如何避免离心泵系统中节流孔板和控制阀的汽蚀？
摘要
节流孔板和控制阀通常用于减压和流量测量，但是对于液体系统，这些设备的压降如果过大可能会导致汽蚀现象。本文描述了预测通过节流孔板和阀门的汽蚀现象的方法，并提出了可用于避免汽蚀现象的措施。
符号含义
简介
汽蚀现象发生在液体系统中，是液体中蒸汽气泡快速形成和破裂的结果。必须避免或控制汽蚀现象，因为蒸汽气泡的坍塌会在气泡坍塌的位置释放大量的能量。这种能量释放的后果通常是噪音、振动的显著增加和接触表面的点蚀损坏，随着时间的推移，可能会导致泵或阀门等设备的严重损坏或故障。
汽蚀发生在压力低于（泵送）液体蒸汽压力的区域，如泵吸入口；或发生在较大压力降的区域。在本文中，我们将考虑控制阀和节流孔板，在液体系统中它们通常被用于减压。
即使最终系统压力高于液体蒸汽压力，减压系统中也可能会出现汽蚀现象。这是因为中间压力可能低于最终压力。
对于简单的同心节流孔板，流体通过节流孔板时会加速，在节流孔板下游短距离内（缩流断面附近）达到最大流速。流速的增加是以牺牲流体压力为代价的，导致缩流断面内的低压。在缩流断面下游恢复（到正常管径）区域，流体减速，将多余的动能转换为压力能。因此，缩流断面附近的中间压力低于最终的系统压力，这里出现汽蚀的可能性最高，如图1所示。
图1：流体流经孔板（缩流断面）示意图
很难或通常不可能测量出该类系统的最低压力，例如，在缩流断面附近，特别是对于控制阀的复杂设计结构中。此外，流动稳定性、系统振动和其它外部因素的变化，都会影响是否发生汽蚀。
由于难以预测或测量系统，可将最低压力设备放置在试验台上，然后根据汽蚀指数来表征设备是否可能存在汽蚀。
预测汽蚀和汽蚀指数
汽蚀指数是设备入口压力和流体蒸汽压力之间的压差与设备两端的压差之比。汽蚀指数计算公式如下：
上述公式用来确定特定装置和应用的汽蚀指数。将上述公式计算的Ci值与特定设备和应用的可接受值（见表1）进行比较，以确定发生汽蚀的可能性。例如，对于典型的方形边同心孔板，2或以上的Ci不太可能导致汽蚀，而低于2的值则表明可能存在汽蚀或初生汽蚀（NPSHi）。
汽蚀指数是一种用于分析节流孔板和阀门是否可能存在汽蚀的启发式方法，可接受的Ci值将取决于几个因素，包括流动稳定性、孔口附近的管道几何形状和孔口设计的细节。表1列出了一些典型的节流孔板和阀门的Ci值。
如何避免汽蚀？
可以通过下述三种方式中的一种（或者几种组合）使液体减压从而避免汽蚀的发生：多级减压、曲折路径（如，迷宫式）减压、受控汽蚀。或者，设计者可以选择接受轻微的汽蚀存在，而使用硬化的内件控制阀。每种方法都有优缺点，例如，量程比、成本、可达到的最小Ci和设备的物理尺寸。
多级减压
可能涉及多个节流孔板、控制阀或者两者的组合。典型的设置可能包括一个下游带有节流孔的控制阀。然后，节流孔板为控制阀提供背压，以防止通过阀门产生汽蚀（泵沙龙注：这是核电站主给水泵组再循环系统最常见的配置 - 多级减压的最小流量阀+节流孔板）。但是，节流孔本身的尺寸也必须正确，以防止汽蚀。
图2：多级孔板减压示意图
这种配置的优点是相对便宜，特别是如果串联使用多个节流孔。这种配置的缺点是较大的物理尺寸和较差的调节性能，特别是对于只有节流孔的配置。
受控汽蚀
受控汽蚀配置通常通过允许汽蚀发生和控制汽蚀的位置来工作。这可以通过控制阀来实现，该控制阀引导流体喷射，允许它们结合并在远离阀门的金属表面处发生汽蚀。
这种设计的缺点是通常使用狭窄的通道，容易堵塞。此外，这些阀门不适用于Ci值非常低的系统。
曲折路径减压
曲折路径控制元件可以使用多种设计，例如之字形、弯曲、迷宫等，以降低较长路径上的流体压力，从而减少可能出现的汽蚀。长路径允许压力损失和恢复（正常管径）步骤基本上同时进行，从而避免了缩流断面的压力下降。
图3：迷宫减压
曲折的路径设置可以实现非常低的Ci值，一些制造商的广告值低至1.001。这允许单个紧凑型阀门实现较大的减压。
这种技术的缺点是堵塞和成本。除非流体很干净，否则阀门的小通道很容易堵塞。复杂的制造和专有设计意味着这种阀门的成本也相对较高。
硬化的内件
使用硬化的内件控制阀，并不试图避免汽蚀现象，而是试图为设备提供更好的保护，防止汽蚀现场造成的损坏。这可能适用于汽蚀不常见或非常轻微的情况。它通常不适合持续或剧烈的汽蚀，因为在这些情况下，即使硬化的阀内件也会迅速损坏。此外，使用这种控制阀不会缓解任何其它症状，例如噪音和振动。
在流体不太清洁的工况（防止使用曲折路径设计）、且出于调节或空间考虑而不能使用多级减压时，使用这种类型的阀门可能是比较合适的。
注：本篇文章主要来源于neutrium.net，由泵沙龙收集整理。