閥門汽蝕
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閥門汽蝕
本文比較分析了三種控制閥汽蝕損害的診斷方法，建議在閥門選型時，充分利用法則，控制出口流速，避免或降低閥門的損壞程度。
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閥門汽蝕
本文比較分析了三種控制閥汽蝕損害的診斷方法，建議在閥門選型時，充分利用法則，控制出口流速，
避免或降低閥門的損壞程度。
控制閥在流體工業中發揮著重大作用。如今，隨著裝置節能減排、提高效益、連續穩定運行、減少控
制閥備件、快速的售后服務響應等要求的逐步提高，用戶愈來愈 重視如何優化、選擇及使用控制閥這一問
題。這是由于控制閥在裝置中扮演執行器的角色，直接決定著裝置的運行狀態。據統計，因控制閥自身故障
而導致裝置停車 的比例高達 65%，控制閥選型的好壞也決定了其生產產品的質量和產量。
回顧近 5 年來，控制閥技術發展迅速，一些世界領先級控制閥廠家紛紛推出了在特殊情況下應用的閥
門，例如耐高溫、高壓差、汽蝕、閃蒸、部分顆粒介質磨蝕、 高噪音等工況；同時，智能診斷型定位器陸
續問世，通過定位器可以對閥門進行良好的實時檢測、提供維護報警信息、優化閥門使用。毋庸置疑，上述
技術的提高， 大大保證了裝置的穩定運行，減少了許多薄弱環節。但是我們如何才能正確計算選擇并使用
閥門呢？根據使用經驗可知，在苛刻工況中，汽蝕經常造成閥門內件損壞，并伴有高噪音、內件振動、阻塞流
等情況發生，在閥門計算選型時，如何減小、避免汽蝕的發生至 關重要。目前，閥門制造商對汽蝕的評估
方法不盡相同，本文圍繞 KE 法、δ法和 XFz 法，主要針對如何減少、避免汽蝕和閥門的正確選型應用進行
了分析。
控制閥汽蝕控制閥汽蝕現象是指介質流經閥內腔縮流處時，流速最大，壓強能最低，如果這時的壓力低于介質的
飽和蒸汽壓，液體氣化，部分轉變成含蒸汽或氣體的氣泡；當介 質流過縮流處后，壓力升高，如果超過飽
和蒸汽壓值，汽泡發生破裂，重新由氣（汽）相變為液相，這個過程稱為汽蝕或空化（Cavitation）（如圖
1）。當汽泡爆裂時，噴射釋放巨大的能量，并產生振動波，實驗證明，150μm 直徑的汽泡破裂，液滴噴射
速度達到 400km/h，產生的瞬間爆破壓力可達 數千公斤，對閥內件表面造成嚴重沖擊和侵蝕磨損（圖 2），
同時還會導致劇烈振動和高噪音、阻塞流的發生。出現嚴重汽蝕時，在很短的時間內，閥內件將被損壞 或
者閥門的工作特性將發生改變。閥門學者從微觀學角度通過水做實驗用數學模型證明了上述汽蝕過程，其中汽泡壓力平衡方程式為：
Pg+Pv=2α/R+P
R 為汽泡的當量半徑，α為轉換常數，2α/R 代表氣泡表面張力分量部分，Pg 為汽泡內蒸汽或氣體壓
力，Pv 是介質飽和蒸汽壓，P 代表汽泡所處環境壓力。其 中，Pg 和Ｒ是汽泡內所含氣體、蒸汽含量以及汽
泡體積大小的變量，這些參數的引入表明，當介質流動狀態由穩定變為流過閥門內腔縮流處變成湍流不穩定
狀態 時，介質分子或液滴表面張力趨勢的變化，通常流體由穩態到不穩定湍流流動狀態變化時，分子表面張力要有一個數量級的降低。Ｒ則代表了汽泡在破裂前體積膨脹 的變化過程。從微觀公式中不難看出：在
一定溫度、壓力條件下，汽泡所處外部壓力和介質飽和蒸汽壓是導致汽泡破裂、產生汽蝕的主要參數指標。
KE 法限制 Trim 出口動能
KE 法可以簡單概括為限制閥門 Trim（通常指閥座、閥心等）出口動能的一種預測方法。早在數十年以
前，閥門學者指出為了解決汽蝕、噪音及振動損壞閥門 及內件的問題，必須著手研究考慮控制閥門的流速，
但當時并沒有明確是控制閥門出口流速還是 Trim 的流速，不過這一理論為此后的研究提供了條件。經過一
段 時間的研究發展，產生了 KE 法則。在 KE 法中，把介質的密度和流體 Trim 出口流速結合起來加以考慮，
公式表達式為：公式 1、公式 2 中各參數定義如下：
