氣蝕工況下調(diào)節(jié)閥的計算選型

孫文文

連云港沃利工程技術有限公司上海分公司 上海 201100

調(diào)節(jié)閥是自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的終端控制元件，用于分配流體介質(zhì)、調(diào)節(jié)被控對象的工藝參數(shù)(流量、壓力和溫度等)，是一個局部阻力變化的節(jié)流裝置，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應用非常廣泛。工作在液體工況下高壓差場合的調(diào)節(jié)閥，由于流速很高，閥座和閥芯等內(nèi)部節(jié)流件部位經(jīng)常會出現(xiàn)沖刷腐蝕，同時伴有氣蝕、噪聲和振動等危害，給安全生產(chǎn)帶來重大隱患，需要引起足夠的重視。

1 調(diào)節(jié)閥氣蝕簡介

1.1 氣蝕產(chǎn)生機理

當液態(tài)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，由于節(jié)流作用流體流速快速增加，根據(jù)伯努利方程，流體壓力相應地急劇下降。當流體壓力低于飽和蒸汽壓，部分流體氣化，流體中產(chǎn)生大量氣泡，這一現(xiàn)象稱為閃蒸。之后隨著流體流通面積逐漸增大，流速下降，壓力上升至一個低于初始壓力的穩(wěn)定值，若此時流體壓力仍低于飽和蒸汽壓，調(diào)節(jié)閥處于閃蒸工況；若流體壓力穩(wěn)定值高于飽和蒸汽壓，閃蒸產(chǎn)生的氣泡受壓破裂恢復到液體狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于氣蝕工況。

調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上也是節(jié)流裝置的一種，流經(jīng)閥門后達到穩(wěn)定值的壓力為調(diào)節(jié)閥閥后壓力，其與閥前壓力的差值即為調(diào)節(jié)閥的前后壓差。調(diào)節(jié)閥選型過程中一般不直接計算流體壓力是否低于飽和蒸汽壓，而是先判斷流體是否處于阻塞流狀態(tài)，再比較調(diào)節(jié)閥閥后壓力與飽和蒸汽壓的大小關系來判斷流體是否產(chǎn)生了閃蒸或者氣蝕。

1.2 阻塞流的定義及判定條件

通常，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥閥芯節(jié)流，流體壓力隨著流速增大而降低，閥門前后的壓差增加(假設閥前壓力P1保持不變)，流體流量也隨之增加。但是當壓力降低到低于流體的飽和蒸汽壓時，由于部分流體汽化，此后即使壓力再下降，壓差Δp再增大，流體中因含有大量氣泡，流量也無法再增加，這樣就發(fā)生了阻塞流，此時的壓差被稱為阻塞流壓差。高壓差液體介質(zhì)工況下，一般認為當閥門進出口壓差Δp>2.5MPa時，調(diào)節(jié)閥易產(chǎn)生阻塞流，并可能發(fā)生氣蝕。

阻塞流存在的判定條件是阻塞流壓差小于或等于閥門前后的壓差。閥門前后的壓差和阻塞流壓差的計算見公式(1)和(2)：

ΔP=P1-P2

(1)

(2)

(3)

式中：Δp為調(diào)節(jié)閥前后壓差，kPa；P1為調(diào)節(jié)閥閥前絕壓，kPa(A)；P2為調(diào)節(jié)閥閥后絕壓，kPa(A)；ΔPchoked為阻塞流壓差，kPa；FL為液態(tài)流體壓力恢復系數(shù)，取值見GB/T17213.2-2017 表D.2；FF為液態(tài)流體臨界壓力比系數(shù)；PV為流體在閥前溫度T1下的飽和蒸汽壓，kPa(A)；Pc為液態(tài)流體臨界壓力，kPa(A)。

由式(1)和(2)可知，流體臨界壓力比系數(shù)只和液體的物理性質(zhì)有關，和閥門的其他參數(shù)無關。阻塞流壓差與閥門類型、結(jié)構及調(diào)節(jié)閥閥前絕壓有關。

1.3 氣蝕判定條件

氣蝕產(chǎn)生的兩個必要條件：一是阻塞流的存在，二是調(diào)節(jié)閥閥后壓力高于流體飽和蒸汽壓。存在阻塞流的場合，若調(diào)節(jié)閥閥后壓力大于流體飽和蒸汽壓，則閥門既有閃蒸，又有氣蝕；否則，只有閃蒸，沒有氣蝕。

