气蚀工况下调节阀的计算选型

孙文文

连云港沃利工程技术有限公司上海分公司 上海 201100

调节阀是自动控制调节系统中的终端控制元件，用于分配流体介质、调节被控对象的工艺参数(流量、压力和温度等)，是一个局部阻力变化的节流装置，在现代工业生产中应用非常广泛。工作在液体工况下高压差场合的调节阀，由于流速很高，阀座和阀芯等内部节流件部位经常会出现冲刷腐蚀，同时伴有气蚀、噪声和振动等危害，给安全生产带来重大隐患，需要引起足够的重视。

1 调节阀气蚀简介

1.1 气蚀产生机理

当液态流体流经节流装置时，由于节流作用流体流速快速增加，根据伯努利方程，流体压力相应地急剧下降。当流体压力低于饱和蒸汽压，部分流体气化，流体中产生大量气泡，这一现象称为闪蒸。之后随着流体流通面积逐渐增大，流速下降，压力上升至一个低于初始压力的稳定值，若此时流体压力仍低于饱和蒸汽压，调节阀处于闪蒸工况；若流体压力稳定值高于饱和蒸汽压，闪蒸产生的气泡受压破裂恢复到液体状态，调节阀处于气蚀工况。

调节阀本质上也是节流装置的一种，流经阀门后达到稳定值的压力为调节阀阀后压力，其与阀前压力的差值即为调节阀的前后压差。调节阀选型过程中一般不直接计算流体压力是否低于饱和蒸汽压，而是先判断流体是否处于阻塞流状态，再比较调节阀阀后压力与饱和蒸汽压的大小关系来判断流体是否产生了闪蒸或者气蚀。

1.2 阻塞流的定义及判定条件

通常，经过调节阀阀芯节流，流体压力随着流速增大而降低，阀门前后的压差增加(假设阀前压力P1保持不变)，流体流量也随之增加。但是当压力降低到低于流体的饱和蒸汽压时，由于部分流体汽化，此后即使压力再下降，压差Δp再增大，流体中因含有大量气泡，流量也无法再增加，这样就发生了阻塞流，此时的压差被称为阻塞流压差。高压差液体介质工况下，一般认为当阀门进出口压差Δp>2.5MPa时，调节阀易产生阻塞流，并可能发生气蚀。

阻塞流存在的判定条件是阻塞流压差小于或等于阀门前后的压差。阀门前后的压差和阻塞流压差的计算见公式(1)和(2)：

ΔP=P1-P2

(1)

(2)

(3)

式中：Δp为调节阀前后压差，kPa；P1为调节阀阀前绝压，kPa(A)；P2为调节阀阀后绝压，kPa(A)；ΔPchoked为阻塞流压差，kPa；FL为液态流体压力恢复系数，取值见GB/T17213.2-2017 表D.2；FF为液态流体临界压力比系数；PV为流体在阀前温度T1下的饱和蒸汽压，kPa(A)；Pc为液态流体临界压力，kPa(A)。

由式(1)和(2)可知，流体临界压力比系数只和液体的物理性质有关，和阀门的其他参数无关。阻塞流压差与阀门类型、结构及调节阀阀前绝压有关。

1.3 气蚀判定条件

气蚀产生的两个必要条件：一是阻塞流的存在，二是调节阀阀后压力高于流体饱和蒸汽压。存在阻塞流的场合，若调节阀阀后压力大于流体饱和蒸汽压，则阀门既有闪蒸，又有气蚀；否则，只有闪蒸，没有气蚀。

1.4 气蚀的危害

流体流过节流口压力回升至饱和蒸气压以上时，闪蒸产生的气泡在阀体空腔内发生破裂回到液态，气泡破裂释放的巨大能量会引起阀门严重的噪声、振动和阀内件的冲刷和腐蚀，进而影响调节阀的寿命和调节性能。气蚀的影响甚至可延伸至邻近的下游管道，导致整个流程工艺系统的失效和停机。

1.5 消除或减缓气蚀危害的措施

从气蚀形成原因及阻塞流的判定条件，完全消除气蚀必须阻止阻塞流的出现，有以下几个措施：

(1)提高阀后压力，降低调节阀前后压差。可以在调节阀下游管线增加限流孔板；将调节阀安装在下游有较高静压的位置等。该措施会造成阀后压力损失较大，下游压力可调范围缩小，应当慎重使用。

(2)增加调节阀数量，使得每台调节阀前后压差均低于阻塞流压差。该措施需要增加阀门采购及安装费用，很不经济。

(3)采用多级降压阀座、阀芯，将调节阀前后压差分成多级，确保每级的压差均低于本级阻塞流压差，避免出现阻塞流。该方案成本较低，效果更好，更为经济。

需要注意的是，内件硬化处理可以应对闪蒸，但并不能避免气蚀，应尽量选用抗气蚀的内件，增强抗冲刷、气蚀的能力，减少或隔离气蚀带来的危害。

1.6 多级降压调节阀降压原理

如前所述，调节阀本质上就是个节流装置，当流体处于阻塞流状态时，调节阀两端的压差即为阻塞流压差。当调节阀两端的实际压差小于阻塞流压差时，可避免发生闪蒸或气蚀。当调节阀两端压差较大时，可采用多级降压方式避免。

