摘 要 基于數(shù)值計算軟件，以公稱通徑DN 25、公稱壓力PN 260的四級降壓串式調(diào)節(jié)閥作為分析對象，研究了每級串降壓分布規(guī)律，計算了閥門的流量系數(shù)，并通過數(shù)值計算軟件驗證了此閥在工況條件下不會出現(xiàn)空化現(xiàn)象。對其他工況條件下，判斷該類閥是否產(chǎn)生阻塞流具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞 四級降壓 串式調(diào)節(jié)閥 空化 阻塞流

中圖分類號 TH134? ?文獻標(biāo)識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0310?07

作者簡介：張志超（1983-），高級工程師，從事儀表控制閥的研究與開發(fā)工作，zhangzhichao@wuxismart.com。

引用本文：張志超.多級降壓串式調(diào)節(jié)閥的防空化性能研究及應(yīng)用［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：310-315；382.

隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的發(fā)展，調(diào)節(jié)閥作為流體終端控制元件被廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金及能源等工藝管道上。當(dāng)調(diào)節(jié)閥用在高溫、高壓液體等嚴(yán)苛工況時，若流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥縮流斷面處的壓力低于介質(zhì)在工況溫度的飽和蒸汽壓，部分液體就會汽化成氣體，形成氣液兩相共存的情況，即閃蒸現(xiàn)象。若閃蒸發(fā)生后，調(diào)節(jié)閥縮流斷面下游的壓力逐步恢復(fù)到介質(zhì)在工況溫度的飽和蒸汽壓以上，此時氣泡會破裂并重新恢復(fù)為液體，即空化現(xiàn)象。

對閥門出現(xiàn)空化導(dǎo)致的一系列問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。鄭忠良等針對工程應(yīng)用中調(diào)節(jié)閥普遍出現(xiàn)的空化以及由此產(chǎn)生的噪聲問題，提出基于流聲場耦合法的調(diào)節(jié)閥空化噪聲數(shù)值預(yù)測方法［1］。王燕等針對高壓差下調(diào)節(jié)閥內(nèi)的閃蒸空化引起的強振動和高噪聲問題，設(shè)計了一種消聲減振套筒，并對其級數(shù)、級間隙和孔徑大小進行了研究［2］。金浩哲等基于液控調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性和流場物性參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，并采用Mixture和DPM模型對液控調(diào)節(jié)閥的空化和沖蝕現(xiàn)象進行數(shù)值模擬并分析［3］。李樹勛等針對超臨界高溫高壓蒸汽疏水閥，將空化模型和混合兩相流模型相結(jié)合，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型，對疏水閥內(nèi)部空化流動進行數(shù)值模擬［4］。但以上學(xué)者針對調(diào)節(jié)閥防空化性能和工程應(yīng)用的研究較少。筆者先基于應(yīng)用工況，通過理論分析給出初步防空化方案，然后通過數(shù)值計算［5～7］，分析了多級降壓串式調(diào)節(jié)閥的降壓分布規(guī)律，給出了閥門流量特性曲線，并通過氣液兩相模型驗證了設(shè)計方案的可靠性。

1 防空化機理

1.1 空化產(chǎn)生條件

調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生空化與阻塞流有著必然聯(lián)系。在固定的入口條件下，閥前壓力p保持一定，而逐步降低閥后壓力p時，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量會增加到一個最大極限值，當(dāng)繼續(xù)再降低閥后壓力p時，閥門流量不再增加，這個極限流量即阻塞流。

式（3）中壓力恢復(fù)系數(shù)F的值是閥體內(nèi)部幾何形狀的函數(shù)，它表示調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體流經(jīng)縮流斷面處后，動能變?yōu)殪o壓的恢復(fù)能力，可通過試驗和數(shù)值仿真計算的方法得出。

在工程應(yīng)用上，都是通過阻塞流來判斷是否產(chǎn)生空化。如圖1所示，空化會導(dǎo)致閥門內(nèi)件損傷，同時伴有振動和噪聲，嚴(yán)重影響閥門的使用性能和工作壽命。

1.2 防空化方法

目前，各閥門廠家主要通過材料選型優(yōu)化或采用多級降壓結(jié)構(gòu)閥門來應(yīng)對空化問題。材料選型優(yōu)化通常的做法是選用高硬度的材料，如將410、420、440C等馬氏體不銹鋼進行熱處理硬化，或如圖2所示，將304、316、347等奧氏體不銹鋼堆焊硬質(zhì)合金進行硬化，從而延長閥內(nèi)件的使用壽命。如圖3所示，采用多級降壓結(jié)構(gòu)，可以把通過閥門的壓降分成數(shù)個較小的壓降，而每一個較小壓降都能保證閥門縮流斷面處的壓力大于飽和蒸汽壓力，這樣就不會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，從根本上避免了空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1.3 降壓級數(shù)理論

