閃蒸

　　現(xiàn)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(dāng)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(zhuǎn)化成蒸汽。水在升溫至沸點(diǎn)前的過程中吸收的熱叫“顯熱”，或者叫飽和水顯熱。在同樣大氣壓力下將飽和水轉(zhuǎn)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，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(tǒng)中出現(xiàn)，容易對(duì)閥門產(chǎn)生汽蝕損壞，可以選擇反汽蝕高壓閥，其特點(diǎn)是多次節(jié)流分?jǐn)倝翰?，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)電廠中鍋爐排水的回收和地?zé)岚l(fā)電中。 

空化

當(dāng)純液體通過控制閥節(jié)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(xiàn)空化。此時(shí)，液體流動(dòng)的連續(xù)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(xiàn)某一壓力恢復(fù)的特性，最終的下游壓力通常高于節(jié)流孔喉口的靜壓。當(dāng)下游壓力高于流體的飽和蒸汽壓時(shí)，蒸汽氣泡潰裂回復(fù)為液體。這一兩級(jí)轉(zhuǎn)化的過程被稱為空化。

噪音：噪音是由于閥門前后壓差過大而產(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(jī)械的地方,經(jīng)常可以看到調(diào)節(jié)閥、減壓閥等節(jié)流閥的閥瓣和閥座等零件內(nèi)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(xiàn)象,這種現(xiàn)象既能引起調(diào)節(jié)閥流通能力kV 減小,又能產(chǎn)生噪音、振動(dòng)及對(duì)設(shè)備的損害,進(jìn)而嚴(yán)重影響閥門的使用性能和壽命。因此控制和降低調(diào)節(jié)閥受汽蝕的影響是閥門設(shè)計(jì)和使用時(shí)要考慮的問題之一。
2 　汽蝕和閃蒸

    汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)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(zhuǎn)變過程,當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)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(見圖1) 。當(dāng)壓力為P1 的流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí),流速突然急劇增加,靜壓驟然下降,當(dāng)孔后壓力P2 在達(dá)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(xiàn)象,稱為閃蒸階段,可見它是一種系統(tǒng)現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥不能避免閃蒸的產(chǎn)生,除非系統(tǒng)條件改變。而當(dāng)閥門中液體的下游壓力又升回來,且高于飽和壓力時(shí),升高的壓力壓縮氣泡,使之突然破裂,稱為空化階段。在空化過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,氣泡的爆破是從大體積向小體積的轉(zhuǎn)變。空化是一種從液態(tài)→飽和→液態(tài)的轉(zhuǎn)變過程,它不同于閃蒸現(xiàn)象。

    汽蝕過程中氣泡破裂時(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(dá)2 ×103 MPa ,大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限。同時(shí),局部溫度高達(dá)幾千攝氏度,這些過熱點(diǎn)引起的熱應(yīng)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。在高壓差惡劣條件下,極硬的閥瓣和閥座也會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)遭到破壞,發(fā)生泄漏,影響閥門的使用性能。同時(shí)汽蝕過程中,空化時(shí)氣泡破裂釋放出巨大的能量,引起內(nèi)部零件的振動(dòng),產(chǎn)生高達(dá)10 kHz 的噪聲,氣泡越多,噪聲越嚴(yán)重。

3 　防止汽蝕破壞的方法

    調(diào)節(jié)閥里的閃蒸是不能預(yù)防的。所能做到的就是防止閃蒸的破壞。在調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中影響著閃蒸破壞的因素主要有閥門結(jié)構(gòu)、材料性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于空化破壞,可以采用曲折路徑、多級(jí)減壓和多孔節(jié)流的閥門結(jié)構(gòu)形式予以防止。

1) 閥門結(jié)構(gòu)。

    雖然閥門結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生閃蒸無關(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(jié)構(gòu)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(nèi)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,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?yàn)閮H僅在閥體下游部分才有閃蒸液體。

3) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

    閃蒸現(xiàn)象是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)所決定的,圖2 為加熱排水閥將閃蒸水排向冷凝器的系統(tǒng)。) 的閃蒸出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥與冷凝器之間的管道里,閃蒸破壞只會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域。)的閃蒸現(xiàn)象產(chǎn)生在閥門的下游和冷凝器中。所以冷凝器相對(duì)于管道來說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(tǒng)設(shè)計(jì)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)通過一個(gè)含有曲折路徑的節(jié)流件是減小壓力恢復(fù)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(shè)計(jì)的效果基本上是一樣的。這種曲折路徑在各種控制汽蝕現(xiàn)象發(fā)生的部件設(shè)計(jì)中都是可以利用的。

5) 多級(jí)減壓。

    多級(jí)減壓中的每一級(jí)都消耗一部分能量,使得下一級(jí)的入口壓力相對(duì)較低,減小了下一級(jí)的壓差,壓力恢復(fù)低,避免了汽蝕的產(chǎn)生。一個(gè)成功的設(shè)計(jì)可以使閥門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(duì)于相同的壓力降,一級(jí)節(jié)流比多級(jí)節(jié)流更容易產(chǎn)生汽蝕。

6) 多孔節(jié)流設(shè)計(jì)。

    多孔節(jié)流是一種綜合設(shè)計(jì)方案。采用特殊的閥座和閥瓣結(jié)構(gòu)形式,使高速液體通過閥座和閥瓣每一點(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(diào)節(jié)閥中液體的動(dòng)能由于相互摩擦而轉(zhuǎn)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(duì)閥座和閥瓣表面的直接破壞。

    每種不同的小孔設(shè)計(jì)都影響著閥門的壓力恢復(fù)程度。圖3a)薄形金屬板式結(jié)構(gòu)流通效率最差,但壓力恢復(fù)系數(shù)KM 值較高,具有較低的壓力恢復(fù),不易產(chǎn)生汽蝕。圖3b) 厚形金屬板式結(jié)構(gòu)流通能力較高,但壓力恢復(fù)系數(shù)KM 值較低,易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。圖3c) 復(fù)合式結(jié)構(gòu)是前兩種設(shè)計(jì)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(fù),避免了汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。因此這種設(shè)計(jì)是預(yù)防汽蝕很典型的有效方案之一。

4 　結(jié)語
    汽蝕是調(diào)節(jié)閥裝置中最為常見的流動(dòng)現(xiàn)象,但是通過合理的閥門設(shè)計(jì)和優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)可以有效地控制汽蝕所帶來的破壞,從而延長(zhǎng)閥門的使用壽命,保證閥門的可靠性能。