阀门汽蚀
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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。
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阀门汽蚀
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。
阀门流量计算
发 布时间:2009-7-4 0:00:00 发布人:administration阀门流量计算
流量计算
Flow Calculations
如 何使用流量系数
How to use Cv 2. DN350 x DN300 x DN350，压力等级 Class 900 缩喉管
压力密封闸阀，其它前提与例 1 相同，求压降。What is the pressure drop through a 14"x12"x14"
法门流量系数(Cv)是表示
Class 900 Venturi pressure seal gate valve with
阀门 通过流体能力的数值。Cv
the same conditions as example 1.
越大，在给定压降下阀门能够通
解：采用公式 1
过的流体就越多。Cv 值 1 表示
Solution: Use formula 1.
当通过压降为 1 PSI 时，阀门每
Cv = 6285 (来自本页)
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。
阀门流量计算
发 布时间:2009-7-4 0:00:00 发布人:administration阀门流量计算
流量计算
Flow Calculations
如 何使用流量系数
How to use Cv 2. DN350 x DN300 x DN350，压力等级 Class 900 缩喉管
压力密封闸阀，其它前提与例 1 相同，求压降。What is the pressure drop through a 14"x12"x14"
法门流量系数(Cv)是表示
Class 900 Venturi pressure seal gate valve with
阀门 通过流体能力的数值。Cv
the same conditions as example 1.
越大，在给定压降下阀门能够通
解：采用公式 1
过的流体就越多。Cv 值 1 表示
Solution: Use formula 1.
当通过压降为 1 PSI 时，阀门每
Cv = 6285 (来自本页)