閥門采用多級降壓結(jié)構(gòu)需確定合理的降壓級數(shù)，這樣才能防止空化現(xiàn)象產(chǎn)生。流經(jīng)閥門的總壓降［9］Δp可分成若干個分壓降，即：

根據(jù)多級降壓的原理，每一級降壓均按幾何級數(shù)［9］遞減，即：

按以上公式可以初步判斷閥門降壓級數(shù)，但實際上與各級閥芯分壓情況和每一級閥芯縮流斷面處的面積有關(guān)，即與產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此，需要基于數(shù)值計算，分析每一種多級降壓閥門的閥芯壓力分布情況。

2 工程應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場工況條件

某閥門現(xiàn)場使用工況如下：

介質(zhì) 水

介質(zhì)溫度 25 ℃

閥前壓力 15.6 MPa

閥后壓力 6 MPa

介質(zhì)密度 1 000 kg/m-3

額定流量系數(shù)Cv 5

流量特性 近似線性

2.2 選用閥門類型

根據(jù)降壓級數(shù)理論和閥門阻塞流計算公式，可以初步判定選用四級降壓串式調(diào)節(jié)閥即可防止空化現(xiàn)象產(chǎn)生。閥門公稱通徑DN 25，公稱壓力PN 260，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

四級降壓串式調(diào)節(jié)閥的介質(zhì)流向為底進側(cè)出，流體介質(zhì)沿閥芯軸向流動，在閥座與閥芯每一級縮流斷面處節(jié)流，使閥前閥后的總壓差沿閥芯軸向逐級降壓，能有效控制介質(zhì)流速；同時保證每一級閥芯縮流斷面處的壓力高于介質(zhì)在工況溫度時的飽和蒸汽壓，可防止閥門出現(xiàn)空化現(xiàn)象，并減少振動和噪聲。

3 數(shù)值計算

3.1 相關(guān)數(shù)據(jù)

以某公司J8系列公稱通徑DN 25、公稱壓力PN 260的多級降壓串式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)裝配圖為例，建立數(shù)值計算模型。為了保證閥門流場的穩(wěn)定，閥前管道長度取閥門公稱通徑的6倍，閥后管道長度取閥門公稱通徑的10倍，采用多面體方法劃分流體計算域網(wǎng)格。由于空化計算涉及到多相流計算，因此需啟用多相流模型。設(shè)置多相流模型為Mixture，選用k?ε湍流計算模型，介質(zhì)選用水和水蒸氣?？栈饔弥饕紤]的是相間傳質(zhì)，即水轉(zhuǎn)變成水蒸氣。水在25 ℃時的飽和蒸氣壓為

3 169 Pa。閥門進出口設(shè)置為壓力邊界條件，采用壓力和速度耦合中的Coupled算法。

3.2 流場壓力分布結(jié)果

多級降壓串式調(diào)節(jié)閥的降壓規(guī)律與閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，式（4）只能用作初步判斷閥門理論降壓級數(shù)，而具體分析閥內(nèi)件降壓情況，需借助數(shù)值計算軟件模擬、分析閥門在各個開度下的流場分布情況。高壓差調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡量避免在小開度下運行，以降低高壓差流體對閥內(nèi)件的沖蝕，通常較合理的閥門開度在30%～80%。以此四級降壓串式調(diào)節(jié)閥40%、50%、60%、70%這4個開度為例進行分析，其閥內(nèi)件壓力分布云圖如圖5所示。

基于數(shù)值計算模擬結(jié)果，得出此四級降壓串式調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件壓力分布規(guī)律。閥門介質(zhì)流向為底進側(cè)出，首先介質(zhì)流經(jīng)下節(jié)流孔，然后依次流過1級串、2級串、3級串和4級串，最后從上節(jié)流孔流出。取壓點如圖6所示。閥內(nèi)件分壓情況詳見表1、2。

從表1、2分析得出，閥門開度在10%～30%時，下節(jié)流孔和上節(jié)流孔不參與分壓，1級串、2級串、3級串處的分壓占比為0.30～0.31，4級串的分壓占比約為0.07～0.08。閥門開度在40%～100%時，受下節(jié)流孔和上節(jié)流孔的影響，1級串、2級串、3級串的分壓占比在0.18～0.31，4級串的分壓占比在0.08～0.16。閥內(nèi)件的分壓占比隨閥門開度變化的規(guī)律如圖7所示。因第4級串部位設(shè)有閥芯與閥座的密封面，是容易產(chǎn)生空化的部位，而此結(jié)構(gòu)設(shè)計確保閥芯與閥座密封面部位的分壓占比較小，有利于防止閥門產(chǎn)生空化。