1.4 氣蝕的危害

流體流過節(jié)流口壓力回升至飽和蒸氣壓以上時，閃蒸產(chǎn)生的氣泡在閥體空腔內(nèi)發(fā)生破裂回到液態(tài)，氣泡破裂釋放的巨大能量會引起閥門嚴重的噪聲、振動和閥內(nèi)件的沖刷和腐蝕，進而影響調(diào)節(jié)閥的壽命和調(diào)節(jié)性能。氣蝕的影響甚至可延伸至鄰近的下游管道，導致整個流程工藝系統(tǒng)的失效和停機。

1.5 消除或減緩氣蝕危害的措施

從氣蝕形成原因及阻塞流的判定條件，完全消除氣蝕必須阻止阻塞流的出現(xiàn)，有以下幾個措施：

(1)提高閥后壓力，降低調(diào)節(jié)閥前后壓差?？梢栽谡{(diào)節(jié)閥下游管線增加限流孔板；將調(diào)節(jié)閥安裝在下游有較高靜壓的位置等。該措施會造成閥后壓力損失較大，下游壓力可調(diào)范圍縮小，應當慎重使用。

(2)增加調(diào)節(jié)閥數(shù)量，使得每臺調(diào)節(jié)閥前后壓差均低于阻塞流壓差。該措施需要增加閥門采購及安裝費用，很不經(jīng)濟。

(3)采用多級降壓閥座、閥芯，將調(diào)節(jié)閥前后壓差分成多級，確保每級的壓差均低于本級阻塞流壓差，避免出現(xiàn)阻塞流。該方案成本較低，效果更好，更為經(jīng)濟。

需要注意的是，內(nèi)件硬化處理可以應對閃蒸，但并不能避免氣蝕，應盡量選用抗氣蝕的內(nèi)件，增強抗沖刷、氣蝕的能力，減少或隔離氣蝕帶來的危害。

1.6 多級降壓調(diào)節(jié)閥降壓原理

如前所述，調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上就是個節(jié)流裝置，當流體處于阻塞流狀態(tài)時，調(diào)節(jié)閥兩端的壓差即為阻塞流壓差。當調(diào)節(jié)閥兩端的實際壓差小于阻塞流壓差時，可避免發(fā)生閃蒸或氣蝕。當調(diào)節(jié)閥兩端壓差較大時，可采用多級降壓方式避免。

假設多級降壓調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)為n，根據(jù)多級節(jié)流降壓的原理，每一級的壓降按幾何級數(shù)遞減。當?shù)谝患墝嶋H壓降為ΔP1時，第n級實際壓降ΔP計算方法見公式(4)，調(diào)節(jié)閥前后兩端的實際壓差為各級實際壓降之和，計算方法見公式(5)。當n=1時即可計算出第一級實際壓降值ΔP1。

Δpn=ΔP1/2n-1

(4)

(5)

式中，ΔPn為第級節(jié)流的實際壓降，kPa(A)。

同時，每一級的實際壓降均應小于本級阻塞流壓差，否則仍會出現(xiàn)阻塞流產(chǎn)生氣蝕。只要有一級出現(xiàn)阻塞流，就需要繼續(xù)增加降壓級數(shù)。第一級阻塞流壓差的計算可以用公式(2)，第2，3，…n級阻塞流壓差的計算方法可以用公式(6)。

(6)

多級降壓調(diào)節(jié)閥抗氣蝕效果見圖1。

圖1 多級降壓調(diào)節(jié)閥抗氣蝕效果圖

2 氣蝕工況下調(diào)節(jié)閥的選型

調(diào)節(jié)閥的選型主要包括閥門類型選擇、閥體材質(zhì)選擇、閥門內(nèi)件型式和材料選擇、閥門額定流通系數(shù)計算選擇等。對于工作在苛刻工況下的調(diào)節(jié)閥需要重點關注閥門內(nèi)件型式和材料的選擇。