A0：閥門縮流處面積，單位 in2 或 m2
KE：流體動能，單位 psi 或 kPa
M1：轉換系數，見表 1
M2：轉換系數，見表 1
V0：閥內件縮流處流體的流速，單位 ft/s 或 m/s
w：質量流量，單位 lb/h 或 kg/s
ρ0：流體在縮流出口處的密度，單位 lb/ft3 或 kg/m3
公式 1、公式 2 中轉換系數及單位見表 1：限制閥門 Trim 出口動能的標準見表 2：根據表 2，KE 法同時作了補充，對于閥門關閉狀態在 95%以上的場合，如果介質不含顆粒，對 Trim 出
口動量的限制可擴大到 1030kPa（150psi）；防止汽蝕、閃蒸以及對于介質內含顆粒雜質、出口兩相流的工
況，作為一般原則，Trim 出口動能最大限制在 275kPa（40psi）;對于氣體或蒸汽介質，有低流速或低噪音
嚴格要求場合，動能最大不應超過 75kPa（11psi）。
δ法量化評估
δ法又稱為δ汽蝕指數法，是 ISA 針對閥門汽蝕各過程，通過量化判斷、分析汽蝕對閥門造成的影響
的一種評估方法，被美國儀表協會（ISA- RP75.23-1995）所批準，其定義為：δ=（P1－Pv）/（P1－P2）。
式中：δ為汽蝕指數，P1 為閥門入口壓力，P2 為閥門出口壓力，Pv 為介質在一定溫度下的飽和蒸汽
壓。隨著δ變大，閥門產生汽蝕的可能性變小；反之，汽蝕 幾率增加；如果δ值為零或負值，發生閃蒸。
詳細定義見圖 3。從圖 3 中可看出，當計算的δ值低于δi 值時，將發生初始汽蝕；當δ低于δc 值，閥門內流體升級為
連續性汽蝕，這時隨著δ減小，汽蝕繼續增加，但幅度沒有 從δi 到δc 增加得明顯，不過此時閥門及內件
振動加強，噪音升高；當δ值等于δmv 值時，汽蝕、噪音、振動指標均達到最大值。繼續降低δ，汽蝕率
和閥門振 動程度、噪音將隨著閃蒸現象的出現而有不同程度的降低。其中δmr 是各閥門制造商針對各自所
生產的閥門結構、由實驗室得出的閥門固有δ常數。對于圖 4 所示多級曲折流道閥內件結構的閥門提供的
δmr 值非常小，基本上接近閥門產生阻塞流時的δ值（即δch），δmr 越小，閥門抗汽蝕能力越強；相反，
對于蝶 閥、球閥等高壓力恢復結構的閥門，其δmr 較大，基本接近δi，說明這些結構的閥門抗汽蝕能力
較差。
XFz 法限制出口流速
XFz 法是根據 IEC 標準，在預測分析汽蝕過程時，強調限制閥門出口流速，同時考慮進、出口壓差對
氣蝕的影響。XFz 法最初起源于德國 VDMA24422-1979 工業標準，后來被 IEC60534 認可采納。在這個法則中，通過
壓差比來判斷液體產生汽蝕過程，其中 XF 定義為液體壓差比，即：
XF=（P1－P2）/（P1－Pv）
式中：P1 為閥門入口壓力，P2 為閥門出口壓力，Pv 為介質在一定溫度下的飽和蒸汽壓。而 XFz=（P1
－P2）/（P1－Pmin）。
式中：Pmin 為流體流經閥門縮流處時最小的壓力。XFz 同理于上述的δmr，是控制閥廠家針對不同結
構的閥門進行實驗得到的固有結構參數，XFz 值越 大，閥門抗汽蝕能力越強。
圖 5a 為某閥門制造商通過實驗測得的 XFz。圖 5b 為 XFz（VDMA 也稱 Zy）、壓差比系數 Kc、液體壓力
恢復系數 FL 值隨著閥門差壓、流量分布示意 圖。根據 XFz 法則以及用戶的需求，目前一些控制閥廠家已經開發出高 XFz 抗汽蝕結構閥門，如圖 6 所示。
根據 XFz 法則，在選擇使用閥門時，一般遵循如下規則，見表 3。XFz 法強調對閥門出口流速的控制，通過 CFD（如圖 7）模擬分析出口流速對閥門內腔、內件造成的影
響。選擇閥門時，根據表 4 及表 5 所述的一般出口流速規 則，計算出所需要的閥門最小口徑。
同時，XFz 法也對閥門出口流速作了規定，見表 5。XFz（IEC）法完全建立在數學模型基礎上，并充分考慮了出口流速、閥門噪音、汽蝕振動、內件硬化
處理等綜合指標，能夠為用戶準確、合理選擇閥門，避免 汽蝕發生從而提高閥門的使用性能提供依據。在
