在進行控制閥流量計算時，定義Cv為控制閥流量系數，它與閥門結構、閥前后壓差、入口流體密度和流體特性有關，為無量綱。具體計算中，Cv＝，其中：q是經過控制閥的流量；ρ₁是控制閥閥前流體密度；N是工程單位系數，也是無量綱；Δp是控制閥前后壓差。不難看出，Δp越大，Cv值越小。但是對于發生了阻塞流工況下的控制閥的計算，以上常規的計算壓差Δp＝p₁－p₂的方式并不適用，會導致閥門計算錯誤，并使閥(fa)門(men)選型過(guo)小。筆者通過(guo)實(shi)例介(jie)紹阻塞流工況的判別步驟及(ji)其工況下計算壓(ya)差的確定，有(you)利(li)于正確的閥(fa)門(men)選型。

    在某石化改造項目中，有1臺閥門是20世紀80年代設計選型的，根據當時的工藝數據，流量q_m＝18000kg/h，閥前壓力p₁＝3.3MPa（A），閥后壓力p₂＝0.86MPa（A），壓差Δp＝2.44MPa，結合溫度與密度等參數，計算Cv值，最后選擇了1臺Cv＝17，口徑為5.08cm（2in）的控制閥。然而這臺閥門在實際應用中一直偏小，業主反應，即使平時閥門全開，但使用中還是偏小，迫切希望該次改造中對閥門進行重新計算并重新選型。深入研究后，發現由于閥后壓力p₂很小，實際已經發生了阻塞流（閃蒸）的工況，此時進行Cv值計算時，Δp≠2.44MPa，應該代入發生阻塞流時對應的臨界壓降Δpcr。而Δpcr＜p₁－p₂＝2.44MPa，導致了(le)原先(xian)閥門的(de)計算偏小。

    由此可知，通常情況下Δp＝p₁－p₂，即控制閥閥前壓力與閥后壓力之差，如果閥前壓力p₁恒定，則Δp隨著閥后壓力p2的變化而變化，p₂越小，則Δp越大。如果p₂降低到一定的值，經過控制閥的流體發生了阻塞流的情況，Δp的取值則不再等于p₁－p₂，需(xu)要重(zhong)新(xin)考慮。 筆者(zhe)著重(zhong)討論阻塞流工況(kuang)下，閥門Cv值計算時Δp的取值問(wen)題，進一步再判斷閥門是閃(shan)蒸工況(kuang)還是氣蝕(shi)工況(kuang)以及相應(ying)工況(kuang)下的處理措施。

    1 阻塞流的判斷

    對于不可壓縮的流體，控制閥閥前壓力p₁保持一定時，逐步降低閥后壓力p₂時，流過控制閥的流量會逐漸增加，但當閥后壓力p2降低到某一數值后，流過控制閥的流量到達一個最大極限值q_max，這時再降低p₂也不能使通過控制閥的流量再增加了，該最大極限值就是阻塞流（chockedFLow）。因此，p₂越小，導致實際控制閥兩端的壓降大于阻塞流對應的臨界壓降Δp_cr時，會發生阻塞流，即Δp＞Δp_cr時，閥門Cv值的計算就不能采用工藝給的壓降Δp來計算，而應該采用阻塞流對應的臨界壓降Δp_cr。 因此(ci)，對于可能發生阻塞流工(gong)況的(de)閥門(men)，設(she)計人(ren)員(yuan)在計算(suan)時需要(yao)(yao)特(te)別注意，首(shou)先要(yao)(yao)確認(ren)是否確實發生阻塞流，從(cong)而選擇正確的(de)Δp取值。

    對于不可壓縮流體，當流體節流時，流速增大，壓力降低，最大流速處具有最小壓力。但是，當節流后，流束的截面積并沒有立即擴大，而是繼續縮小，因而最大流速并不在節流處，而是在節流處下游某處，該處稱為靜縮流處，該處壓力最小，稱為p_vc。之后，隨著流束截面的擴大，壓力增高，流速降低，但最終的出口壓力不可能再恢復到入口壓力p₁，而為p₂，即流過控制閥后壓力得到恢復，但也存在不可(ke)恢復的壓力損失。

    不可壓縮流體發生阻塞流的原因是由于流體經過控制閥后，經過節流，壓力會逐漸減小，當壓力減小到小于流體的飽和蒸汽壓p_v，使部分液體(ti)汽化，此后即使壓力(li)再減小，流(liu)量也不(bu)再增加了，這樣就(jiu)發生了阻(zu)塞流(liu)。對于不(bu)可壓縮的(de)流(liu)體(ti)，發生阻(zu)塞流(liu)的(de)條件是(shi)下式成立：

        （1）

    式中：p_vcr———發生阻塞流時，其靜縮流處最大流速對應的最小壓力p_vc，此時的p_vc用p_vcr表示；FL———壓力恢復系數。Δp由工藝提出，顯而易見，重點是如何計算Δp_cr的大小。