2.1 閥門類型選擇

根據(jù)文獻[1]，壓差較大的場合可以選用小口徑直通單座閥，也可以選用套筒，角閥等GLOBE閥門。

2.2 閥體材質(zhì)選擇

閥體材質(zhì)應滿足管道材料等級表的要求，原則上不低于閥門所在管道的材質(zhì)。

2.3 閥門內(nèi)件型式和材料選擇

氣蝕工況處于高壓差狀態(tài)，存在著閃蒸和氣蝕，屬于比較苛刻的工況，對閥門內(nèi)件的沖刷等破壞尤為嚴重。在有氣蝕作用的情況下，應該在調(diào)節(jié)閥的結(jié)構上重點考慮閥芯、閥座形式?？梢栽O計特殊結(jié)構的閥芯、閥座，比如多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥(多級套筒、迷宮)或多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥(多級閥芯)等，從根源上消除氣蝕的破壞作用。多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥的降壓級數(shù)可以設計得較大，與單通道相比，降壓能力更強，能夠勝任高壓差的場合，安裝維護簡便，易于更換，但是加工過程比較復雜，成本較高。多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥多用于液體介質(zhì)工作的場合，其流阻較小，可以勝任流體清潔度不高甚至固液兩相流的場合；與多通道降壓調(diào)節(jié)閥相比，加工方便，制造成本也較為低廉，但降壓級數(shù)有限，多為3～4級，不能應用于壓差過高的場合。多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥和多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥的示意圖分別見圖2和圖3。

圖2 多級多通道降壓調(diào)節(jié)閥示意圖

圖3 多級單通道降壓調(diào)節(jié)閥示意圖

采用多級降壓的調(diào)節(jié)閥，其內(nèi)件的材質(zhì)需進行硬化處理。在硬化處理過程中，一般需要將閥芯進行碳化鎢噴涂，以提高抗沖刷氣蝕性能。

2.4 氣蝕工況下調(diào)節(jié)閥流通系數(shù)計算

不可壓縮流體流通系數(shù)CV的計算見公式(7):

(7)

式中：Q為流體的體積流量，m3/h；ρ1為流體在P1和T1狀況下的密度，kg/m3；ρ0為水在15℃時的密度，一般取1000kg/m3；N1為常數(shù)，取0.0865；FP為管道幾何形狀系數(shù)，當調(diào)節(jié)閥口徑與管道口徑一致時取1；ΔPsizing為用于計算CV值的調(diào)節(jié)閥差壓，kPa。

通常情況下流通系數(shù)計算選取的調(diào)節(jié)閥差壓為調(diào)節(jié)閥前后的壓差Δp。根據(jù)GB/T17213.2-2017 6.2.1條，當流體處于非阻塞流時，ΔPsizing取調(diào)節(jié)閥前后壓差Δp；而當流體處于阻塞流時，ΔPsizing應按取阻塞流壓差ΔPchoked取值。故在氣蝕工況下，由于Δp>ΔPchoked，如果仍選取Δp計算流通系數(shù)CV，將會導致算出的調(diào)節(jié)閥CV值偏小。

根據(jù)GB/T17213.2-2017，公式(7)僅適用于完全紊流條件，當調(diào)節(jié)閥的額定CV值確定后還需要再按公式(8)計算調(diào)節(jié)閥的雷諾數(shù)Rev，以確定流體是否處于紊流條件下。當雷諾數(shù)Rev=2100～4000時，流體為層流于紊流過渡狀態(tài)；當雷諾數(shù)Rev>4000時流體才可被視為紊流。

(8)

式中：N2和N4為常數(shù)，分別取0.00214和0.076；v為流體運動黏度，m2/s；Fd為調(diào)節(jié)閥類型修正系數(shù)，可參考GB/T17213.2-2017表D.2；C為調(diào)節(jié)閥額定CV值；d為調(diào)節(jié)閥口徑，mm；其余參數(shù)與公式(7)相同。

3 氣蝕工況調(diào)節(jié)閥選型示例

某調(diào)節(jié)閥液態(tài)工藝介質(zhì)工藝參數(shù)如下：正常流量0.11 m3/h，最大流量0.13 m3/h；閥前絕壓5390 kPa(A)；閥門前后壓力降5090 kPa；閥前溫度20℃；流體密度902 kg/m3；黏度0.426 cP；飽和蒸汽壓9.732 kPa(A)；臨界壓力3800 kPa(A)；閥門所在管道口徑為DN15。

因閥門所在管線口徑不大，在高壓差的情況下可選用單座球形閥，柱塞閥芯，流開。對于本示例擬選用單座球形閥，閥體材質(zhì)選擇與管道材質(zhì)相同。

3.1 判定是否存在氣蝕工況

閥門前后壓差大于2.5 MPa，先判定是否為阻塞流。由GB/T17213.2-2017表D.2查得流開型單座球形閥FL為0.9，根據(jù)公式(3)計算液體臨界壓力比系數(shù)FF：

根據(jù)公式(2)計算阻塞流壓差ΔPchoked：

ΔPchoked=0.92×(5390-0.946×9.732)=4358.4 kPa;調(diào)節(jié)閥前后壓差ΔP=5090 kPa>ΔPchoked；可見流體處于阻塞流狀態(tài)。