我國國標 GB/T 17213.16-2005（工業過程控制閥第 8-4 部分：噪聲的考慮，液動流流經控制閥產生的噪聲
預測方法，該標準等同 IEC60534-8-4:1994）中，對汽蝕的分析就采用這個方法。
小結目前各先進控制閥 廠家加大了控制閥可靠性預測的實驗、研發力度，氣蝕、閃蒸對控制閥的損害是控
制閥可靠性預測分析的主要內容。相比于國外而言，國內的控制閥制造行業在這一 領域的工作尚處于起步
階段，在實驗室設置、控制閥計算及診斷軟件方面與歐美閥門廠家還有一定距離。通過以上分析可以看出，
IEC 標準中 的 XFz 法則是分析控制閥汽蝕損害及預防比較完善的一種診斷方法，XFz 法則建立在大量實驗室
數據基礎之上，同時數學模型比較完善，通過實驗分析，對數學 模型逐步優化，使得實驗數據與模型計算
數據偏差縮小，二者達到統一。此外，XFz 法不僅預測、分析了閥門汽蝕損害，對如何避免、減小這種損害，
如何控制閥 門出口流速也作了充分的闡述。我國控制閥汽蝕診斷標準采用等同的 IEC XFz 法則，建議在控
制閥計算、閥門選型工作中充分掌握這個法則，使控制閥更好地為裝置服務。
閥門流量計算
發 布時間:2009-7-4 0:00:00 發布人:administration閥門流量計算
流量計算
Flow Calculations
如 何使用流量系數
How to use Cv 2. DN350 x DN300 x DN350，壓力等級 Class 900 縮喉管
壓力密封閘閥，其它前提與例 1 相同，求壓降。What is the pressure drop through a 14"x12"x14"
法門流量系數(Cv)是表示
Class 900 Venturi pressure seal gate valve with
閥門 通過流體能力的數值。Cv
the same conditions as example 1.
越大，在給定壓降下閥門能夠通
解：采用公式 1
過的流體就越多。Cv 值 1 表示
Solution: Use formula 1.
當通過壓降為 1 PSI 時，閥門每
Cv = 6285 (來自本頁)
本文比較分析了三種控制閥汽蝕損害的診斷方法，建議在閥門選型時，充分利用法則，控制出口流速，
避免或降低閥門的損壞程度。
控制閥在流體工業中發揮著重大作用。如今，隨著裝置節能減排、提高效益、連續穩定運行、減少控
制閥備件、快速的售后服務響應等要求的逐步提高，用戶愈來愈 重視如何優化、選擇及使用控制閥這一問
題。這是由于控制閥在裝置中扮演執行器的角色，直接決定著裝置的運行狀態。據統計，因控制閥自身故障
而導致裝置停車 的比例高達 65%，控制閥選型的好壞也決定了其生產產品的質量和產量。
回顧近 5 年來，控制閥技術發展迅速，一些世界領先級控制閥廠家紛紛推出了在特殊情況下應用的閥
門，例如耐高溫、高壓差、汽蝕、閃蒸、部分顆粒介質磨蝕、 高噪音等工況；同時，智能診斷型定位器陸
續問世，通過定位器可以對閥門進行良好的實時檢測、提供維護報警信息、優化閥門使用。毋庸置疑，上述
技術的提高， 大大保證了裝置的穩定運行，減少了許多薄弱環節。但是我們如何才能正確計算選擇并使用
閥門呢？根據使用經驗可知，在苛刻工況中，汽蝕經常造成閥門內件損壞，并伴有高噪音、內件振動、阻塞流
等情況發生，在閥門計算選型時，如何減小、避免汽蝕的發生至 關重要。目前，閥門制造商對汽蝕的評估
方法不盡相同，本文圍繞 KE 法、δ法和 XFz 法，主要針對如何減少、避免汽蝕和閥門的正確選型應用進行
了分析。
控制閥汽蝕控制閥汽蝕現象是指介質流經閥內腔縮流處時，流速最大，壓強能最低，如果這時的壓力低于介質的
飽和蒸汽壓，液體氣化，部分轉變成含蒸汽或氣體的氣泡；當介 質流過縮流處后，壓力升高，如果超過飽
和蒸汽壓值，汽泡發生破裂，重新由氣（汽）相變為液相，這個過程稱為汽蝕或空化（Cavitation）（如圖
