ＤＯＩ：１０．１９５５７￣．ｃｎｋｉ．１００１－９９４４．２０１７．０４．００９ 调节阀气蚀机理分析及其选型 王 晶 （海洋石油工程股份有限公司，天津３００４５１） 摘要：气蚀工况可以引起震动和噪音，导致控制阀阀内件的损伤，进而影响阀门本身的寿 命和控制系统的稳定性以及过程工艺的安全性。该文阐述了阀门气蚀发生机理，并从阀门 结构、材料选择、气蚀系数等方面提出了抗气蚀阀门的选型合理性的判定方法。 关键词：调节阀；闪蒸；气蚀；阻塞流；气蚀系数 中图分类号：ＴＨ１３４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１—９９４４（２０１７）０４—００３６—０２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ ｏｎ Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ （Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｏｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｃｏｕｌｄ ａｒｉｓｅ ｉｆ ｃｏｕｎｔｅｒｅｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ，ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｖａｌｖｅ ｔｒｉｍ． Ｔｈｉｓ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐａｃｔ ｌｉｆｅ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌａｉｎ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｗａｙ ｏｆ ａｎｔｉ—ｃａｖｉａｔｉｏｎ ｖａｌｖｅ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｖａｌｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｏｆ ｊｕｓｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ；ｆｌａｓｈｉｎｇ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｃｈｏｋｅ ｆｌｏｗ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ 高压差液体介质工况下．调节阀易产生阻塞 流，并可能发生气蚀。这种情况下不仅影响阀门尺 寸的计算，而且很可能导致严重的噪声、震动和阀 若此时阀后压力 仍小于饱和蒸汽压，则阀门仅有 闪蒸工况；若压力恢复到大于液体饱和蒸汽压时， 闪蒸产生的气泡破裂变为液体状态。这时气泡破裂 释放的巨大能量会引起阀门噪音、震动及阀内件的 损坏，这一现象即为气蚀［】１。 内件的冲刷和腐蚀，进而影响调节阀的寿命和调节 性能，甚至导致整个过程工艺系统的失效和停机。 因此，调节阀的气蚀工况必须在材料选择、阀门结 构及工艺条件上进行必要的应对，规避风险。 一缩流断面 １气蚀产生机理 液体介质在阀芯处节流时，流速增加，压力下 降，如图１所示，ＰＩ为阀门人口压力，只 为阀门缩流 Ｐ Ｐｌ—Ｐ２ 压力损失 ± ｌ 断面处的压力， 为液体饱和蒸汽压。当压力降低 到液体饱和蒸汽压以下时。液体气化，这一现象称 只 缩流断面处压力 图１ 调节阀压力分布示意 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ 为闪蒸。