    2 Δp_cr的計算

    發生阻塞流時，對應的臨界壓降Δp_cr＝F²_L（p₁-p_vcr），以下就p_vcr和FL分別進行討論。

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    2.1 p_vcr的計算

    當發生阻塞流時，其靜縮流處最大流速對應的最小壓力p_vc用p_vcr表示。p_vcr與液(ye)體的介質物理(li)特性有關：

        （2）

    式中：p_v———液體的飽和蒸汽壓；F_F———液體的臨界壓力比系數，是液體在入口溫度下液體的p_v和液體的臨界壓力p_c之比的函數：

        （3）

    由式（3）可知，F_F只和液體的物理性質有關，和閥門的其他參數無關。進而可知，p_vcr也只和液體的p_v和p_c有關，和其他參數無關。流過控制閥的液體一旦確定，p_vcr的值也就確定了。

    2.2 F_L的計算

    FL是用來表示控制閥內部流體流經縮流處后，動能(neng)轉(zhuan)化為(wei)靜壓(ya)的恢(hui)復能(neng)力(li)。

         （4）

    FL是與閥門和流路特性有關的函數。 例如：IEC推薦計算Cv值時，直通單座柱塞閥在流開流向時，取F_L＝0.9，流關流向時，取F_L＝0.8；偏心旋轉閥在任意流向時，取F_L＝0.85。FL越小，表示該控制閥流路設計越好，其壓力恢復系數越好，即經縮流后，靜壓能夠恢復到接近入口壓力。例如：蝶閥的FL在0.5～0.68，為高壓力恢復閥；直通閥F_L在0.8～0.9，為低壓力恢復閥。通常，工藝提出的Δp越大，即p₁和p₂差值越大，則選用低壓力恢復閥比較合適。比較工藝所提壓降Δp和阻塞流下對應的Δp_cr的(de)大小(xiao)，對于不可壓縮(suo)的(de)液體，發生阻塞(sai)流的(de)條件是(shi)：

        （5）

    由式（5）得出：當Δp≥Δp_cr＝F²_L（p₁-F_Fp_v）時，Cv計算公式中的Δp用Δp_cr代入計(ji)算，得到正確的Cv值。

    針對上述實例，筆者重新計算了這臺閥門的Cv值。首先，需要判斷此臺閥門是否發生了阻塞流工況。阻塞流下對應的Δp_cr＝F²_L（（p₁-F_Fp_v），其中根據IEC的推薦取F_L＝0.9，p_v＝2.81MPa（A），p_c＝4.62MPa（A），計算后可得Δp_cr＝0.985MPa，遠遠小于(yu)工藝所(suo)提的(de)Δp＝2.44MPa，據此可判斷(duan)，此臺閥門(men)已經發生了(le)阻塞(sai)流工況。因此，再計算Cv值得10.3，而(er)不是之前所(suo)計算的(de)4.962，最終(zhong)選擇了(le)Cv＝44，口徑為10.16cm（4in）的(de)控制閥。

    3 閃蒸和氣蝕工況

    對于閥門來說，一旦Δp＞Δp_cr，發生阻塞流后，就要考慮閃蒸和氣蝕兩種工況。這時，再根據p₂和p_v的大小來進行判斷。 因此，在首先判斷Δp＞Δp_cr的情況下：若p₂＜p_v，靜縮流處的壓力p_vc直到閥出口靜壓p₂一直小于流體的p_v，部分液體會發生相變，液體會蒸發為氣體，形成氣液兩相的狀態，就稱為閃蒸（flashing）；若p₂＞p_v，首先靜縮流處的壓力p_vc低于_pv，發生閃蒸，部分液體會發生相變，液體會蒸發為氣體，在液相中產生氣泡，接下來下游壓力恢復，逐漸增加，到閥出口壓力p₂又大于流體的p_v，則之前形成的氣泡又(you)潰(kui)裂恢復為(wei)液相，這種氣泡產生又(you)破裂的全(quan)過(guo)程稱為(wei)氣蝕(shi) （cavitation）。壓力(li)變化(hua)曲線如圖1所示。

圖1 閃蒸和氣(qi)蝕工況閥門前后壓(ya)力變化示意

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    在可能發生阻塞流的工況下的閥門計算，工藝必須提供p_v，p_c等流體的物性參數，便于儀表設計人員進行Δp_cr的計算，從而判斷Δp和Δp_cr的大小，確認是否發生阻塞流。若發生阻塞流，進而再比較p₂和p_v的大小(xiao)，確認(ren)到底(di)是(shi)發生閃(shan)蒸工況還是(shi)氣蝕工況。

    針對上述實例，由上述的判別步驟得知，該閥門已經發生阻塞流的工況。再根據工藝所提的p₂＝0.86 MPa（A）＜p_v＝2.81MPa（A），可以看出，此閥(fa)門已發(fa)生了閃蒸工況，這是1臺閃蒸閥(fa)。

