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pv。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pv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pv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pv或高于pv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化学腐蚀。这种由于空化导致控制阀材料表面因机械剥蚀和化学腐蚀受到损害的现象，称为控制阀空
p1 p2 （a）汽泡进入高压力区域破裂 （b）靠近硬表面时汽泡破裂
P-P 闪蒸
P-P
空化
（c）依附硬表面的半球状汽泡破裂
波中心
无闪蒸和空化波方向 P
图1 流体流经控制阀时的压力变化 （e）压力波 （d）微喷射流
-不同饱和蒸汽压情况
图2 汽泡破裂示意图 -Pvc为缩流处压力
1
V
1
V
VC
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，p1 – pv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pv，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△pc等于FL2（p1 – pv）或者低于（p1 – p2）。
闪蒸发生是缩流区域后的压力（阀后压力p2）仍然小于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv。
空化发生是缩流区域压力pvc小于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv，而缩流区域后的压力p2恢复并高于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv。
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p1 （2）阀门出口压力p2 （3）液体饱和蒸汽压pv
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： （p1 – pv） σ = （p1 - p2）
式中：σ 为空化指数
p1为控制阀入口流体压力 p2为控制阀出口流体压力
pv为液体流体在工作温度下的饱和蒸汽压
加 速 度
制造厂 推荐空化值
直通单座阀；NPS 3（3英寸）；Cv=30； 流体：水；p1 =0.8MPa(a)；pv =0.2MPa
初始 空化状态
最大 振动状态
持续 空化状态
液体振动状态
闪蒸空化
紊流
σ
（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)
图3 西格玛方法的典型空化指数图
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/FL3）；σch =（p1 – pv）/ [FL2（p1 –FF pv）] σmr 为制造厂推荐的空化系数
流体已呈紊流（液从图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，
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LpA,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： σid - 1 空化强度 I = FU FT FDC σss - 1
σ 其中：
SSE - 1
σss = + 1 PSE
式中：FU —基于速度因数，如出口流速5m/s时为1
FT —温度影响，平均值为2（ISA RP 75.23附录C）
FDC —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
dR —试验用标准控制阀的尺寸 （P1 – Pv）—选用控制阀的操作条件
（P1 – 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0.08-0.11 b —指数，用于尺寸修正，b = 0.068(Cd/N1d2)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XF和初始空化时的特性压力比XFZ（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）。
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XF（阀门入出口压差p1-p2与阀门入口压力p1同液体饱和蒸汽压pv的压差p1-pv的比值）上确定初始空化的特性压力比XFZ，突出特点是XFZ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。如果制造厂商都能按IEC标准的要求提供控制阀的特性压力比XFZ数值，就会方便设计选型和快捷评估空化及损害。
