控制閥阻塞流分析

                     上海申弘閥門有限公司

之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹控制閥阻塞流分析本文詳細論述調節閥閃蒸、空化及阻塞流的成因及其對生產所帶來的影響和危害，分別闡述如何通過計算判斷分析調節閥是否出現了這3種現象，以及發生的是其中的哪一種或幾種，并結合實例對其進行判斷分析并提出解決方案。給工程設計人員的閥門選型提供參考。
關鍵字：調節閥 閃蒸 空化 阻塞流 選型

1 什么是調節閥的閃蒸、空化及阻塞流
1.1 不可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現象
當不可壓縮流體（通常指液體），通過調節閥時，根據伯努利方程可知，流道變化，截面積越小流速越大，靜壓越低。根據圖2，當閥前壓力P1一定，而閥后壓力P2逐漸降低時，縮流斷面的壓力Pvc低于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓時，就會產生汽泡出現兩相流，縮流斷面后伴隨著流道截面積的擴大，動壓越來越大，如果閥后壓力不能恢復到飽和蒸汽壓以上，則汽泡不會破裂，并伴隨液體流出調節閥，這個過程叫做閃蒸；若P2恢復到飽和蒸汽壓以上，則閥后汽泡破裂，這個過程叫做空化或者汽蝕；如果縮流斷面的壓力Pvc繼續降低，閥后的氣相將繼續增加，到某一時刻，流量將達到極限值，此時，無論如何降低閥后壓力都不能增加流量大小，此時的流動狀況稱為阻塞流。通俗地說，阻塞流就是閥后氣相迅速增加，導致物料體積快速膨脹，在管道管徑的限制下，無法及時流通即為阻塞流。由于閃蒸、空化的這種特點，某些工段工藝會利用閥門的閃蒸和空化來達到霧化或者將物料氣化的目的。
1.2 控制閥阻塞流分析可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現象
氣體在低流速時屬于不可以壓縮流體，其熱力狀態的變化可以忽略，但在高速流動下（如大于0.3馬赫時），氣體的壓縮效應不能忽略，其熱力狀態也發生明顯變化，氣體運動既要滿足流體力學定律，也要滿足熱力學定律。當可壓縮流體通過調節閥時，根據伯努利方程，由于流道的變化，截面積越小流速越大，靜壓越低；但是如果當縮流口已經達到臨界流速時，此時伯努利方程不再適用，根據氣體動力學，此時情況恰恰相反，閥后截面越大，流速越快，氣體膨脹，此時無論閥門兩端壓差怎樣提升，流量也不會改變，而是恒定不變，這種現象稱為可壓縮流體的阻塞流。由于可壓縮流體本身就是氣態，所以沒有閃蒸和空化現象。
2 閃蒸、空化及阻塞流的危害與處理
2.1 調節閥閃蒸、空化及阻塞流的危害
閥門的閃蒸、空化zui重要的特點是流體伴隨著兩相流，流出調節閥，這個過程叫做閃蒸；若P2恢復到飽和蒸汽壓以上，則閥后汽泡破裂，這個過程叫做空化或者汽蝕；如果縮流斷面的壓力Pvc繼續降低，閥后的氣相將繼續增加，到某一時刻，流量將達到極限值，此時，無論如何降低閥后壓力都不能增加流量大小，此時的流動狀況稱為阻塞流[1]。 通俗地說，阻塞流就是閥后氣相迅速增加，導致物料體積快速膨脹，在管道管徑的限制下，無法及時流通即為阻塞流。由于閃蒸、空化的這種特點，某些工段工藝會利用閥門的閃蒸和空化來達到霧化或者將物料氣化的目的。
1.2 可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現象 氣體在低流速時屬于不可以壓縮流體，其熱力狀態的變化可以忽略，但在高速流動下（如大于0.3馬赫時），氣體的壓縮效應不能忽略，其熱力狀態也發生明顯變化，氣體運動既要滿足流體力學定律，也要滿足熱力學定律。當可壓縮流體通過調節閥時，根據伯努利方程，由于流道的變化，截面積越小流速越大，靜壓越低；但是如果當縮流口已經達到臨界流速時，此時伯努利方程不再適用，根據氣體動力學，此時情況恰恰相反，閥后截面越大，流速越快，氣體膨脹，此時無論閥門兩端壓差怎樣提升，流量也不會改變，而是恒定不變，這種現象稱為可壓縮流體的阻塞流。由于可壓縮流體本身就是氣態，所以沒有閃蒸和空化現象。
2 閃蒸、空化及阻塞流的危害與處理
2.1 調節閥閃蒸、空化及阻塞流的危害 閥門的閃蒸、空化zui重要的特點是流體伴隨著兩相流，而氣泡在發生破裂或者向內爆炸的瞬間，氣泡原來占據的空間就會形成高真空空穴，液相在這種差壓作用下，以*的速度填充氣泡原來的空間，形成具有沖擊力的微噴射和壓力波，而閥門的流道往往不會是直通的，由于這種閥芯的阻擋，很多沒有來得及溶解、凝結和破裂的氣泡，在撞擊的作用下，變成更多的小氣泡，這些氣泡在閥門的流路和閥內件表面被壓縮、凝結和破裂，并產生一種砂石流過閥門的噪聲，這種周而復始的能量釋放，猶如水滴石穿，會慢慢撕裂材料或者造成材料的剝落。閃蒸破壞的特點是受沖刷表面有平滑拋光的外形，而空化則會造成流道或者閥內件類似于煤渣的粗糙表面。阻塞流工況下常常伴隨高噪音，在現實工況環境下，還往往伴隨著流體的腐蝕作用，這種多重作用下的損害往往比單一作用產生的危害更加強大[2,3]。 閃蒸和汽蝕現象可能出現阻塞流，而當閥門出現阻塞流的情況下，肯定伴隨著閥門的閃蒸，如果閥后壓力高于入口溫度下的飽和蒸汽壓，還會出現空化。閥門的閃蒸、空化產生噪音的物理過程中也會引起振動，如果閥門安裝位置、零部件固定等對振動敏感的因素比較突出，那么在這種現場劇烈的地方可能會對閥門產生嚴重的影響，甚至引發安全事故。由圖1可以清楚地看到，在閥門的選型計算中，如果不考慮阻塞流的情況，那么計算出來的流量與真實狀況將嚴重不符，這將直接導致選型不準。所以對閥門的閃蒸、空化及阻塞流的判斷分析，并采取適當的措施來減小和排除它們的危害對于工程設計至關重要。
2.2 調節閥閃蒸、空化及阻塞流的處理 處理的方法基本分為兩大類： 治標的方法： 1）通過選用硬度更高的材料制作閥內件，閥門能更好地應對惡劣工況，有效延長閥門使用壽命。 2）選擇相對合理的閥門類型及流向，因為閥門的壓力恢復系數與流道結構及流向息息相關，壓力恢復系數的大小直接決定了閥門閥后壓力的恢復情況，進而決定了閥門差壓及閥后的兩相流環境，因此在同樣的工況條件下，選擇壓力恢復系數低的單座閥要比選擇壓力恢復系數高的球閥或者蝶閥能更好地控制閥后氣相，從而減輕或防止出現空化或阻塞流。 3）當閃蒸或氣蝕發生時，由于部分介質氣化，體積增大，應適當選擇更大流通系數的閥門。 治本的方法： a）根據上文論述，不難理解，有效控制縮流處的壓力與閥門入口處飽和蒸汽壓的關系是關鍵所在。因此，通過工藝的角度提高閥前后壓力或者降低流體溫度都可以有效控制閃蒸、空化及阻塞流。 b）對于氣體的阻塞流現象，可通過降低流體流速或者提高閥后壓力的方法來控制，采用多級閥芯或者閥后添加限流孔板等方式，讓閥后形成憋壓，控制前后差壓在不出現閃蒸、空化及阻塞流的范圍內，如此多級遞減，直至達到后續工況要求。當然同樣的方法也適用于不可壓縮流體[4]。 需要指出的是，當工藝條件一定時，閃蒸是不可避免的，而氣蝕或阻塞流是可以避免的。

