搜索
闪蒸和汽蚀。独家摘要主题：虽然闪蒸和汽蚀是经常被一同讨论的，可是他们却因为产生的原因不同而有很大区别。但两者均可对阀门和相关设备造成不可估量的损坏。主要概念观点：主要的区别每个工况条件是如何产生的防范阀门受损的措施如何解决不同的对策有助于组织或消除两者的产生。同时也可以使用组合对策。下面的有些问题好像互不相关，但是他们全部包含在以下经常容易误解的现象中，那就是闪蒸冲刷和汽蚀。想象一下：清澈透明，相对干净的水是如何冲坏阀门的呢？为什么在丹佛做白煮蛋要比洛杉矶时间长？为什么用手掐住水管，水会喷的更远？如何让液化汽罐烧烤用的更久？水泵泵不出水时听到的噪音是什么响声？可以预防闪蒸冲刷和汽蚀吗？如果不能，如何才能减少它对阀门的损坏呢？闪蒸冲刷和汽蚀是对阀门产生严重损坏的潜在因素，也是第一个问题（清水、或是没有任何腐蚀性固体颗粒流过阀门时）的答案。图1，左侧是一个导向型阀杆的未腐蚀前的情形，右侧是同一阀头被闪蒸严重冲刷腐蚀后的情形。请注意，右边的阀头是如何呈现出光亮和槽道的，以及阀头局部的密封斜面是如何完全消失的。（这里，该圆锥面是关阀的密封面）从这些照片上可以明显的看到干净的流体发生的闪蒸冲刷可以如此严重地损坏阀头。图2，是一组被汽蚀损坏的阀头和阀腔。这里也请注意非常明显的区别和不同：这个阀头却是暗黑和有坑洼凹状的（比如阀头和阀腔表面看上去像火山石般黑灰有坑洼。）以上这些照片显示汽蚀和闪蒸冲刷对阀门产生的损坏外观是非常不同的。但是造成的不良结果却是相同的：不能节流控制以及切断阀门。这两种类型的破坏是两种有关联的但非常不同的过程。流程压力和汽化压力我们先从了解“闪蒸冲刷”和“汽蚀”开始这里我们开始研究“闪蒸冲刷”和“汽蚀”概念的真实意义，从而理解两者的区别。为此，我们首先要搞清楚另外一个概念“汽化压力”。流体的汽化压力（以下以Pv来表述）是指在某个特定压力下，某种流体将发生热力学相变的过程从而转化成蒸汽。图3为某种单质流体比如水的闪蒸和沸腾变化的相变图。当温度不变时，压力的变化将导致一相往另一相的转变，当流程过程压力（用Pp表示）向低于汽化压力Pv方向继续降低时，汽化过程就会开始发生。在工业流程中，如果流程压力不高于汽化压力，流体将维持在汽相状态，这一流程就称为汽化。同样，当压力不变时，温度的变化同样可以导致相变。如果某种流体的汽化压力不断增加的同时，流体温度也会随之相应地增加。如果流体温度增加至汽化压力大于就地压力（一般情况就是大气压力）时，汽化过程就会发生，而这一过程就叫做沸腾。换句话说，闪蒸发生在恒温度下压力降低时，而沸腾则是出现在恒压下，温度上升时。（这就是开头我所提到的煮蛋的例子：丹佛为什么比洛杉矶要多花点时间煮熟蛋呢？这是因为海拔千米的丹佛的气压要更低一些，而水在较低的气压下的沸腾温度比海平面的沸腾温度更低一些。所以即使水沸腾了，但温度较低，就要花更长的时间才能煮熟鸡蛋。）下面我们就要讨论：为什么在工业流程和管线系统中会发生闪蒸现象。当流体流过一个通道时，比如管线或是软管，遇到某种限制时，比如你有一只阀门或是手掐住水管口，流体速度就会增加。为什么会这样呢？这是因为流体流过一个更小的通流截面，它必须增加流速以保持物质的连贯性，也就是说流体的流量不变。这如同小河弯弯在到达广阔区域后平缓的流淌，而在狭窄的山谷中激流勇进波涛滚滚东流。波义耳定律（Boyle’slaw），伯努力定理（Bernoulli’sprinciple）和欧拉公式（Euler’sformula）都告诉我们流体的压力在节流区域内（比如阀门）比节流前大管径区域的压力更小。图4就用图形来说明了以上观点。闪蒸现象。某种在流过节流区域，它的压力降低至汽化压力以下时，该条件称之为“缩流断面”（venacontracta）或“缩颈”，则汽化现象发生（也就是流体中会产生气泡）。