介质流过节流处后，流速下降，压力恢复， 收稿日期：２０１７—０２—２７：修订日期：２０１７—０３—０９ 作者简介：王晶（１９８４一），女，硕士，工程师，研究方向为海洋石油平台施工设计及平台电气仪表自动化产品研发、制造。 田 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１７。３２ 由以上分析可知，产生气蚀的前提是闪蒸，而 发生闪蒸的原因是节流引起了压力的降低，产生闪 蒸的临界压差，即形成阻塞流的压差嘲。当阀门前后 压差满足式（１）时，阻塞流形成，闪蒸工况发生。此 时阀后压力大于饱和蒸汽压，则产生气蚀。 △Ｐ≥Ｒ （Ｐｌ—Ｐｖ ） Ｐｖｃ＝ ｌ尸ｖ （１） 式中：ＡＰ为阀门前后压力差，ＡＰ＝Ｐ，一Ｐ２；ＦＬ为阀门 压力恢复系数， ＝［△Ｐ／（ 一只。）］…； 为液体临界 压力系数，Ｒ＝０．９６—０．２８、／ ，此处 未考虑管 线形式因素。 ２抗气蚀阀门选型 ２．１ 阀门材料选择 阀门材料的选择不是为了消除气蚀，而是尽可 能减小或隔离其破坏。这种方法的目标是把气蚀与 阀内表面隔离开来．并硬化那些会受到气蚀冲击的 表面。如阀座表面，选择尽可能硬的材料或堆焊司 太莱合金等［４１。这种方式的独立应用仅适用于气蚀 程度不高的情况。 ２．２改变工艺条件 如果能将 升高以致于缩流断面处的压力不 会降到蒸汽压力以下，也就是说阀门不再被阻塞， 不会发生闪蒸．那么气蚀就可以避免了。将阀门移 到下游处有较高静压头的位置可以提高Ｐ２的值。增 加一个限流孔板或类似的背压装置也能升高阀门 的 值；下游存在把气蚀从阀门转移到限流孔板处 的潜在的可能性『４１。 ２．３阀门结构的选择 多级降压阀如多级套筒、多级轴流式阀．可以 使流体在通过缩流断面处的压力都高于在该温度 下的饱和蒸气压，每一个较小压降都确保其缩流断 面处的压力大于饱和蒸汽压力．进而消除了阻塞流 即闪蒸，也就消除了气蚀，如图２所示。或者选用迷 缩流断面处压力 图２多级降压抗气蚀原理 Ｆｉｇ．２ Ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｏ ａｎｔｉ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ 刍动诧ｓ仪表２ｏ１７，３２（４） 宫式、叠片式等结构阀门，使阀内流体互相撞击，进 而减少气泡的产生、消除气蚀影响。同时选择压力 恢复系数小的阀门，也可以减少气蚀发生和破坏。 ３抗气蚀阀门判定方法 若已选定阀门，可以通过气蚀系数６定量来判 断其抗气蚀能力和选型的合理性阿。 糟 （２） 气蚀系数６是基于气蚀等级来定义的，如图３ 所示阎．随着 的减小，震动逐渐增大。图３是在实 验基础上获得的，从最大可能压差△Ｐ开始逐渐降 低，保持上游压力Ｐｌ和温度，测量每个噪音、震动和 流量．进而获得气蚀系数与气蚀程度关系图。 为气 泡开始形成，气蚀开始发生的点，６。是气蚀持续稳定 发生的点， 为震动最大等级点。在 和 之间为 气蚀开始发生区，在这一区域气蚀对阀门的损坏并 不大。因此，将阀门的工作范围限制在 以右是一 种相对保守的做法。 和 之间区域为气蚀完全发 展区，在这一区域的某一点阀门开始被损坏。叫做 初始破坏点。 图３气蚀系数等级示薏 Ｆｉｇ．３ Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｌｅｖｅｌ ｐｌｏｔ 制造商推荐气蚀系数限值 用于指定特定阀 门的工作极限。由图３可以看出，当操作工况的气 蚀系数大于６ 时，即可认为阀门适用当前工况，选 型合理。但是 是制造商在特定阀门尺寸和压力 下的试验结果，所以制造商给出的６ 需要对尺寸 和压力进行整定。