蘇 菲

（中國石化集團上海工程有限公司，上海 200120）

1 前言

但是對于發(fā)生了阻塞流工況下的控制閥的計算，以上常規(guī)的計算壓差ΔP＝P1－P1的確定方式并不適用，會導(dǎo)致閥門計算錯誤，導(dǎo)致閥門選型過小。下面通過實例介紹阻塞流工況的判別步驟及其工況下計算差壓的確定，有利于正確的閥門選型。

在某石化改造項目中，有一臺閥門是原八十年代設(shè)計選型的，根據(jù)當(dāng)時的工藝數(shù)據(jù)，流量18000 kg/h，閥前壓力P1 = 3.3 MPaA，閥后壓力P2 = 0.86 MPaA，壓差ΔP＝P1－P1＝2.44 MPa，結(jié)合溫度密度等參數(shù)，帶入計算CV值，最后選擇了一臺CV = 17的2″口徑控制閥。但是這臺閥門在實際應(yīng)用中一直偏小，業(yè)主反應(yīng)，即使平時閥門已經(jīng)全開，但使用中還是感覺偏小，迫切希望本次改造中對閥門進行重新計算，重新選型，選擇合適的閥門。由于工藝參數(shù)并沒有變化，還是根據(jù)之前的工藝參數(shù)，筆者再次計算CV值，發(fā)現(xiàn)并沒有什么問題，CV值計算約等于4.962，選擇CV=17的閥門應(yīng)該綽綽有余，為什么實際應(yīng)用偏小呢？深入研究后，發(fā)現(xiàn)原來由于閥后壓力P2很小，實際已經(jīng)發(fā)生了阻塞流（閃蒸）的工況，因此，此時進行CV值計算時，ΔP已經(jīng)不等于P1－P2的2.44 MPa，應(yīng)該帶入發(fā)生阻塞流時的對應(yīng)的臨界壓降ΔPcr。ΔPcr <ΔP，所以，導(dǎo)致了原先閥門的計算偏小。

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，即如果閥前壓力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。但如果P2降低到一定的值，經(jīng)過控制閥的流體發(fā)生了阻塞流的情況，ΔP的取值則不再等于P1－P2，需要重新考慮。下面著重討論阻塞流工況下，閥門CV值計算時ΔP的取值的問題，進一步再判斷閥門是閃蒸工況還是氣蝕工況，以及相應(yīng)工況下的處理措施。

2 阻塞流的判斷

阻塞流：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(dāng)閥后壓力P2降低到某一數(shù)值后，流過控制閥的流量到達(dá)一個最大極限值Qmax，這時再降低P2，就不能使通過控制閥的流量再增加了。這個通過控制閥流量的最大極限值就是阻塞流（chocked flow）。如圖1所示。

圖1 流量與閥門兩端壓降的關(guān)系

因此，P2越小，導(dǎo)致實際控制閥兩端的壓降大于阻塞流對應(yīng)的臨界壓降ΔPcr時，會發(fā)生阻塞流，即ΔP > ΔPcr時，閥門CV值的計算就不能采用工藝給的要求壓降ΔP來計算了，而應(yīng)該采用阻塞流對應(yīng)的臨界壓降ΔPcr。也就是說，如果發(fā)生了阻塞流，仍然用閥前后壓差P1－P2帶入計算CV值的話，會使得ΔP變大，導(dǎo)致CV計算變小，最終導(dǎo)致閥門選小了，這是在工程設(shè)計中所不希望看到的。因此，對于可能發(fā)生阻塞流工況的閥門，設(shè)計人員在計算時需要特別注意，首先要確認(rèn)是否確實發(fā)生阻塞流，從而選擇正確的ΔP取值。

對于不可壓縮流體，當(dāng)流體節(jié)流時，流速增大，壓力降低，最大流速處具有最小壓力。但是，當(dāng)節(jié)流后，流束的截面積并沒有立即擴大，而是繼續(xù)縮小，因此，最大流速并不在節(jié)流處，而是在節(jié)流處下游某處，此處稱為靜縮流處，該處壓力最小，稱為Pvc。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(fù)到入口壓力P1，而為P2。即流過控制閥后壓力得到恢復(fù)，但也存在不可恢復(fù)的壓力損失：ΔP＝P1－P2。如圖2所示。

圖2 靜縮流處示意圖

不可壓縮流體發(fā)生阻塞流的原因是由于流體經(jīng)過控制閥后，經(jīng)過節(jié)流，壓力會逐漸減小，當(dāng)壓力減小到小于流體的飽和蒸汽壓Pv，使部分液體汽化，此后即使壓力再減小，流量也不再增加了。這樣就發(fā)生了阻塞流。