    3.1 閃蒸工況

    閃(shan)蒸(zheng)工況在某(mou)些工藝(yi)要(yao)求(qiu)中(zhong)可能(neng)無(wu)(wu)法避(bi)免，但是(shi)對于控制閥來講，閃(shan)蒸(zheng)會對閥門的(de)(de)(de)(de)閥芯產生嚴重(zhong)的(de)(de)(de)(de)沖(chong)刷破壞(huai)，其(qi)特點(dian)是(shi)受沖(chong)刷表(biao)面(mian)有平滑(hua)拋光的(de)(de)(de)(de)外形。沖(chong)刷最(zui)(zui)嚴重(zhong)的(de)(de)(de)(de)地方(fang)，一般是(shi)在流速最(zui)(zui)大處(chu)，通(tong)常位于閥芯和閥座環的(de)(de)(de)(de)接觸線(xian)上(shang)或附近(jin)。因此(ci)，對于會發生閃(shan)蒸(zheng)工況的(de)(de)(de)(de)閥門來講，因為閃(shan)蒸(zheng)無(wu)(wu)法避(bi)免，所(suo)以最(zui)(zui)好的(de)(de)(de)(de)辦法是(shi)采(cai)用合適的(de)(de)(de)(de)幾何形狀(zhuang)和材料(liao)的(de)(de)(de)(de)閥門來盡可能(neng)減(jian)小破壞(huai)。選型時應(ying)注意(yi)以下(xia)幾個(ge)方(fang)面(mian)：

    1）選擇合適的控制閥類型和流向。不同的控制閥和流向，其壓力恢復系數不同，選用F_L大的閥門類型和流向，可以防止發生阻塞流。例如：對易于汽化的液體，不宜選用高壓力恢復的球閥或蝶閥，可以選用(yong)低壓力恢復的單座閥(fa)。

    2）提高材質硬度。通(tong)常來說，材料越硬，抗沖刷越久。

    3）降(jiang)低沖刷性流體(ti)的速(su)度(du)。設計合理的流路，降(jiang)低下(xia)游流體(ti)的流速(su)，從而(er)降(jiang)低沖刷速(su)度(du)。例(li)如控(kong)制閥下(xia)游設置擴徑管(guan)等(deng)。

    3.2 氣蝕工況

    氣(qi)蝕(shi)工(gong)況(kuang)應該(gai)盡量避免。氣(qi)蝕(shi)時(shi)閥門內部發(fa)生了液變氣(qi)，氣(qi)再變液的(de)過程，而當氣(qi)體變回液體時(shi)，由于氣(qi)泡破裂會(hui)釋放大量的(de)能量，噪聲、振動和沖蝕(shi)也同時(shi)產(chan)生，該(gai)情(qing)況(kuang)下閥門的(de)壽命(ming)會(hui)大幅縮短。典型工(gong)況(kuang)如鍋爐給(gei)水泵的(de)旁路閥。

    由上述分析可知，氣蝕是由于靜縮流處p_vc小于p_v，而閥后p₂大于p_v所(suo)導致的。因此，消(xiao)除(chu)和降低氣蝕發(fa)生的措施如下：

    1）控制壓降，避免氣蝕發生從而防止破壞。例如：采用多級降壓的方式，使控制閥的壓降分為幾級，而每級的壓降都確保不使緊縮流處的p_vc小于p_v，從而消除氣(qi)泡的產(chan)生，也就不會產(chan)生氣(qi)蝕了。

    2）若氣蝕無法消除，那么盡可(ke)能減少(shao)或(huo)隔離(li)其破壞，采用與閃蒸解決(jue)方(fang)案類似的方(fang)法，例如提高材質(zhi)硬度(du)，降(jiang)低流速等，把氣蝕造成的影(ying)響降(jiang)到最小。

    3）采用合理的工藝系統，合理地分配工藝管路壓力，增大p₂，使緊縮流處p_vc也增大。若p_vc增大到p_v以(yi)上，就避免(mian)了阻塞流的(de)(de)發生，也避免(mian)了氣蝕的(de)(de)發生。例如，將控制(zhi)閥(fa)安裝在(zai)下游有較高靜壓(ya)的(de)(de)位置，增設限流孔板(ban)等。

    4 結束語

    在工程設計中，設計人員在進行液體控制閥閥門Cv值計算時，要特別注意Δp的取值。如果p2減小到發生了阻塞流工況，Δp的取值就不等于閥門前后壓差，而應該等于發生阻塞流時的Δp_cr。選(xuan)擇(ze)(ze)正(zheng)確的(de)Δp，可以有效地避免Cv計(ji)算過(guo)小，導致(zhi)閥門(men)選(xuan)型過(guo)小的(de)問題。同時，一旦判斷出(chu)發生了阻塞流工(gong)況，還(huan)(huan)可以進一步判斷是發生閃蒸工(gong)況，還(huan)(huan)是氣蝕工(gong)況，從而(er)采用正(zheng)確的(de)處理措施，選(xuan)擇(ze)(ze)正(zheng)確的(de)閥門(men)類型，延長閥門(men)的(de)使用壽命。