假设多级降压调节阀降压级数为n，根据多级节流降压的原理，每一级的压降按几何级数递减。当第一级实际压降为ΔP1时，第n级实际压降ΔP计算方法见公式(4)，调节阀前后两端的实际压差为各级实际压降之和，计算方法见公式(5)。当n=1时即可计算出第一级实际压降值ΔP1。

Δpn=ΔP1/2n-1

(4)

(5)

式中，ΔPn为第级节流的实际压降，kPa(A)。

同时，每一级的实际压降均应小于本级阻塞流压差，否则仍会出现阻塞流产生气蚀。只要有一级出现阻塞流，就需要继续增加降压级数。第一级阻塞流压差的计算可以用公式(2)，第2，3，…n级阻塞流压差的计算方法可以用公式(6)。

(6)

多级降压调节阀抗气蚀效果见图1。

图1 多级降压调节阀抗气蚀效果图

2 气蚀工况下调节阀的选型

调节阀的选型主要包括阀门类型选择、阀体材质选择、阀门内件型式和材料选择、阀门额定流通系数计算选择等。对于工作在苛刻工况下的调节阀需要重点关注阀门内件型式和材料的选择。

2.1 阀门类型选择

根据文献[1]，压差较大的场合可以选用小口径直通单座阀，也可以选用套筒，角阀等GLOBE阀门。

2.2 阀体材质选择

阀体材质应满足管道材料等级表的要求，原则上不低于阀门所在管道的材质。

2.3 阀门内件型式和材料选择

气蚀工况处于高压差状态，存在着闪蒸和气蚀，属于比较苛刻的工况，对阀门内件的冲刷等破坏尤为严重。在有气蚀作用的情况下，应该在调节阀的结构上重点考虑阀芯、阀座形式。可以设计特殊结构的阀芯、阀座，比如多级多通道降压调节阀(多级套筒、迷宫)或多级单通道降压调节阀(多级阀芯)等，从根源上消除气蚀的破坏作用。多级多通道降压调节阀的降压级数可以设计得较大，与单通道相比，降压能力更强，能够胜任高压差的场合，安装维护简便，易于更换，但是加工过程比较复杂，成本较高。多级单通道降压调节阀多用于液体介质工作的场合，其流阻较小，可以胜任流体清洁度不高甚至固液两相流的场合；与多通道降压调节阀相比，加工方便，制造成本也较为低廉，但降压级数有限，多为3～4级，不能应用于压差过高的场合。多级多通道降压调节阀和多级单通道降压调节阀的示意图分别见图2和图3。

图2 多级多通道降压调节阀示意图

图3 多级单通道降压调节阀示意图

采用多级降压的调节阀，其内件的材质需进行硬化处理。在硬化处理过程中，一般需要将阀芯进行碳化钨喷涂，以提高抗冲刷气蚀性能。

2.4 气蚀工况下调节阀流通系数计算

不可压缩流体流通系数CV的计算见公式(7):

(7)

式中：Q为流体的体积流量，m3/h；ρ1为流体在P1和T1状况下的密度，kg/m3；ρ0为水在15℃时的密度，一般取1000kg/m3；N1为常数，取0.0865；FP为管道几何形状系数，当调节阀口径与管道口径一致时取1；ΔPsizing为用于计算CV值的调节阀差压，kPa。

通常情况下流通系数计算选取的调节阀差压为调节阀前后的压差Δp。根据GB/T17213.2-2017 6.2.1条，当流体处于非阻塞流时，ΔPsizing取调节阀前后压差Δp；而当流体处于阻塞流时，ΔPsizing应按取阻塞流压差ΔPchoked取值。故在气蚀工况下，由于Δp>ΔPchoked，如果仍选取Δp计算流通系数CV，将会导致算出的调节阀CV值偏小。

根据GB/T17213.2-2017，公式(7)仅适用于完全紊流条件，当调节阀的额定CV值确定后还需要再按公式(8)计算调节阀的雷诺数Rev，以确定流体是否处于紊流条件下。当雷诺数Rev=2100～4000时，流体为层流于紊流过渡状态；当雷诺数Rev>4000时流体才可被视为紊流。

(8)

式中：N2和N4为常数，分别取0.00214和0.076；v为流体运动黏度，m2/s；Fd为调节阀类型修正系数，可参考GB/T17213.2-2017表D.2；C为调节阀额定CV值；d为调节阀口径，mm；其余参数与公式(7)相同。