SAMSON根据对直通单座阀的空化气蚀研究发现，要引起对材料的损害，要有足够强度的压力波和出现足够数量气泡的破裂的微喷射流，而压力波主要是由压差P1-Pv控制，出现高密度气泡一般是进入阻塞流阶段。液体流体压差比XF较小时（小于初始空化的特性压力比XFZ）主要是液体流体紊流产生的噪声，在XF大于XFZ时初始空化且空化噪声覆盖过紊流噪声，声压级突然剧增。在使用声学方法和材料学方法进行综合研究，可确定发生空化时声压级有特殊的变化，声学信号有特殊的形状，声音能量有所不同，通过与材料表面凹槽数目及其半径测试的相关性，可确定空化程度的声学信号以及不同阀型的特性压力比XFZ。对压力波建立类似球面波的数学模型，按球面波振幅和脉宽测量并校正，可确定其声音能量，经确定的与空化损害的声功率及功率比，也通过材料测试建立相关性，可确定空化损害程度以及初始空化损害的XFid。
典型的声压级与压差比XF的关系图如图4所示，可看见在标出的特性压力比XFZ之处，噪声的声压级有明显升高变化，从这个点开始空化。能知道这一点对于评估空化及损害很重要，可将XFZ作为实际操作压差比和设计选型的一个条件，或进一步确定出XFid值，掌握开始空化气蚀损害的压差比作为计算上限值。
直通单座阀；NPS 3（3英寸）；Cv=30；
流体：水；p1 =0.8MPa(a)；pv =0.2MPa
空化紊流闪蒸 图4 典型的声压级与压差比XF的关系图
压差比方法对液体流体的压差比XF进行定义（见IEC 60534-8-4：2005的4.1节）为： （p1 – p2）X = F
（p1 – pv）
（对照ISA RP 75.23中的空化指数σ，可认为：XF =1/σ）；p1、p2、pv同前 式中：XF 为压差比，
而表征初始空化的特性压力比XFZ可表示为： （p1 – p2） XFZ = （p1 – pvc）
式中：XFZ 为特性压力比（characteristic pressure ratio），（对照ISA RP 75.23，可认为XFZ相当于σi）；
p1、p2同前
pvc为流体流经控制阀缩流处时达到的最小压力
在IEC 60534-8-4：2005标准的4.2节定义特性压力比XFZ：
用于除多级阀之外的阀型
（IEC 60534-8-4：2005的公式3a）
仅用于多级阀 （IEC 60534-8-4：2005的公式3b）
式中：C为流量系数，Kv和Cv
N34为流量系数常数，Kv时等于1，Cv时等于1.17 N0 为多级阀内件级
FL为液体压力恢复系数 Fd为控制阀型式修正系数 dH2为多级阀内件孔直径
N0 为同一流量流经多级阀内件数目
特性压力比XFZ是按控制阀入口压力P1为0.6MPa（6bar）标准条件下测试的，若应用的操作条件中P1是其它压力条件则需进行压力修正，非0.6MPa（6bar）条件进行修正的特性压力比XFZp1：
（IEC 60534-8-4：2005的公式3c）
按照上述公式，当知道流量系数C（Kv或Cv）、控制阀型式修正系数Fd、液体压力恢复系数FL以及阀入口压力p1就能很方便地计算出初始空化的特性压力比XFZ或经压力修正得出XFZp1。
可从图5所示的理论计算的压差比XF数值与实验室测试数据比较中看到两者有很好的吻合度。在图5中，蓝色三角是在实验室试验测量的压差比与声压级的数据，曲线1（红色）是按照第二版（新版）IEC 60534-8-4：2005的压差比方法理论计算结果，可以看出非常接近实验测试数据；曲线2（蓝色）是按第一版IEC 60534-8-4：1994方法计算的，曲线形状与新方法相似，但有较大向下平移的偏差；曲线（绿色）是按FISHER方法的计算结果，则偏离实测点较多，也没有声压级拐点变化，基本上不能采信。由于新版IEC 60534-8-4：2005的压差比方法的理论计算值非常接近实际测试值，所以理论计算确定的特性压力比XFZ也很值得信赖。
12XFZ 3 实验测试数据
11994年版IEC标准的方法
22005年新版IEC标准的方法
3Fisher公司的方法 图5 实验测试数据与不同方法计算曲线对比
掌握XFZ是为了防止和避免空化损害，选用的控制阀操作条件的压差比XF在XFZ之下，确保运行不发生空化或仅发生很弱的临界空化，且噪声控制在允许之内。但是，压差比XF高过XFZ后，高到什么程度时的空化是否会造成损害性破坏，此时确定表征初始空化损害的XFid更加重要，这也应该是压差比XF的限制值。参见图6。IEC 60534-8-4：2005基于新理论和科研成果的压差比方法能够比其它测试方法更精确地计算XFZ和预估噪声，但对评估空化损害更重要的XFid缺乏详细说明和建议，这也是一个有待改进的地方。
Q
阻塞流
2%
XFid
XFZ
KCFL
图6 XFZ、XFid和Kc、FL的关系
SAMSON运用压差比方法并得益于空化损害相关性的研究，在评估空化及损害方面处于领军地位，能够快速确定XFZ和XFid，使选型计算更准确、经济、可靠。在积极研发具有高XFZ值抗空化气蚀的阀内件AC-Trim系列取得很好应用效果（参见表1）的同时，也对240/250系列控制阀产品测试出不同口径不同流量系数下的XFZ值，可在产品信息表T 8000-1中找到具体数据（参见表2、表3），也体现在选型计算软件SAMSON valve sizing和SVSS中，用于方便选型计算以及确保在临界空化以下工况应用。
