多級降壓串式調節閥的防空化性能研究及應用

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

關鍵詞 四級降壓 串式調節閥 空化 阻塞流

中圖分類號 TH134? ?文獻標識碼 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工作，zhangzhichao@wuxismart.com。

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

隨著現代工業水平的發展，調節閥作為流體終端控制元件被廣泛應用在石油、化工、冶金及能源等工藝管道上。當調節閥用在高溫、高壓液體等嚴苛工況時，若流體流經調節閥縮流斷面處的壓力低于介質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，即閃蒸現象。若閃蒸發生后，調節閥縮流斷面下游的壓力逐步恢復到介質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為液體，即空化現象。

對閥門出現空化導致的一系列問題，國內外學者進行了大量研究。鄭忠良等針對工程應用中調節閥普遍出現的空化以及由此產生的噪聲問題，提出基于流聲場耦合法的調節閥空化噪聲數值預測方法［1］。王燕等針對高壓差下調節閥內的閃蒸空化引起的強振動和高噪聲問題，設計了一種消聲減振套筒，并對其級數、級間隙和孔徑大小進行了研究［2］。金浩哲等基于液控調節閥的結構特性和流場物性參數建立數學模型，并采用Mixture和DPM模型對液控調節閥的空化和沖蝕現象進行數值模擬并分析［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合，應用標準k?ε湍流模型，對疏水閥內部空化流動進行數值模擬［4］。但以上學者針對調節閥防空化性能和工程應用的研究較少。筆者先基于應用工況，通過理論分析給出初步防空化方案，然后通過數值計算［5～7］，分析了多級降壓串式調節閥的降壓分布規律，給出了閥門流量特性曲線，并通過氣液兩相模型驗證了設計方案的可靠性。

1 防空化機理

1.1 空化產生條件

調節閥產生空化與阻塞流有著必然聯系。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，流經調節閥的流量會增加到一個最大極限值，當繼續再降低閥后壓力p時，閥門流量不再增加，這個極限流量即阻塞流。

式（3）中壓力恢復系數F的值是閥體內部幾何形狀的函數，它表示調節閥內流體流經縮流斷面處后，動能變為靜壓的恢復能力，可通過試驗和數值仿真計算的方法得出。

在工程應用上，都是通過阻塞流來判斷是否產生空化。如圖1所示，空化會導致閥門內件損傷，同時伴有振動和噪聲，嚴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化或采用多級降壓結構閥門來應對空化問題。材料選型優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合金進行硬化，從而延長閥內件的使用壽命。如圖3所示，采用多級降壓結構，可以把通過閥門的壓降分成數個較小的壓降，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，這樣就不會出現汽化現象，從根本上避免了空化現象的產生。

1.3 降壓級數理論

閥門采用多級降壓結構需確定合理的降壓級數，這樣才能防止空化現象產生。流經閥門的總壓降［9］Δp可分成若干個分壓降，即：

根據多級降壓的原理，每一級降壓均按幾何級數［9］遞減，即：

按以上公式可以初步判斷閥門降壓級數，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，即與產品設計結構相關。因此，需要基于數值計算，分析每一種多級降壓閥門的閥芯壓力分布情況。

2 工程應用

2.1 現場工況條件

某閥門現場使用工況如下：

介質 水

介質溫度 25 ℃

閥前壓力 15.6 MPa

閥后壓力 6 MPa

介質密度 1 000 kg/m-3

額定流量系數Cv 5

流量特性 近似線性

2.2 選用閥門類型

根據降壓級數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節閥即可防止空化現象產生。閥門公稱通徑DN 25，公稱壓力PN 260，其結構如圖4所示。

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

3 數值計算

3.1 相關數據

以某公司J8系列公稱通徑DN 25、公稱壓力PN 260的多級降壓串式調節閥的結構裝配圖為例，建立數值計算模型。為了保證閥門流場的穩定，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。設置多相流模型為Mixture，選用k?ε湍流計算模型，介質選用水和水蒸氣。空化作用主要考慮的是相間傳質，即水轉變成水蒸氣。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 流場壓力分布結果

