本文比较分析了三种控制阀汽蚀损害的诊断方法，建议在阀门选型时，充分利用法则，控制出口流速，避免或降低阀门的损坏程度。

控制阀在流体工业中发挥着重大作用。如今，随着装置节能减排、提高效益、连续稳定运行、减少控制阀备件、快速的售后服务响应等要求的逐步提高，用户愈来愈重视如何优化、选择及使用控制阀这一问题。这是由于控制阀在装置中扮演执行器的角色，直接决定着装置的运行状态。据统计，因控制阀自身故障而导致装置停车的比例高达65%，控制阀选型的好坏也决定了其生产产品的质量和产量。

回顾近5年来，控制阀技术发展迅速，一些世界领先级控制阀厂家纷纷推出了在特殊情况下应用的阀门，例如耐高温、高压差、汽蚀、闪蒸、部分颗粒介质磨蚀、高噪音等工况；同时，智能诊断型定位器陆续问世，通过定位器可以对阀门进行良好的实时检测、提供维护报警信息、优化阀门使用。毋庸置疑，上述技术的提高，大大保证了装置的稳定运行，减少了许多薄弱环节。但是我们如何才能正确计算选择并使用阀门呢？

根据使用经验可知，在苛刻工况中，汽蚀经常造成阀门内件损坏，并伴有高噪音、内件振动、阻塞流等情况发生，在阀门计算选型时，如何减小、避免汽蚀的发生至关重要。目前，阀门制造商对汽蚀的评估方法不尽相同，本文围绕KE法、δ法和XFz法，主要针对如何减少、避免汽蚀和阀门的正确选型应用进行了分析。

控制阀汽蚀

控制阀汽蚀现象是指介质流经阀内腔缩流处时，流速最大，压强能最低，如果这时的压力低于介质的饱和蒸汽压，液体气化，部分转变成含蒸汽或气体的气泡；当介质流过缩流处后，压力升高，如果超过饱和蒸汽压值，汽泡发生破裂，重新由气（汽）相变为液相，这个过程称为汽蚀或空化（Cavitation）（如图1）。当汽泡爆裂时，喷射释放巨大的能量，并产生振动波，实验证明，150μm直径的汽泡破裂，液滴喷射速度达到400km/h，产生的瞬间爆破压力可达数千公斤，对阀内件表面造成严重冲击和侵蚀磨损（图2），同时还会导致剧烈振动和高噪音、阻塞流的发生。出现严重汽蚀时，在很短的时间内，阀内件将被损坏或者阀门的工作特性将发生改变。

阀门学者从微观学角度通过水做实验用数学模型证明了上述汽蚀过程，其中汽泡压力平衡方程式为：

Pg+Pv=2α/R+P

R为汽泡的当量半径，α为转换常数，2α/R代表气泡表面张力分量部分，Pg为汽泡内蒸汽或气体压力，Pv是介质饱和蒸汽压，P代表汽泡所处环境压力。其中，Pg和Ｒ是汽泡内所含气体、蒸汽含量以及汽泡体积大小的变量，这些参数的引入表明，当介质流动状态由稳定变为流过阀门内腔缩流处变成湍流不稳定状态时，介质分子或液滴表面张力趋势的变化，通常流体由稳态到不稳定湍流流动状态变化时，分子表面张力要有一个数量级的降低。Ｒ则代表了汽泡在破裂前体积膨胀的变化过程。从微观公式中不难看出：在一定温度、压力条件下，汽泡所处外部压力和介质饱和蒸汽压是导致汽泡破裂、产生汽蚀的主要参数指标。

KE法限制Trim出口动能

KE法可以简单概括为限制阀门Trim（通常指阀座、阀心等）出口动能的一种预测方法。早在数十年以前，阀门学者指出为了解决汽蚀、噪音及振动损坏阀门及内件的问题，必须着手研究考虑控制阀门的流速，但当时并没有明确是控制阀门出口流速还是Trim的流速，不过这一理论为此后的研究提供了条件。经过一段时间的研究发展，产生了KE法则。在KE法中，把介质的密度和流体Trim出口流速结合起来加以考虑，公式表达式为：

公式1、公式2中各参数定义如下：

A0：阀门缩流处面积，单位in2或m2

KE：流体动能，单位psi或kPa
M1：转换系数，见表1
M2：转换系数，见表1
V0：阀内件缩流处流体的流速，单位ft/s或m/s

w：质量流量，单位lb/h或kg/s

ρ0：流体在缩流出口处的密度，单位lb/ft3或kg/m3

公式1、公式2中转换系数及单位见表1：

限制阀门Trim出口动能的标准见表2：

根据表2，KE法同时作了补充，对于阀门关闭状态在95%以上的场合，如果介质不含颗粒，对Trim出口动量的限制可扩大到1030kPa（150psi）；防止汽蚀、闪蒸以及对于介质内含颗粒杂质、出口两相流的工况，作为一般原则，Trim出口动能最大限制在275kPa（40psi）;对于气体或蒸汽介质，有低流速或低噪音严格要求场合，动能最大不应超过75kPa（11psi）。