如果下游压力一直保持在汽化压力以下，则该过程称之为闪蒸现象，而下游流体主要表现为汽态。当水流撞击到阀门的阀头，阀腔和阀座等部件时，就会造成像图1所示的腐蚀损坏。即使在流体中都没有任何磨损颗粒，这种现象也会发生而且还可能非常严重。图5所示，就是在使用液化丙烷烧烤炉时，液态丙烷发生闪蒸的情况。当温度高于-42℃/-44℉时，丙烷的气化压力大于大气压力。然而，气瓶里的液态丙烷都是比其液化压力高大约10psig（0.6bar）存储于罐内，这样丙烷就一直以液态形式存在于瓶中，只有在丙烷液体流过安装在喷口上的阀门和减压阀时，液态丙烷的压力就会急速下降至其汽化压力，这样就使液态丙烷完全气化。一般情况下，气化后的丙烷气体在大气压力条件下的体积将膨胀出罐体内体积的300倍，这也就是为什么较小的丙烷罐可以烧烤很久的时间。液化罐烤炉的例子我们可以叫它为“开放系统”，这是因为膨胀后的气体可以无限大地扩散到大气中，同时可以与巨大的系统（大气）进行物质交换和能量的转换。而当某种流体流过一个管网系统时，我们称之为“闭式系统”，因为它只能进行能量交换而不能像开式系统那样在大气中进行物质交换。在闭式系统中，更应该仔细地考虑所有过程条件以判定是否会有闪蒸现象的发生。图6描述了在闭式系统中，某种过程压力流从左至右流动时的压力变化曲线。如果汽化压力Pv低于上游压力P1而高于缩流断面压力Pvc，同时又低于下游压力P2，这时气泡在压力降出现时就会产生。在这种情况下，如果压力恢复上升，则气泡就会瓦解消失或者内爆，这就是所谓的汽蚀条件。而汽蚀一般情况下，是能量巨大的，而且具有极大的潜在破坏力，就像在图2中看到的被损坏的阀门一样。气泡的内爆会产生一种叫做流体微喷射流（micro-jets）的现象，该微射流就会以很高的速度喷撞到阀门部件上。而气泡瓦解时可以产生10万psi（约6千bar）压力的冲击波。图7就是显示了当周围流体压力恢复至气化压力之上时，单只气泡瓦解消失时的原理图。当气泡瓦解产生的冲击波打击到阀部件表面时，工业阀门用到的材料结构会产生硬化和疲劳损坏。如果当阀门内件的表面变得很脆弱和很难抵抗断裂时，他们还要经受流体微喷射的冲击，如此一来，阀件材料将随着时间的推移造成致命的恶化。这样的过程就会形成非常独特的坑洼状汽蚀破坏外观。图8显示在离心泵内汽蚀是如何发生的。在图中的曲线A上看到，如果水泵叶轮入口中心处的压力低于汽化压力，则气泡就产生了，当系统压力在泵后下游又回复到汽化压力以上时，气泡就会瓦解爆裂。离心水泵要控制其压力、温度和流速维持在泵的设计规格参数内来防止汽蚀的产生。由于汽蚀会对泵的叶轮产生极大的损坏，剧烈的震动和巨大的噪音，所以设计时必须防止泵内汽蚀的产生。曲线B就显示出了如何保证泵可以在选定的条件下正常工作而不产生汽蚀的条件。而如何实现呢？就是让泵叶轮入口处的压力可以降低到低于泵吸入口的压力，但是高于液体汽化压力，这样汽蚀现象就不会发生了。如何防止阀门损坏？总体来讲，阀门制造商总会有各种各样的策略来防止闪蒸和汽蚀对阀门产生的潜在破坏。而这些策略可以称为“抵抗”、“隔离”或“消除”。“抵抗”的方式就是使用很硬质的金属材料，使其具有高强韧性，高抗疲劳强度以及耐各种腐蚀破坏性能。“隔离”的设计思路包括流道的设计，使阀内件的表面最小程度受到闪蒸和汽蚀的冲刷和撞击。“消除”的策略包括使用弯曲的流道或是采用在流过阀门时的逐级平缓压降设计。这还包括增加阀头或是孔板来分化通过多个部件的压降。如此，就可以在第一个部件处产生一个较高的阀后压力P2来减小汽蚀的潜在破坏。向阀内引入大气压或者注入高压空气是第三种消除汽蚀的方式。制造商也会同时组合使用以上这些手段来强化阀门损坏的防范措施。“抵抗”材料结构的选择上一定要求可以抵抗机械冲击和化学腐蚀两种破坏。