1）。當汽泡爆裂時，噴射釋放巨大的能量，并產生振動波，實驗證明，150μm 直徑的汽泡破裂，液滴噴射
速度達到 400km/h，產生的瞬間爆破壓力可達 數千公斤，對閥內件表面造成嚴重沖擊和侵蝕磨損（圖 2），
同時還會導致劇烈振動和高噪音、阻塞流的發生。出現嚴重汽蝕時，在很短的時間內，閥內件將被損壞 或
者閥門的工作特性將發生改變。閥門學者從微觀學角度通過水做實驗用數學模型證明了上述汽蝕過程，其中汽泡壓力平衡方程式為：
Pg+Pv=2α/R+P
R 為汽泡的當量半徑，α為轉換常數，2α/R 代表氣泡表面張力分量部分，Pg 為汽泡內蒸汽或氣體壓
力，Pv 是介質飽和蒸汽壓，P 代表汽泡所處環境壓力。其 中，Pg 和Ｒ是汽泡內所含氣體、蒸汽含量以及汽
泡體積大小的變量，這些參數的引入表明，當介質流動狀態由穩定變為流過閥門內腔縮流處變成湍流不穩定
狀態 時，介質分子或液滴表面張力趨勢的變化，通常流體由穩態到不穩定湍流流動狀態變化時，分子表面張力要有一個數量級的降低。Ｒ則代表了汽泡在破裂前體積膨脹 的變化過程。從微觀公式中不難看出：在
一定溫度、壓力條件下，汽泡所處外部壓力和介質飽和蒸汽壓是導致汽泡破裂、產生汽蝕的主要參數指標。
KE 法限制 Trim 出口動能
KE 法可以簡單概括為限制閥門 Trim（通常指閥座、閥心等）出口動能的一種預測方法。早在數十年以
前，閥門學者指出為了解決汽蝕、噪音及振動損壞閥門 及內件的問題，必須著手研究考慮控制閥門的流速，
但當時并沒有明確是控制閥門出口流速還是 Trim 的流速，不過這一理論為此后的研究提供了條件。經過一
段 時間的研究發展，產生了 KE 法則。在 KE 法中，把介質的密度和流體 Trim 出口流速結合起來加以考慮，
公式表達式為：公式 1、公式 2 中各參數定義如下：
A0：閥門縮流處面積，單位 in2 或 m2
KE：流體動能，單位 psi 或 kPa
M1：轉換系數，見表 1
M2：轉換系數，見表 1
V0：閥內件縮流處流體的流速，單位 ft/s 或 m/s
w：質量流量，單位 lb/h 或 kg/s
ρ0：流體在縮流出口處的密度，單位 lb/ft3 或 kg/m3
公式 1、公式 2 中轉換系數及單位見表 1：限制閥門 Trim 出口動能的標準見表 2：根據表 2，KE 法同時作了補充，對于閥門關閉狀態在 95%以上的場合，如果介質不含顆粒，對 Trim 出
口動量的限制可擴大到 1030kPa（150psi）；防止汽蝕、閃蒸以及對于介質內含顆粒雜質、出口兩相流的工
況，作為一般原則，Trim 出口動能最大限制在 275kPa（40psi）;對于氣體或蒸汽介質，有低流速或低噪音
嚴格要求場合，動能最大不應超過 75kPa（11psi）。
δ法量化評估
δ法又稱為δ汽蝕指數法，是 ISA 針對閥門汽蝕各過程，通過量化判斷、分析汽蝕對閥門造成的影響
的一種評估方法，被美國儀表協會（ISA- RP75.23-1995）所批準，其定義為：δ=（P1－Pv）/（P1－P2）。
式中：δ為汽蝕指數，P1 為閥門入口壓力，P2 為閥門出口壓力，Pv 為介質在一定溫度下的飽和蒸汽
壓。隨著δ變大，閥門產生汽蝕的可能性變小；反之，汽蝕 幾率增加；如果δ值為零或負值，發生閃蒸。
詳細定義見圖 3。從圖 3 中可看出，當計算的δ值低于δi 值時，將發生初始汽蝕；當δ低于δc 值，閥門內流體升級為
連續性汽蝕，這時隨著δ減小，汽蝕繼續增加，但幅度沒有 從δi 到δc 增加得明顯，不過此時閥門及內件
振動加強，噪音升高；當δ值等于δmv 值時，汽蝕、噪音、振動指標均達到最大值。繼續降低δ，汽蝕率
和閥門振 動程度、噪音將隨著閃蒸現象的出現而有不同程度的降低。其中δmr 是各閥門制造商針對各自所
生產的閥門結構、由實驗室得出的閥門固有δ常數。對于圖 4 所示多級曲折流道閥內件結構的閥門提供的
δmr 值非常小，基本上接近閥門產生阻塞流時的δ值（即δch），δmr 越小，閥門抗汽蝕能力越強；相反，
