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作 者：Mr.Holger Siemers Samson AG
摘 要：在控制阀苛刻应用领域拥有三十多年的使用经验及深刻见解的Mr.Holger Siemers 在本文中首先介绍如何采用独立的CONVAL 控制阀软件通过实例从整体优化、设计的角度进行阀门计算选型、故障诊断；其次讨论控制阀在苛刻工况中的应用降低使用、维护成本、提高寿命问题；最后讨论阀杆密封、介绍抗气蚀结构蝶阀、球阀的应用。
关键字：临界性流体、等熵指数
4）CONVAL在控制阀选型过程中，针对临界流体及空化、闪蒸状况流体的预见性分析
a）对临界性流体，进行阀门选型时的分析
众所周知的在控制阀选型中的敏感区为临界性流体，在此所谓临界性流体是指这些液体工况的操作点在临界点或饱和蒸汽压附近，例如乙烯等碳氢化合物，在阀门入口可能就出现了两相流；有些介质工况条件可能接近或在临界温度点和临界压力点之上。如果在上述这些工况情况下进行控制阀的计算，一定要慎重，下面是通过CONVAL计算实例进行的简单讨论。
如果工况在临界点附近，介质的密度或气相等熵指数会随着气、液状态变化发生改变。见图17通过CONVAL对乙烯介质在入口压力P1：60~70bar，入口温度T1：12~16℃工况阀门控制的计算，其中在左上图中可看到CONVAL软件能预测控制的不稳定性；右下图可看到：由于选用错误的等熵指数k=1.2，导致了错误的计算结果Cv=81；而此时工况的等熵指数k=5.6（在CONVAL数据库中很容易查询此值，见右下图曲线），正确的计算Cv=59。
图17：CONVAL计算临界性流体，工况在临界点附近，等熵指数值大于2
临界流体
由于介质工况参数在临界点附近，密度、等熵指数可能会发生突然变化，CONVAL能预测控制的不稳定性非临界流体
a）错误计算结果：
Cvcalc=81
xT=0.2
（由于在操作点选择了错误的等熵指数κ=1.2）
b）正确计算结果：
Cvcalc=59
κ=5.6!
CONVAL数据库可提供κ值（操作介质在工况P1=60~70bar，T1=12~16℃）在CONVAL软件中，我们可以借助于波鸿鲁尔大学开发的最新工业介质数据库对上面的例子进行分析，对处在物质临界点的乙烯，如果将实际等熵指数代入，其值远远大于2，那么流量计算结果会截然不同。以往的选型过程中，在临界流情况计算阀门口径时往往由于代入了错误的等熵指数造成计算结果错误。述计算对于控制阀的选型是至关重要的，但在国内仪表工程师对气体的等熵指数往往很不重视，IEC605342-1选型标准中给出了用于蒸汽和气体计算的典型的等熵指数表。1<k<2的范围已知适用于所有的可压缩流体。但是对于2<k<20适用于临近或在物质的临界点之上的超临界流体的情况却不是人所共知的。对于处于临界点的工况，在计算时一定要注意，因为错误的计算Cv结果不仅仅导致选择的控制阀口径的过大或过小，工作特性不好，更为严重的是，在这些工况尤其是大差压调节场合，错误的计算可能导致不能准确判断阻塞流等现象的发生，结果由于阀门选择的不合理，给装置留下隐患。
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b）对出现气蚀、闪蒸流体现象的分析
在控制阀的选型过程中，当遇到气蚀、闪蒸及由于盲目节约成本造成的参数配置不当情况下，CONVAL软件能够做出预见性分析。对于液体介质而言，由于介质的参数特性，例如大差压，入口压力接近介质的饱和蒸汽压等工况，控制阀经常会出现气蚀、闪蒸等现象，极易造成阀门内件的侵蚀、振动损坏。见下各图。
图18：差压大于20公斤时，由于发生气蚀造成的典型阀芯损坏的情形给水控制阀选型错误，p1：70bar P2：1bar。
图19：当p2<<pv且v2>>60m/s时，发生闪蒸所造成的阀芯损坏。
图20：气蚀伴出口流速v2>>5m/s时，角行程阀体的受损情形。
图21：蒸汽减压，出口速度Ma>>1时阀门损坏情况。
应用CONVAL软件，能够对上述出现的各种现象进行诊断，例如图17以热水介质为例，在小负载的情况下易诱发气蚀和闪蒸。如果被控流量不低于Op2，上述情况就不会发生。