δ法量化评估

δ法又称为δ汽蚀指数法，是ISA针对阀门汽蚀各过程，通过量化判断、分析汽蚀对阀门造成的影响的一种评估方法，被美国仪表协会（ISA-RP75.23-1995）所批准，其定义为：δ=（P1－Pv）/（P1－P2）。
 
式中：δ为汽蚀指数，P1为阀门入口压力，P2为阀门出口压力，Pv为介质在一定温度下的饱和蒸汽压。随着δ变大，阀门产生汽蚀的可能性变小；反之，汽蚀几率增加；如果δ值为零或负值，发生闪蒸。详细定义见图３。

从图３中可看出，当计算的δ值低于δi值时，将发生初始汽蚀；当δ低于δc值，阀门内流体升级为连续性汽蚀，这时随着δ减小，汽蚀继续增加，但幅度没有从δi到δc增加得明显，不过此时阀门及内件振动加强，噪音升高；当δ值等于δmv值时，汽蚀、噪音、振动指标均达到最大值。继续降低δ，汽蚀率和阀门振动程度、噪音将随着闪蒸现象的出现而有不同程度的降低。其中δmr是各阀门制造商针对各自所生产的阀门结构、由实验室得出的阀门固有δ常数。对于图4所示多级曲折流道阀内件结构的阀门提供的δmr值非常小，基本上接近阀门产生阻塞流时的δ值（即δch），δmr越小，阀门抗汽蚀能力越强；相反，对于蝶阀、球阀等高压力恢复结构的阀门，其δmr较大，基本接近δi，说明这些结构的阀门抗汽蚀能力较差。

XFz法限制出口流速

XFz法是根据IEC标准，在预测分析汽蚀过程时，强调限制阀门出口流速，同时考虑进、出口压差对气蚀的影响。

XFz法最初起源于德国VDMA24422-1979工业标准，后来被IEC60534认可采纳。在这个法则中，通过压差比来判断液体产生汽蚀过程，其中XF定义为液体压差比，即：

XF=（P1－P2）/（P1－Pv） 

式中：P1为阀门入口压力，P2为阀门出口压力，Pv为介质在一定温度下的饱和蒸汽压。而XFz=（P1－P2）/（P1－Pmin）。

式中：Pmin为流体流经阀门缩流处时最小的压力。XFz同理于上述的δmr，是控制阀厂家针对不同结构的阀门进行实验得到的固有结构参数，XFz值越大，阀门抗汽蚀能力越强。

图5a为某阀门制造商通过实验测得的XFz。图5b为XFz（VDMA也称Zy）、压差比系数Kc、液体压力恢复系数FL值随着阀门差压、流量分布示意图。

根据XFz法则以及用户的需求，目前一些控制阀厂家已经开发出高XFz抗汽蚀结构阀门，如图6所示。

根据XFz法则，在选择使用阀门时，一般遵循如下规则，见表3。

XFz法强调对阀门出口流速的控制，通过CFD（如图7）模拟分析出口流速对阀门内腔、内件造成的影响。选择阀门时，根据表4及表5所述的一般出口流速规则，计算出所需要的阀门最小口径。

同时，XFz法也对阀门出口流速作了规定，见表5。

XFz（IEC）法完全建立在数学模型基础上，并充分考虑了出口流速、阀门噪音、汽蚀振动、内件硬化处理等综合指标，能够为用户准确、合理选择阀门，避免汽蚀发生从而提高阀门的使用性能提供依据。在我国国标GB/T 17213.16-2005（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，该标准等同IEC60534-8-4:1994）中，对汽蚀的分析就采用这个方法。

小结

目前各先进控制阀厂家加大了控制阀可靠性预测的实验、研发力度，气蚀、闪蒸对控制阀的损害是控制阀可靠性预测分析的主要内容。相比于国外而言，国内的控制阀制造行业在这一领域的工作尚处于起步阶段，在实验室设置、控制阀计算及诊断软件方面与欧美阀门厂家还有一定距离。通过以上分析可以看出，IEC标准中的XFz法则是分析控制阀汽蚀损害及预防比较完善的一种诊断方法，XFz法则建立在大量实验室数据基础之上，同时数学模型比较完善，通过实验分析，对数学模型逐步优化，使得实验数据与模型计算数据偏差缩小，二者达到统一。此外，XFz法不仅预测、分析了阀门汽蚀损害，对如何避免、减小这种损害，如何控制阀门出口流速也作了充分的阐述。我国控制阀汽蚀诊断标准采用等同的IEC XFz法则，建议在控制阀计算、阀门选型工作中充分掌握这个法则，使控制阀更好地为装置服务。