圖1 P1恒定時Q與√△p的關系曲線

圖2 閥內壓力梯度圖
2.2 調節閥閃蒸、空化及阻塞流的處理
處理的方法基本分為兩大類：
治標的方法：
1）通過選用硬度更高的材料制作閥內件，閥門能更好地應對惡劣工況，有效延長閥門使用壽命。
2）選擇相對合理的閥門類型及流向，因為閥門的壓力恢復系數與流道結構及流向息息相關，壓力恢復系數的大小直接決定了閥門閥后壓力的恢復情況，進而決定了閥門差壓及閥后的兩相流環境，因此在同樣的工況條件下，選擇壓力恢復系數低的單座閥要比選擇壓力恢復系數高的球閥或者蝶閥能更好地控制閥后氣相，從而減輕或防止出現空化或阻塞流。
3）當閃蒸或氣蝕發生時，由于部分介質氣化，體積增大，應適當選擇更大流通系數的閥門。
治本的方法：
1）根據上文論述，不難理解，有效控制縮流處的壓力與閥門入口處飽和蒸汽壓的關系是關鍵所在。因此，通過工藝的角度提高閥前后壓力或者降低流體溫度都可以有效控制閃蒸、空化及阻塞流。
2）對于氣體的阻塞流現象，可通過降低流體流速或者提高閥后壓力的方法來控制，采用多級閥芯或者閥后添加限流孔板等方式，讓閥后形成憋壓，控制前后差壓在不出現閃蒸、空化及阻塞流的范圍內，如此多級遞減，直至達到后續工況要求。當然同樣的方法也適用于不可壓縮流體。
需要指出的是，當工藝條件一定時，閃蒸是不可避免的，而氣蝕或阻塞流是可以避免的。
3 閃蒸、空化及阻塞流的計算判斷與分析