對于不可壓縮的流體，發(fā)生阻塞流的條件是下式成立：

上式中，ΔP＝P1－P2，由工藝提出，顯而易見。所以，重點是如何計算ΔPcr的大小。下面具體討論。

3 ΔPcr的計算

發(fā)生阻塞流時，ΔPcr＝P1－Pcr ＝FL2(P1－Pvcr )，式中有兩個參數(shù)未知，Pvcr和FL，下面分別進行討論。

3.1 Pvcr

當(dāng)發(fā)生阻塞流時，其靜縮流處最大流速對應(yīng)的最小壓力Pvc用Pvcr表示。Pvcr與液體的介質(zhì)物理特性有關(guān)：

式中，Pv是液體的飽和蒸汽壓。FF是液體的臨界壓力比系數(shù)，是液體在入口溫度下液體的飽和蒸汽壓Pv和液體的臨界壓力Pc 之比的函數(shù)，

由上式可知，F(xiàn)F只和液體的物理性質(zhì)有關(guān)，和閥門的其他參數(shù)無關(guān)。

進而可知，Pvcr也只和液體的飽和蒸汽壓Pv和液體的臨界壓力Pc有關(guān)，和其他參數(shù)無關(guān)。流過控制閥的液體一旦確定，Pvcr 的值也就確定了。

3.2 FL

FL即壓力恢復(fù)系數(shù)，是用來表示控制閥內(nèi)部流體流經(jīng)縮流處后，動能轉(zhuǎn)化為靜壓的恢復(fù)能力。

FL是與閥門和流路特性有關(guān)的函數(shù)。例如，IEC推薦計算CV值時，直通單座柱塞閥的流開流向時，取FL=0.9，流關(guān)流向時，取FL=0.8；偏心旋轉(zhuǎn)閥在任意流向時，取FL=0.85。FL越小，表示該控制閥流路設(shè)計越好，其壓力恢復(fù)系數(shù)越好，即經(jīng)縮流后，靜壓能夠恢復(fù)到接近入口壓力。例如，蝶閥的FL在0.5～0.68之間，為高壓力恢復(fù)閥，直通閥FL在0.8～0.9之間，為低壓力恢復(fù)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(fù)閥比較合適。

這樣，就可以比較ΔP和ΔPcr的大小，對于不可壓縮的液體，發(fā)生阻塞流的條件是：

下面再回到本文開頭的那個實例，根據(jù)以上分析，筆者重新計算了這臺閥門的CV值，其中CV值計算中帶入上式（1）的ΔP＝ΔPcr＝(P1－FFPv)，其中根據(jù)IEC的推薦取FL=0.9，飽和蒸汽壓Pv＝2.81 MPaA，臨界壓力Pc = 4.62 MPaA，計算后可得ΔPcr＝0.985 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工藝所提的ΔP＝2.44 MPa，這樣再計算出的CV值＝10.3，最終閥門選型的結(jié)果：選擇了CV值＝44的4″口徑控制閥。相比較之前選擇的CV值＝17的2″口徑閥門，新選擇的閥門無論是口徑還是CV值都大了許多，也難怪原來的閥門在實際應(yīng)用中一直偏小。也就是說，一旦工藝所提的ΔP≥0.985 MPa，那就是已經(jīng)發(fā)生了阻塞流工況，這時不管工藝給出的P2多小，帶入進行CV值計算的ΔP都不再變化，都等于0.985 MPa，這樣才能計算出正確的閥門CV值，進行正確的閥門選型。

通過下表1，可以更加清楚的看到這臺閥門在之前八十年代沒有進行阻塞流判斷，采用常規(guī)算法而導(dǎo)致閥門選型口徑過小的問題。

表 實例中閥門計算是否判斷阻塞流情況導(dǎo)致的差異

4 閃蒸和氣蝕工況

對于閥門來說，一旦ΔP > ΔPcr，發(fā)生阻塞流后，就要考慮閃蒸和氣蝕兩種工況。這時，再根據(jù)閥后壓力P2和流體飽和蒸汽壓力Pv的大小來進行判斷。因此，在首先判斷ΔP > ΔPcr的情況下：

（1） 若P2 < Pv，靜縮流處的壓力Pvc直到閥出口靜壓P2一直小于流體的飽蒸汽壓Pv，部分液體會發(fā)生相變，液體會蒸發(fā)為氣體，形成氣液兩相的狀態(tài)，就稱為閃蒸（flashing）；

（2） 若P2 > Pv，首先靜縮流處的壓力Pvc低于Pv，發(fā)生閃蒸，部分液體會發(fā)生相變，液體會蒸發(fā)為氣體，在液相中產(chǎn)生氣泡，接下來下游壓力恢復(fù)，逐漸增加，到閥出口壓力P2又大于流體的飽和蒸汽壓Pv，則之前形成的氣泡又潰裂回復(fù)為液相，這種氣泡產(chǎn)生又破裂的全過程就稱為氣蝕（cavitation）。

