是一種系統現象。調節閥不能避免閃蒸的產(chǎn)生,除非系統條件改變。而當閥門(mén)中液體的下游壓力又升回來(lái),且高于飽和壓力時(shí),升高的壓力壓縮氣泡,使之突然破裂,稱(chēng)為空化階段。在空化過(guò)程中飽和氣泡不再存在,而是迅速爆破變回液態(tài)。由于氣泡的體積大多比相同的液體體積大。所以說(shuō),氣泡的爆破是從大體積向小體積的轉變?？栈且环N從液態(tài)→飽和→液態(tài)的轉變過(guò)程,它不同于閃蒸現象。

    汽蝕過(guò)程中氣泡破裂時(shí)所有的能量集中在破裂點(diǎn)上,產(chǎn)生幾千牛頓的沖擊力,沖擊波的壓力高達2 ×103 MPa ,大大超過(guò)了大部分金屬材料的疲勞破壞極限。同時(shí),局部溫度高達幾千攝氏度,這些過(guò)熱點(diǎn)引起的熱應力是產(chǎn)生汽蝕破壞作用的主要因素。閃蒸產(chǎn)生侵蝕破壞作用,在零件表面形成光滑的磨痕。汽蝕如同砂子噴在零件表面一樣,將零件表層撕裂,形成粗糙的渣孔般的外表面。在高壓差?lèi)毫訔l件下,極硬的閥瓣和閥座也會(huì )在很短時(shí)間內遭到破壞,發(fā)生泄漏,影響閥門(mén)的使用性能。同時(shí)汽蝕過(guò)程中,空化時(shí)氣泡破裂釋放出巨大的能量,引起內部零件的振動(dòng),產(chǎn)生高達10 kHz 的噪聲,氣泡越多,噪聲越嚴重。

3 　防止汽蝕破壞的方法

    調節閥里的閃蒸是不能預防的。所能做到的就是防止閃蒸的破壞。在調節閥設計中影響著(zhù)閃蒸破壞的因素主要有閥門(mén)結構、材料性能和系統設計。對于空化破壞,可以采用曲折路徑、多級減壓和多孔節流的閥門(mén)結構形式予以防止。

1) 閥門(mén)結構。

    雖然閥門(mén)結構與產(chǎn)生閃蒸無(wú)關(guān),但是卻能抑制閃蒸的破壞。采用介質(zhì)由上至下方向流動(dòng)的角形閥結構比用球形閥體更能防止閃蒸破壞。閃蒸破壞是高速度的飽和氣泡沖擊閥體表面,并腐蝕閥體表面造成的。由于角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內部下游管道的中心,而不象球形閥一樣直接沖擊體壁,所以大大減弱了閃蒸的破壞力。

2) 材料選擇。

    一般情況下,高硬度的材料更能抵御閃蒸和空化的破壞。硬度高的材料一般用于制造閥體。如電力行業(yè)常選用鉻鉬合金鋼閥門(mén),WC9 是常用抗腐蝕的材料之一。如果角形閥下游配裝材料硬度高的管道,其閥體可以選用碳鋼材料,因為僅僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。

3) 系統設計。

    閃蒸現象是由系統設計所決定的,圖2 為加熱排水閥將閃蒸水排向冷凝器的系統。) 的閃蒸出現在調節閥與冷凝器之間的管道里,閃蒸破壞只會(huì )出現在這個(gè)區域。)的閃蒸現象產(chǎn)生在閥門(mén)的下游和冷凝器中。所以冷凝器相對于管道來(lái)說(shuō)必須具有更大的容積,以防止高速度的氣泡沖擊材料表面。因此良好的系統設計有助于防止閃蒸破壞的發(fā)生。

4) 曲折路徑。

    使流動(dòng)介質(zhì)通過(guò)一個(gè)含有曲折路徑的節流件是減小壓力恢復的一種方法。盡管這種曲折路徑可以有不同的形式,如小孔、放射狀的流路等。但是每一種設計的效果基本上是一樣的。這種曲折路徑在各種控制汽蝕現象發(fā)生的部件設計中都是可以利用的。

5) 多級減壓。

    多級減壓中的每一級都消耗一部分能量,使得下一級的入口壓力相對較低,減小了下一級的壓差,壓力恢復低,避免了汽蝕的產(chǎn)生。一個(gè)成功的設計可以使閥門(mén)在承受較大壓差的同時(shí)還能保持縮流后的壓力高于液體的飽和壓力,防止液體汽蝕的產(chǎn)生。因此對于相同的壓力降,一級節流比多級節流更容易產(chǎn)生汽蝕。

6) 多孔節流設計。

    多孔節流是一種綜合設計方案。采用特殊的閥座和閥瓣結構形式,使高速液體通過(guò)閥座和閥瓣每一點(diǎn)的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓,并采用匯聚噴射的方法,使調節閥中液體的動(dòng)能由于相互摩擦而轉換成熱能,從而減少氣泡的形成。另一方面,使氣泡的破裂發(fā)生在套筒中心,避免了對閥座和閥瓣表面的直接破壞。

    每種不同的小孔設計都影響著(zhù)閥門(mén)的壓力恢復程度。圖3a)薄形金屬板式結構流通效率最差,但壓力恢復系數KM 值較高,具有較低的壓力恢復,不易產(chǎn)生汽蝕。圖3b) 厚形金屬板式結構流通能力較高,但壓力恢復系數KM 值較低,易產(chǎn)生汽蝕現象。圖3c) 復合式結構是前兩種設計的綜合與平衡,不但有較高的流通能力而且仍能保持較高的KM 值,從而具備較低的壓力恢復,避免了汽蝕現象的發(fā)生。因此這種設計是預防汽蝕很典型的有效方案之一。

4 　結語(yǔ)
    汽蝕是調節閥裝置中最為常見(jiàn)的流動(dòng)現象,但是通過(guò)合理的閥門(mén)設計和優(yōu)化閥門(mén)結構可以有效地控制汽蝕所帶來(lái)的破壞,從而延長(cháng)閥門(mén)的使用壽命,保證閥門(mén)的可靠性能。