机械破坏有两种形式：腐蚀（包括磨损，闪蒸和/或汽蚀）和材料的变形及随之的损坏。因为在一定时间的机械破坏后，材料表面的保护涂层就会被硬生生的剥离，而使得基材更容易遭受化学腐蚀。图9就是两个阀头不同的阀头设计在近似的闪蒸条件下相同使用周期内的结果。图9：左侧阀头密封面采用硬质合金ALLOY6的小台肩设计，右侧的是使用的较软的合金材料，工况和使用时间相同，但受破坏结果差距巨大。“隔离”（机械隔离）一般情况下，都是在阀内件焊上一些叫内衬的部件，这样就可以通过衬套来控制高速流动和通过阀门的压降。高速流体会加速磨损或腐蚀量，所以这一腐蚀量也就与流体的接触时间和与变速流动区域的距离有关。它是这两者的函数。隔离就是引导过程流体流过合适的流道来防止或减小对管件部件表面的冲击。图10就是一个角阀的剖面图。当有了导向部件，流动就会如图示通过阀门（一段称之为顺流导向）。角阀就会使闪蒸冲刷和汽蚀基本上发生在流体通过衬套以后更理想的位置。有闪蒸和汽蚀聚集起来的大部分潜在破坏力的能量都会消散在流动的流体中，而不是使流体直接撞击到衬套或其它方向的流道。另外，硬化处理的金属材料也用于阀门出口处的内衬。图中可以看到在出口处就可以起到抵抗和隔离的双重保护的作用。图11显示的是一个流体动力学模型，它是以逆流为导向专门为研究腐蚀情况设计的偏心旋转阀头。在流动的高速区域内，即缩颈断面（闪蒸）是发生在阀头的下游，具体的位置是发生在阀头后的出口处。重申一下，可以通过这样的逆流导向设计，以及在阀座和出口内壁处使用抗磨损材料来同时合并考虑隔离和抵抗两种防范措施。注：图11，上图为偏心阀头在逆向倒流设计的模拟流体动力学中的图像，图中显示了阀头后下游高速流区域的情况。“消除”消除的手段可以同其它的两种手段同时综合使用，比如：用抵抗和隔离来对付汽蚀，汽蚀从原理上讲可以通过提高阀内出口背压来消除。无论如何，由于刚刚离开阀座的下游压力不可能高于流体的汽化压力，所以这种方法是不可能消除闪蒸现象的。在大多数情况下，对于每个过程条件，是很难保证整个系统压力都大于比流体的汽化压力。（这样就会消除闪蒸，但也许会造成汽蚀。）所以更多的做法是基于消除的思路来减少或防止破坏性的汽蚀发生。多孔状阀室，弯曲流道和其它内衬套的设计被多数阀门制造商用来细致地控制阀内的缩流断面压力使其总是大于汽化压力。这样就可以最大量的减小或防止气泡的聚集，同样也就消除了汽蚀破坏。图12显示了结合抵抗（硬质材料），隔离（流走）和消除（逐级压力）三种设计思路而产生的多孔阀室：利用硬化后的材料来抵抗闪蒸，让流体迅速流向下游来隔离阀件内件与流体的直接碰撞，用逐级降压的阀杆设计来消除汽蚀。如果可以认真仔细地设计多孔阀室的孔型，直径和间距就有助于将无数个喷射微流通过多孔阀室起到隔离效果。对于更严重的汽蚀情况，就需要图12右侧的附加的设计使用手段了。这样的设计就是使用所有的上述手段再附加一个贯穿整个阀芯的轴向逐级压降控制。就是这样一个特殊的设计可以减小或消除高达6000psid（413bar）的压差引起的汽蚀和相应的破坏。图12，左图为孔状阀箱，右图为有孔状阀室角阀。阀芯内部配有轴向逐级减压的阀芯。结论闪蒸和汽蚀是由于过程流体的性能和过程条件所导致的热力学过程。而了解流体性能（比如汽化压力）和系统性能（比如流程压力及温度）是至关重要的，这会有助于我们理解为何要强调在阀门选型和应用中汽蚀或闪蒸是潜在威胁的原因。即使在不含有任何固体颗粒的干净流体中，闪蒸冲刷和汽蚀破坏可以造成阀门的严重损坏。在许多阀门的设计思路中，应该更多的考虑闪蒸冲刷和汽蚀破坏对阀门的影响，实际上这些影响可分为三类处理方式：抵抗、隔离和消除。深刻理解这三个处理原则对如何为严苛的应用场合选择理想的阀门设计方案是有很大帮助的。