具體如圖3所示：

圖3 閃蒸和氣蝕工況閥門前后壓力變化示意圖

也就在可能發(fā)生阻塞流的工況下的閥門計算，工藝必須提供飽和蒸汽壓Pv，臨界壓力Pc等流體的物性參數(shù)，便于儀表專業(yè)進行ΔPcr的計算，從而判斷ΔP 和 ΔPcr的大小，確認(rèn)是否發(fā)生阻塞流。若確實發(fā)生阻塞流，進而再判斷閥后壓力P2和飽和蒸汽壓Pv的大小，確認(rèn)到底是發(fā)生閃蒸工況還是氣蝕工況。

還是本文開頭的那個實例，由上述的判別步驟得知，此閥門已經(jīng)發(fā)生的阻塞流的工況。再根據(jù)工藝所提的閥后壓力P2=0.86 MPaA < 飽和蒸汽壓Pv =2.81 MPaA，因此不難看出，此閥門已發(fā)生了閃蒸工況，這是一臺閃蒸閥。

4.1 閃蒸工況

閃蒸工況可能無法避免，因為這是工藝要求的。例如：液體氣化邊做冷卻劑，物料進塔前閃蒸分離等。但是對于控制閥來講，閃蒸會對閥門的閥芯產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞外，其特點是受沖刷表面有平滑拋光的外形，如圖4所示。沖刷最嚴(yán)重的地方，一般是在流速最高處，通常位于閥芯和閥座環(huán)的接觸線上或附近。

圖4 閃蒸破環(huán)的典型外形圖

因此，對于會發(fā)生閃蒸工況的閥門選型來講，因為閃蒸無法避免，所以，最好的辦法是采用合適的幾何形狀和材料的閥門來盡可能減小破壞。主要如下：

（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(fù)系數(shù)不同，選用FL大的閥門類型和流向，可以防止發(fā)生阻塞流。例如，對易于汽化的液體，不宜選用高壓力恢復(fù)的球閥或蝶閥，可以選用低壓力恢復(fù)的單座閥。

（2）將這些表面盡可能硬化。通常來說，材料越硬，抗沖刷越久。

（3）降低沖刷性流體的速度。設(shè)計合理的流路，降低下游流體的流速，從而降低沖刷速度。例如：控制閥下游設(shè)置擴徑管等。

4.2 氣蝕工況

氣蝕工況是應(yīng)該盡量避免的，因為這時閥門內(nèi)部發(fā)生了液變氣，氣再變液的過程，而當(dāng)氣體變回液體時，由于氣泡破裂而釋放大量的能量，噪聲、振動和沖蝕也同時產(chǎn)生，這種情況下閥門的壽命會大大的縮短。典型工況如鍋爐給水泵的旁路閥。

氣蝕的破壞特點是受沖刷表面有粗糙的煤渣狀外形，如下圖5所示。他明顯不同于由閃蒸沖刷引起的平滑拋光外形。

圖5 氣蝕破環(huán)的典型外形圖

由前面的分析可知，氣蝕是由于靜縮流處Pvc小于Pv，而閥后P2又大于Pv所導(dǎo)致的。因此，消除和降低氣蝕發(fā)生的措施如下：

（1）控制壓降，避免氣蝕發(fā)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Pvc小于飽和蒸汽壓Pv，從而消除氣泡的產(chǎn)生，也就不會產(chǎn)生氣蝕了。

（2）若氣蝕無法消除，那就盡可能減少或隔離其破壞，采用與閃蒸解決方案類似的方法，例如：提高材質(zhì)硬度，降低流速等，把氣蝕造成的影響降到最小。

（3）采用合理的工藝系統(tǒng)，合理的分配工藝管路壓力，提高閥后壓力P2，使緊縮流處Pvc也提高，一旦Pvc提高到飽和蒸汽壓Pv以上，就不可能發(fā)生阻塞流，也就不會發(fā)生氣蝕了。例如：將控制閥安裝在下游有較高靜壓的位置，增設(shè)限流孔板等。

5 結(jié)束語

在工程設(shè)計中，設(shè)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。如果閥后壓力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(yīng)該等于發(fā)生阻塞流時的臨界壓降ΔPcr。選擇正確的的ΔP的取值，可以有效的避免CV計算過小，導(dǎo)致的閥門選型過小問題。并且一旦判斷出確實發(fā)生了阻塞流工況，還可以進一步判斷出是閃蒸工況，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。

[1] 何衍慶，邱宣振，楊潔，王為國. 控制閥工程設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 費希爾控制設(shè)備有限公司.《控制閥手冊》，第三版. 2010.