表1 SAMSON 抗空化阀内件AC-Trim应用统计 截止2007年
AC-Trim AC-1 AC-2 AC-3 AC-5 累计 年份
1998 6 0 2 4 0 6 1999 19 0 0 11 8 25 2000 39 10 6 22 1 64 2001 25 5 5 13 2 89 2002 37 9 6 22 0 126 2003 54 6 8 40 0 180 2004 57 16 2 35 4 237 2005 141 49 4 87 1 378 2006 179 66 7 102 4 557 2007 71 20 8 43 0 628
表2 SAMSON推荐的240系列控制阀的特性压力比XFZ
特性压力比XFZ
表3 SAMSON推荐的250系列控制阀的特性压力比XFZ
特性压力比XFZ
SAMSON运用新理论新测试方法快速确定出XFid，从图7可看到XFid限制值与实测值的关系以及限制值的由来，据此提出各阀型的压差比XF上限值（见表4的XFid），并已运用压差比方法和通过材料的空化损害侵蚀相关性测试得到XFid的一致性确认。可认为：
XF 确定了XFZ和XFid值，就能比较好的把握控制阀前后压差与选型计算的尺度（参见图8计算软件选择判断程序举例），尤其是在苛刻工况应用中，当XF>XFZ但小于等于XFid、压差在表4△Pcav.crit限制值内，尽管出现了空化噪声，此时仅为初始空化状态，还没有形成对材料有损害程度的空化气蚀。对阀芯阀座的硬化处理或选用多级降压抗空化阀内件，也能应用较大压差操作条件。 表4 SAMSON推荐的XFid和初始空化损害压差△Pcav.crit △Pcav.crit XFid 控制阀型式 [bar] 0.7 15 直通单座 0.7 25 直通单座，阀芯/阀座司太莱或加硬 1.0 100 直通三级阀芯 1.0 200 直通五级阀芯 0.4 10 旋塞阀 0.25 5 蝶阀和球阀 注：阀出口流速一般限制在3-5m/s 1bar=100kPa=0.1MPa XFid 值 测量值 表1限制值 流量系数 图7 初始空化损害XFid和实测值 XF 压差比方法的计算举例 控制阀条件：直通单座、流开、DN 100、阀座do=100mm 额定流量系数Cv =195、选用流量系数Cv =90 液体压力恢复系数 FL=0.92 阀门型式修正系数 Fd=0.42 管道条件： 入口/出口 DN 100 表5 计算举例： 项目 液体流体 质量流量 入口绝压（Pa） 出口绝压（Pa） 饱和蒸汽压（Pa） 压差比XF 初始空化的特性压力比XFZ 入口压力修正XFZP1 流动条件 情况1 情况2 情况3 (XFZ= XFZ +0.1)水 水 水 108,000 kg/h 144,000 kg/h 144,000 kg/h 661×10 1×10 1×106 0.8×106 0.65×106 0.65×106 2.32×103 2.32×103 2.32×103 0.2005 0.3508 0.3508 0.2543 0.2543 0.2543+0.1 0.2386 0.2386 0.3324 △p=2×105 Pa △p=3.5×105 Pa △p=3.5×105 Pa △p< XFZP1(p1-pv) △p>XFZP1(p1-pv) △p>XFZP1(p1-pv) 紊流 空化 空化 结束语 ISA RP 75.23：1995的西格玛方法基于经验数据评估空化及损害，比较适用低压力条件和控制阀一般口径，可计算初始、持续、初始损害、阻塞流状态的空化强度，但a、b等指数依赖于经验，确定初始空化和初始空化损害有一定限制。 IEC 60534-8-4：2005基于声学与材料学的相关性测试，有可能可靠地预估流体流动噪声和快捷评估空化及损害，理论计算与测试数据基本吻合。从评估控制阀液体流体空化及损害的应用和实际效果看，汲取有SAMSON研究成果的新版本IEC60534-8-4：2005提供的方法更好一些，适用各种阀型，也能测试到初始空化的特性压力比XFz。 强调流程工业在线部件的功能安全，使评估控制阀液体流体空化及损害等可靠性预测工作日益重要。在能够较为可靠确定初始空化的特性压力比XFz之后，更希望有一个评估初始空化损害及破坏程度的具体建议和工作流程，以便进一步快捷地确定出初始空化损害的XFid。 参考文献： 1. ISA- RP75.23 – 1995, “Considerations for Evaluating Control Valve Cavitation”, Recommended Practice, June 1995 2. IEC 60534-8-4:2005：Industrial process control valves-Part 8-4：Noise Considerations—Prediction of noise generated by hydrodynamic flow 3. SAMSON：Predicting cavitation damage in control valves.WA 174 EN 2006.6 4. 何衍庆等编著.控制阀工程设计与应用.北京.化学工业出版社 2005.9 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容