從圖7可以看出，閥門1級串、2級串、3級串的分壓占比隨著開度增加在不斷減小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是隨著閥門開度增加，下節(jié)流孔和上節(jié)流孔的分壓占比在逐漸增大。閥門開度在40%～100%時，閥門的降壓能力逐漸加強，下節(jié)流孔與上節(jié)流孔也具備了部分分壓功能。

基于Fluent兩相流計算模型，驗證此閥門在現(xiàn)工況下是否產(chǎn)生空化現(xiàn)象。選取此四級降壓串式調(diào)節(jié)閥40%、50%、60%、70%這4個開度為例進行分析，其閥內(nèi)件氣液分布云圖如圖8所示。

從圖8可以看出，此閥開度在40%～70%時水的體積分?jǐn)?shù)為100%，未出現(xiàn)氣液兩相共存的情況，即未產(chǎn)生空化現(xiàn)象。同樣，針對閥門其他開度也做了相應(yīng)的數(shù)值計算分析，也未出現(xiàn)空化現(xiàn)象。跟蹤此結(jié)構(gòu)閥門在裝置現(xiàn)場的實際使用情況，確認(rèn)閥門未出現(xiàn)空化現(xiàn)象，使用效果良好，驗證了數(shù)值分析方法的可行性。

3.3 流量系數(shù)

流量系數(shù)Cv值是衡量調(diào)節(jié)閥流通能力的最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。在實際工程應(yīng)用中，閥門在滿足防空化功能要求的同時，還應(yīng)需滿足工況流量的要求?；诘?節(jié)數(shù)值計算結(jié)果得出閥門出口質(zhì)量流量，即可計算出閥門在各開度下對應(yīng)的流量系數(shù)，其隨閥門開度變化的曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，閥門流量系數(shù)滿足設(shè)計Cv值為5的要求，且流量特性為近似線性。

4 結(jié)束語

多級降壓串式調(diào)節(jié)閥的分壓情況與設(shè)計結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。筆者所選公稱通徑為DN 25、公稱壓力為PN 260的調(diào)節(jié)閥開度在10%～30%時，1級串、2級串和3級串處的分壓占比為0.30～0.31，4級串的分壓占比為0.07～0.08。閥門開度在40%～100%時，1級串、2級串和3級串的分壓占比近似一樣，在0.18～0.31之間，4級串的分壓占比在0.08～0.16之間。對同類型結(jié)構(gòu)的閥門，在常溫水工況條件下，可以按此分壓占比關(guān)系，計算是否產(chǎn)生阻塞流。當(dāng)液體介質(zhì)的溫度接近飽和溫度時，閥門可能會需要更多降壓級數(shù)的串式閥芯才能有效避免空化的產(chǎn)生?；跀?shù)值計算模擬，可以分析閥內(nèi)件降壓分布情況，計算閥門流量系數(shù)Cv值和驗證閥門是否產(chǎn)生空化現(xiàn)象，可保證工程應(yīng)用中產(chǎn)品選型設(shè)計的可靠性。

參 考 文 獻

［1］ 鄭忠良，陳修高，譚術(shù)洋，等.基于流聲耦合的調(diào)節(jié)閥空化噪聲數(shù)值預(yù)測［J］.西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，37（6）：42-47.

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［3］ 金浩哲，陳小平，鄭智劍，等.液控調(diào)節(jié)閥空化與沖蝕仿真模擬與分析［J］.中國科技論文，2016，11（10）：1119-1123.

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［8］ 吳國熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

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（收稿日期：2021-12-16，修回日期：2023-03-22）

Research and Application of Anti?cavitation Performance of?Multi?stage Depressurization Cascade Control Valve

ZHANG Zhi?chao

（Wuxi Smart Auto?control Engineering Co.， Ltd.）

Abstract? ?Based on the numerical calculation software and taking a four?stage depressurization cascade control valve which has a nominal diameter of DN 25 and a nominal pressure of PN 260 as the analysis object， the pressure drop distribution of each cascade was studied and the flow coefficient of the valve was calculated. Verifying it with the numerical calculation software shows that， no cavitation? will happen to? this valve under working conditions. It provides reference for judging whether this type valve will encounter with choked flow under other working conditions.

Key words? ? four?stage depressurization， cascade control valve， cavitation， choked flow