調(diào)節(jié)閥閥后絕壓P2=5390-5090=300 kPa>9.732 kPa；流體處于氣蝕工況。

由于柱塞閥芯的單座球形閥只能單級降壓，無法克服氣蝕造成的危害，因此采用多級降壓的調(diào)節(jié)閥，避免產(chǎn)生氣蝕，閥芯選取單通道型式。

3.2 多級降壓調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)計算

根據(jù)GB/T17213.2-2017表D.2，多級單通道球形閥的FL根據(jù)其降壓級數(shù)應分別取0.97和0.99，但表D.2下注釋指明這兩個值僅為典型值，實際值應由制造商規(guī)定。因未獲得制造商提供的實際FL值，為了體現(xiàn)計算過程，本文中多級單通道球形閥的FL值仍取0.9。

第一級降壓的阻塞流壓差ΔPchoked-1=4358.4 kPa>ΔP1=3393 kPa，故流體經(jīng)過第一級降壓后流體為非阻塞流，不會產(chǎn)生氣蝕，滿足要求。

根據(jù)公式(6)計算第二級降壓的阻塞流壓差

ΔPchoked-2=0.92×(5390-3393-0.946×9.732)=1610 kPa<ΔP2=1697 kPa,

故流體經(jīng)過第二級降壓后流體為阻塞流，仍會產(chǎn)生氣蝕，不能滿足要求，需要增加降壓級數(shù)。

(2)假定調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)為3級，每級實際壓降分別為ΔP1、ΔP2、ΔP3。

第一級降壓的阻塞流壓差ΔPchoked-14358.4 kPa>ΔP1=2908 kPa，流體經(jīng)過第一級降壓后流體為非阻塞流，不會產(chǎn)生氣蝕，滿足要求。

根據(jù)公式(6)計算第二級降壓的阻塞流壓差：

ΔPchoked-2=0.92×(5390-2908-0.946×9.732)=2003 kPa>ΔP2=1454 kPa。

流體經(jīng)過第二級降壓后流體為非阻塞流，不會產(chǎn)生氣蝕，滿足要求。

根據(jù)公式(6)計算第三級降壓的阻塞流壓差：

ΔPchoked-3=0.92×(5390-2908-1454-0.946×9.732)=825 kPa>ΔP3=727 kPa。流體經(jīng)過第三級降壓后流體仍為非阻塞流，不會產(chǎn)生氣蝕，滿足要求。

3.3 多級降壓調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計算

不可壓縮流體的級流量系數(shù)大約相等[2]，故每級的流量系數(shù)可以認為是等于閥門的流量系數(shù)，與調(diào)節(jié)閥的降壓級數(shù)無關。因流過調(diào)節(jié)閥的流體為阻塞流，用于計算流量系數(shù)的ΔPsizing應按阻塞流壓差取值。根據(jù)公式(7)，正常、最大流量下的閥門Cv計算結(jié)果如下(假定閥門口徑為DN15，F(xiàn)P取1)：

選擇額定Cv為0.05的多級單通道球形閥。

根據(jù)公式(8)以流體正常流量驗證流體雷諾數(shù)Rev：

流體為紊流，Cv值的計算符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

從實例計算可知，若給定閥壓降較大，在進行流量系數(shù)計算時應首先判斷是否產(chǎn)生阻塞流。因為產(chǎn)生阻塞流，流量系數(shù)中計算用的閥壓降不再是給定閥壓降，而是產(chǎn)生阻塞流的最小壓降，所以此時算出的流量系數(shù)將大于用給定壓降算出的流量系數(shù)，必須選擇更大尺寸的閥才能保證給定的流量。

本文對調(diào)節(jié)閥氣蝕現(xiàn)象剖析了原因并提出了相應的預防措施。流量系數(shù)是表示調(diào)節(jié)閥容量大小、結(jié)構及流路形式對流通能力的影響的重要參數(shù)，通過實例介紹了閥門的選型和流量系數(shù)的計算方法。

在工程設計中，設計人員在進行液體調(diào)節(jié)閥閥門Cv值計算時，要特別注意Δp的取值。如果P2減小到發(fā)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(fā)生阻塞流時的ΔPcr。選擇正確的Δp，可以有效地避免Cv值計算過小，導致閥門選型過小的問題。同時，一旦判斷出發(fā)生了阻塞流工況，應進一步判斷是發(fā)生閃蒸工況，還是氣蝕工況，從而采用正確的處理措施，選擇正確的閥門類型，延長閥門的使用壽命。

多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設計結(jié)構獨特,在高壓差下能夠有效地防止空化,并能耐腐蝕抗沖刷,有較長的使用壽命。