3 气蚀工况调节阀选型示例

某调节阀液态工艺介质工艺参数如下：正常流量0.11 m3/h，最大流量0.13 m3/h；阀前绝压5390 kPa(A)；阀门前后压力降5090 kPa；阀前温度20℃；流体密度902 kg/m3；黏度0.426 cP；饱和蒸汽压9.732 kPa(A)；临界压力3800 kPa(A)；阀门所在管道口径为DN15。

因阀门所在管线口径不大，在高压差的情况下可选用单座球形阀，柱塞阀芯，流开。对于本示例拟选用单座球形阀，阀体材质选择与管道材质相同。

3.1 判定是否存在气蚀工况

阀门前后压差大于2.5 MPa，先判定是否为阻塞流。由GB/T17213.2-2017表D.2查得流开型单座球形阀FL为0.9，根据公式(3)计算液体临界压力比系数FF：

根据公式(2)计算阻塞流压差ΔPchoked：

ΔPchoked=0.92×(5390-0.946×9.732)=4358.4 kPa;调节阀前后压差ΔP=5090 kPa>ΔPchoked；可见流体处于阻塞流状态。

调节阀阀后绝压P2=5390-5090=300 kPa>9.732 kPa；流体处于气蚀工况。

由于柱塞阀芯的单座球形阀只能单级降压，无法克服气蚀造成的危害，因此采用多级降压的调节阀，避免产生气蚀，阀芯选取单通道型式。

3.2 多级降压调节阀降压级数计算

根据GB/T17213.2-2017表D.2，多级单通道球形阀的FL根据其降压级数应分别取0.97和0.99，但表D.2下注释指明这两个值仅为典型值，实际值应由制造商规定。因未获得制造商提供的实际FL值，为了体现计算过程，本文中多级单通道球形阀的FL值仍取0.9。

第一级降压的阻塞流压差ΔPchoked-1=4358.4 kPa>ΔP1=3393 kPa，故流体经过第一级降压后流体为非阻塞流，不会产生气蚀，满足要求。

根据公式(6)计算第二级降压的阻塞流压差

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

故流体经过第二级降压后流体为阻塞流，仍会产生气蚀，不能满足要求，需要增加降压级数。

(2)假定调节阀降压级数为3级，每级实际压降分别为ΔP1、ΔP2、ΔP3。

第一级降压的阻塞流压差ΔPchoked-14358.4 kPa>ΔP1=2908 kPa，流体经过第一级降压后流体为非阻塞流，不会产生气蚀，满足要求。

根据公式(6)计算第二级降压的阻塞流压差：

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

流体经过第二级降压后流体为非阻塞流，不会产生气蚀，满足要求。

根据公式(6)计算第三级降压的阻塞流压差：

ΔPchoked-3=0.92×(5390-2908-1454-0.946×9.732)=825 kPa>ΔP3=727 kPa。流体经过第三级降压后流体仍为非阻塞流，不会产生气蚀，满足要求。

3.3 多级降压调节阀流量系数计算

不可压缩流体的级流量系数大约相等[2]，故每级的流量系数可以认为是等于阀门的流量系数，与调节阀的降压级数无关。因流过调节阀的流体为阻塞流，用于计算流量系数的ΔPsizing应按阻塞流压差取值。根据公式(7)，正常、最大流量下的阀门Cv计算结果如下(假定阀门口径为DN15，FP取1)：

选择额定Cv为0.05的多级单通道球形阀。

根据公式(8)以流体正常流量验证流体雷诺数Rev：

流体为紊流，Cv值的计算符合规范要求。

4 结语

从实例计算可知，若给定阀压降较大，在进行流量系数计算时应首先判断是否产生阻塞流。因为产生阻塞流，流量系数中计算用的阀压降不再是给定阀压降，而是产生阻塞流的最小压降，所以此时算出的流量系数将大于用给定压降算出的流量系数，必须选择更大尺寸的阀才能保证给定的流量。

本文对调节阀气蚀现象剖析了原因并提出了相应的预防措施。流量系数是表示调节阀容量大小、结构及流路形式对流通能力的影响的重要参数，通过实例介绍了阀门的选型和流量系数的计算方法。

在工程设计中，设计人员在进行液体调节阀阀门Cv值计算时，要特别注意Δp的取值。如果P2减小到发生了阻塞流工况，Δp的取值就不等于阀

门前后压差，而应该等于发生阻塞流时的ΔPcr。选择正确的Δp，可以有效地避免Cv值计算过小，导致阀门选型过小的问题。同时，一旦判断出发生了阻塞流工况，应进一步判断是发生闪蒸工况，还是气蚀工况，从而采用正确的处理措施，选择正确的阀门类型，延长阀门的使用寿命。

多级降压高压差调节阀设计结构独特,在高压差下能够有效地防止空化,并能耐腐蚀抗冲刷,有较长的使用寿命。