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摘要：

关键词：苛刻工况；空化气蚀；噪声；控制阀选择

1 引言

    工业过程以生产自动化作为其先进性的标志，过程控制技术随工业发展而日新月异。在控制回路中，终端控制元件（控制阀、执行装置）直接与被控流体接触并进行调节，决定着控制是否及时有效和过程安全，是最关键的，又是相对技术薄弱的环节。 在石化、化工装置中，生产过程大部分操作条件都是在高温、高压下进行，且易燃易爆。苛刻工况就是指这种生产过程为长时间运行在高温、高压差、两相流等操作条件下。在此工况下，极易产生大能量冲击、振动、空化气蚀和高噪声，普通的控制阀无法承受冲刷而导致阀内件损坏。为使控制阀能够在苛刻工况下安全可靠运行，必须选用优化设计的新型控制阀和选择降压减噪新技术，以及维护预测、提高控制阀生命周期。

    生产过程的工艺条件是控制阀选择时主要考虑的问题，对于特殊的苛刻工况如何应对，应该综合控制阀的设计结构、性能、选材等方面，以适用为主、整体优化，再结合成熟的计算软件（如CONVAL控制阀软件）进行计算选型和预估分析。

2 防止空化气蚀

    由于控制阀本身是管路节流元件，在其内部流动的液体介质，由于节流原因常常出现闪蒸和空化现象，苛刻工况下的高压差场合更为严重。闪蒸和空化的发生既影响控制阀口径的选择和计算，更是能导致严重的噪声、振动及气蚀对材料的破坏等等，直接影响使用。 在流体通过控制阀阀芯阀座形成的节流端面时，流速突然急剧增加而静压力骤然下降，若节流端面后的压力骤然降到介质饱和蒸汽压及以下，将产生闪蒸，对阀内件有侵蚀作用。当节流后的压力又回复到饱和蒸汽压之上时，空化形成的气蚀有极大的冲击力，可高达几千牛顿，严重地冲撞和破坏阀芯阀座和阀体，有如猛烈喷沙的效果，即使高硬度的合金也只能承受很短时间。 对此情况，控制阀的选择要考虑压差（流速）、材料和结构，并采取特殊设计和措施。

（1）考虑压差，不能使控制阀前后压差过大，不使最小节流端面的压力下降到流体的饱和蒸汽压以下，应当使阀上压差△pmax<2.5MPa和控制流速（可增加控制阀及管路的流通面积，减小流速）。

（2）考虑材料，选用抗蚀能力强的金属材料，如选1Cr18Ni9Ti不锈钢阀芯阀座基体用Stelite（钴铬钨合金）或碳化钨对密封面进行硬化处理。

（3）考虑控制阀结构，选用特殊设计的抗空化气蚀的阀内件，以避免气蚀的破坏作用。使流体在通过阀芯阀座时每一点的压力都高于该温度下的饱和蒸汽压，或采用多级降压减噪处理。选择在阀芯阀座流出处加减噪器的措施，使液体本身相互冲撞呈高度紊流而减少气泡（闪蒸现象）的产生。 图1为德国某厂家的抗空化气蚀的阀内件AC Trim.

特殊设计阀芯阀座的    特殊设计阀芯阀座的    3级降压减噪的抗空化气蚀    5级降压减噪的抗空化气蚀

一级抗空化气蚀    加减噪板的二级抗空化气蚀    （多级轴阀芯）    （多级轴阀芯）

图1 新型设计的抗空化气蚀阀内件

3 噪声的抑制

    控制阀产生的噪声一般为机械噪声、液体动力噪声和气体动力噪声。

    机械噪声主要来自控制阀的阀芯、阀杆及一些可动部件，由于受到流体压力波动的影响或流体的冲击而机械振动而产生。噪声是明显的金属响声和敲击声，频带较宽，振动频率一般小于1500Hz。减小机械噪声的方法主要是改进阀门结构尤其是阀芯阀座、导向的结构。

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    液体动力噪声是流体流过节流端面而产生，流通截面积的急剧变化，容易产生阻塞流、产生闪蒸和空化，减速和膨胀造成噪声，空化作用产生强大破坏力时还发出噪声。气体动力噪声是当气体速度大于声速时，流体产生冲击波，噪声剧增。噪声的预估比较复杂和困难，IEC 60534-8标准也给出了有关噪声预估方法，各控制阀厂家的计算软件中都有噪声的预估计算。控制阀噪声的抑制和治理，主要采用声源处理和声路处理。声源处理就是设法防止和降低控制阀节流端面的声源功率，抓住压差和流速这两个影响噪声的关键参数，在阀内件和阀体结构上设计改进，在声源的节流处把速度和压差降下来。

    （1）采用减噪器的办法。在节流处加装细小的迂回通路，如迷宫式结构的减噪器、细目钢网卷成的减噪器、多孔结构的减噪板。参见图2。

图2加在阀芯阀座流出处的减噪器    图3控制阀出口消音器

    （2）采用出口加扩管消音器的办法，减弱冲击波并消耗声能，做声路减噪处理。参见图3。

    （3）利用摩擦原理，设计多级阀芯降压减噪，控制流体流速，有效地防止了空化作用，也明显抑制了噪声。

    （4）改善流场参数。根据流场分布与阀门结构有关的研究结果，改进阀门流路和阀内件结构，选用S形流路、V形开口阀芯、套筒阀，等。

4   应对高温苛刻工况

    在高温的工况下，必须考虑材料热膨胀对阀内件动作的影响，所用材料不能因高温作用而变形、塑变、蠕变，造成阀内件卡住或阀杆和导向套卡住，因此设计间隙（包括阀芯与阀座间；导向套与阀杆间）要根据材料、尺寸及温差等因素考虑而适当增加。同时考虑阀体、支架、填料、连接件等的承受温度能力。

    基于在高温下各种材料的硬度都会有不同程度的下降，要认真查对所选材料的温－压曲线，使其满足在温度条件下的耐压，保证安全性。对泄漏量要求较高的，阀内件采用相同的合金钢，密封面做硬化处理。温度高于一定时（如220℃），要考虑选加延伸的上阀盖；温度高于450℃时，要考虑选加较长延伸的上阀盖，来避免传热造成气动执行器和阀门定位器非正常工作。

5   结束语

    控制阀在苛刻工况下应用的气蚀、冲刷、噪声等问题是由来已久，各控制阀厂家不断寻找解决办法。目前一系列可靠耐用的新型抗空化气蚀控制阀相继推出，以及智能阀门定位器的数字化应用，已使控制阀能够选择和应用在苛刻工况条件

参考文献：

1. 吴国熙：《调节阀使用与维修》，北京：化学工业出版社，1999

2. 德国SAMSON公司产品说明《Control Valves for Industrial Processes  Volune 1》，2005

(来源：互联网)