3.1 需要了解幾個參數和概念
如圖2所示，
P1=閥前壓力
P2=閥后壓力
PV=閥門入口溫度下的飽和蒸汽壓
PVC=縮流斷面壓力
PVCR=縮流斷面阻塞流臨界壓力
PC=液體臨界壓力液體臨界壓力比系數FF：
 （1）壓力恢復系數FL（見圖2-1）：
 （2）比熱容比系數FK：（注：K為比熱容比系數） （3）臨界壓差比XT：
 （4）
（注：P1、P2為發生阻塞流時的閥前后壓力）壓差比X：
 （5）
（注：閥壓降與閥入口壓力之比）
3.2 不可壓縮流體的閃蒸、空化的判斷
 （6）
根據式（5）可知，由于FL可以由閥門廠家樣本或者相關資料查得，而P1、PV可以很方便地從工藝給出的數據中得知，此時的△P為發生閃蒸、空化的臨界條件，如果差壓P1-P2的值大于△P，則發生了閃蒸、空化，相反則未發生。根據設計經驗，如果P1-P2大于則可能出現閃蒸，用此方法快速判斷閥門閃蒸情況。
而進一步判斷是處于閃蒸、空化的哪個階段，則需要由閥后壓力P2來進行判斷，如果P2小于PV則只發生了閃蒸；P2大于PV則既發生了閃蒸，也發生了空化。
3.3 不可壓縮流體阻塞流的判斷與計算
 （7）
根據式（6），若差壓P1-P2的值小于△P，則不會產生阻塞流；若差壓P1-P2的值大于△P，則會產生阻塞流。
3.4 可壓縮流體阻塞流的判斷與計算
對于可壓縮流體，因為不存在閃蒸和空化現象，所以直接討論其阻塞流的判斷與計算。
 （8）
若X<FK*XT則不會出現阻塞流，若X≥FK*XT則會出現阻塞。
3.5 兩相流體阻塞流的判斷與計算
對于兩相流體混合均勻，且液體與氣體不發生相變的情況下，判斷阻塞流是否發生，比較困難，但是有兩個情況可以肯定，即氣體百分比為零和氣體百分比為的時候，是否形成阻塞流。由此可得如果式（7）和式（8）同時成立則可判斷有阻塞流形成。
4 實例
某煤制甲醇項目，甲醇合成工段，甲醇分離器放空管線循環氣調節閥，根據工藝要求選擇單座套筒調節閥，工藝參數如表1所示。
表1 調節閥工藝參數表

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥由于是氣體介質，故不用考慮閃蒸和空化的問題，直接引用式（8）判別是否出現阻塞流的情況。
查表1可得進口單座套筒型流開閥門的臨界壓差比XT=0.7

FK*XT=1.025*0.7=0.7175
由上可得X>FK*XT則會發生阻塞流
也可以反推，設臨界狀態下的閥門壓降為x
由求得x=3.37225Mpa
P2=4.7-3.37225=1.32775Mpa
即將閥后壓力控制在1.32775Mpa以上，方可達到防止阻塞流的目的。
根據上文介紹的處理方法和前面計算數據，選擇了多級套筒導向型單座調節閥，通過八級降壓，使每一級降壓都不致發生阻塞流，并對閥芯進行了熱處理，以加強其硬度，多管齊下，確保安全。
5 結束語
本文對閥門的閃蒸、空化和阻塞流的成因和判別給出了相對系統的闡述，在工程設計中雖然有利用閃蒸來達到汽化目的的工藝，但對于常規工況，仍然需要減小它們的危害。當前，多家廠商的閥門計算軟件都自帶阻塞流提醒功能。因此，在閥門選型中，只要加以注意，當出現閃蒸、空化和阻塞流時，采取適當的應對措施，可優化設計，節約成本，zui重要的是可以提高閥門壽命，確保生產安全。與本文相關的產品有角式平衡型截止閥設計說明