为此引入压力整定系数Ｐ５Ｅ和尺 寸整定系数ＳＳＥ，则阀门实际气蚀限值 为 ＝［ ＳＳＥ一１］ Ｅ＋ｌ （３） 式中：压力整定系数ＰＳＥ＝【（Ｐ１一Ｐｖ）／（Ｐｌ一只） 】 ，下 标Ｒ表示阀门参考压力，即试验压力，（下转第６６页） 团 室和低 窜两部分 在进行校准实验前，需对高 室 进行允气准备，低压室一般为ｌＯ１．３２５ ｋＰａ（１ ａｉｍ）， ＝ ＝Ｌ＝———— （３） Ｃｆ】ｔ【１＋Ｔ／２７３．１５） 且在低Ｊ｝ 窜放置待校准的传感器和测速传感器 式巾 为激波速度；ｎ为空气中音速，激波的传输 介质为空气： 为激波管内气体温度： 为２个洲速 传感器之间的距离；ｔ为激波经过２个测速传感器 之问的传输时间 、 ｍ式（２）可知，空气冲击波反射超压△ 的不确 定度，巾激波管内的￡、Ｔ、ｔ以及低 室的初始压力 高低 宅气体 强超过膜片能承受的极限值时，膜 片破裂．彤成激波ｆｑＩ 冲击波通过距离为 的２个测 速传感器得到了Ｍ ｒ．】问隔ｔ，之后对被校传感器作刚． ．值Ｐ 等分量共同决定 、根据不确定度的传递模型， △ 与４个有关分量的传递公式为 ｕ （△，）５）＝ｃ ｕ （ ）＋ｃ：“ （ ）＋ｃ：“ （７１）＋ｃ：Ｍ （Ｐ１）（４） 式中：各分量对应的灵敏度系数分别为 图１ 激波管校准装置结构不葸 Ｆｉｇ．１ Ｓｈｏｃｋ ｔｕｂｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ 一ａ（Ａ ）一５６Ｍａ２ｐ１（Ｍａ ＋１０Ｍａ ２＿２） ３（５＋Ｍａ！）Ｌ ｒ 、 被校传感器安装存激波管端面，测得的是反射 力，也可以安装在传 管道的侧面川于测量掠入 式 力将传感器安装在激波管端而时，会因为计算 反射阶跃 力存在的不确定度而导致计算压力传 感器动态 敏度不准确，故在此对反射压力进行小 确定度的分析。实验室现有的激波管ｆＨ１图２所示，其 管Ｋ ｌ０Ｉｌｌ，『大】壁直径ｌＯ０ｌｌｌｌＩｌ，最大反射 ｌ０ＭＰａ ｄ 盟＝ 舞 ａｊ １ 十 一 Ｊ ＝ ㈦ × Ｐ・ ３／２ ｆ ＼３＿２５×ｌ０ （ ＋赤＝） ２ （７） （８） （Ｍａ２－１） ２＋Ｍ ａ２不确定度分量的对比分析 根据各参数相关资料及仪器设备的校准证朽， 分别对以上各个闪素进行分析。以下参数均似设管 内气体为理想气体，取Ｐ．＝０．０８９ ＭＰａ．为低压腔体 内的气体压力； ２０．１℃，为腔内气体温度：Ｃｏ＝３３２ 图２激波管实物照片 Ｆｉｇ．２ Ｓｈｏｃｋ ｔｕｂｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍａｐ ｍ／ｓ，为０ ｃＣ条件下声音在理想空气巾的传播速度； Ｌ＝Ｏ．５５ ｎｌ，为２个测速传感器间距：ｔ＝９３２ ＩＸＳ，为通过 激波竹动态 力校准系统汁箅传感器灵敏度 Ｋ为Ｉ“” ＝ 距离 长度激波的传播时间。综合以上各个实际或 理想参数。得Ｈ５激波管马赫数Ｍａ＝１．７ｌ６ 间距测量引入的不确定度分量 主要受激波 （１） 式ｌ十Ｉ：△，）为输入的阶跃 力值； 为测试系统通过 读数软件陵｝ 的幅值。 由式（１）可知１，南△，）和Ｂ可以汁箅｝ｌｊ传感器动 态灵敏度 ，而△Ｐ是激波管校准系统不确定度的 管结构体安装位置和传感器配置公差及测量传感 器间距的仪器精度的影响。距离测试仪可以准确测 量到１×ｌ０‘。。ｍ，此误差为极限误差，可看作服从均匀 分布，则： ｉｌｌ： ＝——＂ ］．，，Ｘ ５．７７×１０—５ＪＵ ｍ 主要【人Ｊ素。低压窒底端反射阶跃 力为 、ｖ／３ △ ＝手（ ）【 其巾入射激波马赫数Ｍａ为 ６４ ）Ｊｐ。 （２） 激波传播时间测量引入的不确定度“，由连接 测速传感器采集卡的采样频率引起，采样频率为 ，则ｃｌ『＝ｌ 。假设采集卡采样频率为ｌ Ｍ，不确定度 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１７，３２（４１