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

基于數值計算模擬結果，得出此四級降壓串式調節閥閥內件壓力分布規律。閥門介質流向為底進側出，首先介質流經下節流孔，然后依次流過1級串、2級串、3級串和4級串，最后從上節流孔流出。取壓點如圖6所示。閥內件分壓情況詳見表1、2。

從表1、2分析得出，閥門開度在10%～30%時，下節流孔和上節流孔不參與分壓，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，受下節流孔和上節流孔的影響，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。閥內件的分壓占比隨閥門開度變化的規律如圖7所示。因第4級串部位設有閥芯與閥座的密封面，是容易產生空化的部位，而此結構設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，產生這種現象的主要原因是隨著閥門開度增加，下節流孔和上節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，下節流孔與上節流孔也具備了部分分壓功能。

基于Fluent兩相流計算模型，驗證此閥門在現工況下是否產生空化現象。選取此四級降壓串式調節閥40%、50%、60%、70%這4個開度為例進行分析，其閥內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%時水的體積分數為100%，未出現氣液兩相共存的情況，即未產生空化現象。同樣，針對閥門其他開度也做了相應的數值計算分析，也未出現空化現象。跟蹤此結構閥門在裝置現場的實際使用情況，確認閥門未出現空化現象，使用效果良好，驗證了數值分析方法的可行性。

3.3 流量系數

流量系數Cv值是衡量調節閥流通能力的最關鍵技術指標。在實際工程應用中，閥門在滿足防空化功能要求的同時，還應需滿足工況流量的要求。基于第3節數值計算結果得出閥門出口質量流量，即可計算出閥門在各開度下對應的流量系數，其隨閥門開度變化的曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，閥門流量系數滿足設計Cv值為5的要求，且流量特性為近似線性。

4 結束語

多級降壓串式調節閥的分壓情況與設計結構息息相關。筆者所選公稱通徑為DN 25、公稱壓力為PN 260的調節閥開度在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。對同類型結構的閥門，在常溫水工況條件下，可以按此分壓占比關系，計算是否產生阻塞流。當液體介質的溫度接近飽和溫度時，閥門可能會需要更多降壓級數的串式閥芯才能有效避免空化的產生。基于數值計算模擬，可以分析閥內件降壓分布情況，計算閥門流量系數Cv值和驗證閥門是否產生空化現象，可保證工程應用中產品選型設計的可靠性。

參 考 文 獻

［1］ 鄭忠良，陳修高，譚術洋，等.基于流聲耦合的調節閥空化噪聲數值預測［J］.西華大學學報（自然科學版），2018，37（6）：42-47.

［2］ 王燕，胡建華，胡建，等.多級套筒調節閥消聲減振元件設計研究［J］.流體機械，2013，41（7）：19-22；13.

［3］ 金浩哲，陳小平，鄭智劍，等.液控調節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.

［4］ 李樹勛，胡建華，李連翠，等.超（超）臨界蒸汽疏水閥內部空化模擬［J］.四川大學學報（工程科學版），2013，45（5）：145-153.

［5］ 李傳君，陸益順，施衛東，等.DN25型單座調節閥空化特性數值模擬研究［J］.廣西大學學報（自然科學版），2019，44（2）：360-366.

［6］ 劉佳，何慶中，劉曉敘，等.超（超）臨界機組主給水調節閥內部空化流場模擬［J］.熱力發電，2017，46（2）：88-93.

［7］ 劉桓龍，李惟祥，柯堅，等.液壓錐閥空化特性的計算與分析［J］.液壓與氣動，2012（9）：3-6.

［8］ 吳國熙.調節閥使用與維修［M］.北京：化學工業出版社，1999.

［9］ 張曉康，張希恒，陳修高.基于限流孔板理論的調節閥抑制空化優化設計［J］.甘肅科學學報，2020，32（6）：78-83.

（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