對于蝶 閥、球閥等高壓力恢復結構的閥門，其δmr 較大，基本接近δi，說明這些結構的閥門抗汽蝕能力
較差。
XFz 法限制出口流速
XFz 法是根據 IEC 標準，在預測分析汽蝕過程時，強調限制閥門出口流速，同時考慮進、出口壓差對
氣蝕的影響。XFz 法最初起源于德國 VDMA24422-1979 工業標準，后來被 IEC60534 認可采納。在這個法則中，通過
壓差比來判斷液體產生汽蝕過程，其中 XF 定義為液體壓差比，即：
XF=（P1－P2）/（P1－Pv）
式中：P1 為閥門入口壓力，P2 為閥門出口壓力，Pv 為介質在一定溫度下的飽和蒸汽壓。而 XFz=（P1
－P2）/（P1－Pmin）。
式中：Pmin 為流體流經閥門縮流處時最小的壓力。XFz 同理于上述的δmr，是控制閥廠家針對不同結
構的閥門進行實驗得到的固有結構參數，XFz 值越 大，閥門抗汽蝕能力越強。
圖 5a 為某閥門制造商通過實驗測得的 XFz。圖 5b 為 XFz（VDMA 也稱 Zy）、壓差比系數 Kc、液體壓力
恢復系數 FL 值隨著閥門差壓、流量分布示意 圖。根據 XFz 法則以及用戶的需求，目前一些控制閥廠家已經開發出高 XFz 抗汽蝕結構閥門，如圖 6 所示。
根據 XFz 法則，在選擇使用閥門時，一般遵循如下規則，見表 3。XFz 法強調對閥門出口流速的控制，通過 CFD（如圖 7）模擬分析出口流速對閥門內腔、內件造成的影
響。選擇閥門時，根據表 4 及表 5 所述的一般出口流速規 則，計算出所需要的閥門最小口徑。
同時，XFz 法也對閥門出口流速作了規定，見表 5。XFz（IEC）法完全建立在數學模型基礎上，并充分考慮了出口流速、閥門噪音、汽蝕振動、內件硬化
處理等綜合指標，能夠為用戶準確、合理選擇閥門，避免 汽蝕發生從而提高閥門的使用性能提供依據。在
我國國標 GB/T 17213.16-2005（工業過程控制閥第 8-4 部分：噪聲的考慮，液動流流經控制閥產生的噪聲
預測方法，該標準等同 IEC60534-8-4:1994）中，對汽蝕的分析就采用這個方法。
小結目前各先進控制閥 廠家加大了控制閥可靠性預測的實驗、研發力度，氣蝕、閃蒸對控制閥的損害是控
制閥可靠性預測分析的主要內容。相比于國外而言，國內的控制閥制造行業在這一 領域的工作尚處于起步
階段，在實驗室設置、控制閥計算及診斷軟件方面與歐美閥門廠家還有一定距離。通過以上分析可以看出，
IEC 標準中 的 XFz 法則是分析控制閥汽蝕損害及預防比較完善的一種診斷方法，XFz 法則建立在大量實驗室
數據基礎之上，同時數學模型比較完善，通過實驗分析，對數學 模型逐步優化，使得實驗數據與模型計算
數據偏差縮小，二者達到統一。此外，XFz 法不僅預測、分析了閥門汽蝕損害，對如何避免、減小這種損害，
如何控制閥 門出口流速也作了充分的闡述。我國控制閥汽蝕診斷標準采用等同的 IEC XFz 法則，建議在控
制閥計算、閥門選型工作中充分掌握這個法則，使控制閥更好地為裝置服務。
閥門流量計算
發 布時間:2009-7-4 0:00:00 發布人:administration閥門流量計算
流量計算
Flow Calculations
如 何使用流量系數
How to use Cv 2. DN350 x DN300 x DN350，壓力等級 Class 900 縮喉管
壓力密封閘閥，其它前提與例 1 相同，求壓降。What is the pressure drop through a 14"x12"x14"
法門流量系數(Cv)是表示
Class 900 Venturi pressure seal gate valve with
閥門 通過流體能力的數值。Cv
the same conditions as example 1.
越大，在給定壓降下閥門能夠通
解：采用公式 1
過的流體就越多。Cv 值 1 表示
Solution: Use formula 1.
當通過壓降為 1 PSI 時，閥門每
Cv = 6285 (來自本頁)