图22：CONVAL软件分析气蚀、闪蒸现象
（1）红色区域：选型错误：在工作点qmax失去控制精度，见图23阀门的阀阻比太小，导致无法控制qmax点的流量。实例见壳牌DEP32.36.01.17.-GEN
（2）红色区域：选型错误造成闪蒸伴随出口流速>60m/s，存在机械损伤的危险，管道振动。如果control<Op2，建议扩大DN值。
（3）浅红色区域：当xF>xFz，发生气蚀。
（4）红色区域：当xF>FL²，发生阻塞流，并伴随严重的气蚀和闪蒸。
图23：CONVAL软件分析阀门阀阻比
在图23红色区域内，由于选型错误导致在qmax点控制特性不好，阀门的增益Vdyn（阀阻比）太小。如果Vdyn=dp_q90/dp_0<0，27；qmax>0，9q_100，CONVAL将提示红色警告区域。当任意输入1-3个工作点。不合理的阀门特性曲线可以通过选中一个工作点拖至正确区域而自动得到校正。这种设计有助于避免耗时的系统压力损失的计算工作。红色区域显示工作点1接近系统允许的最大流量，即短路流量，这时阀阻比太小了，阀门将失去控制性能。这种现象在国内也经常发生，由于在技术选型和招标时，盲目降低成本，或者由于一些阀门厂家处于中标的利益考虑，尽可能缩小阀门口径，使阀门经常处于不合理的大开度工作，阀门工作性能不满足要求或者失去控制。
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CONVAL软件大约存有60余种碳氢化合物真实的热力学闪蒸工况[见下表3]，当进行阀门计算选型时能够建议、提供为避免临界出口流速出现的最小的DN值。计算采用类似于蒸汽表的数学方法，具有可靠的计算依据和精度（“波鸿鲁尔大学机械工程学院热力学系”www.ruhr-uni-bochum.de/themo/index-eng.htm）。这些数据能很好地为运行装置中出现故障的阀门提供数据参考和诊断依据。
表3：CONVAL内可进行闪蒸工况计算的碳氢化合物介质
5）控制阀的故障诊断及排除
从带下导向的V-port阀芯设计到采用CFD优化设计出的阀芯结构及应用。有多种解决方案能够应对临界噪声和阀门机械性损伤的问题（见上图18-21）。本节主要介绍抗气蚀阀芯的设计和减噪装置，同时也对它们的优缺点以及使用过程中的局限性给予论述。图24实例研究：最大流量对应低差压、最小流量对应高差压的工况。位于英国赫尔地区一家生产乙酸的石化厂，在进行故障检修过程中，用ACTrimI单座阀取代原有的噪音值远远高于85dB（A）的笼式阀，在控制最小流量点XFz>0.75。现场是腐蚀性介质工况，要求在整个控制范围内避免气蚀现象发生。
图24：实例研究，使用ACTRIMI阀内件（大流量对应低差压、小流量对应大差压）
图25实例研究：位于徳国汉堡的一家石化厂的加油站，采用了ACTrimII在整个控制范围内将噪音由大于90dB（A）降至低于70dB（A），并且在整个控制范围内XFz>0.75。
图25：实例研究，使用ACTRIMII阀内件（大流量对应高差压、小流量对应高差压）
表4为在严酷工况的应用中，不同种类的阀芯设计的优缺点。需要强调指出的是阀门运动部件速度过大和阀门出口处的流速过快是造成阀门损坏的主要原因，特别是腐蚀性或含颗粒性介质。
表4：在严酷工况的应用中，不同种类的阀芯设计的优缺点
SAMSON AG研制出性能卓越的V-port阀芯应对一般工况，减噪元件I和III及下游减噪装置用于对气体、蒸汽的减压降噪，能够实现对出口流速以及其它参数的严格控制。见图26。
图26：用于可压缩流体的减噪器结构及配置
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如果介质为液体情况下，当采用V-port阀芯的阀门噪音值（SPL）高于设计允许值时或者是必须避免气蚀等现象的发生时，建议采用独特设计的带上下导向的ACTrim阀芯（见图27和28）；这种结构设计具有抗气蚀、抗振而且对杂质不敏感的特点，专利设计结构，主要考虑流体在阀体内的能量消耗转为热能，而不是噪音。对于ACTrimI和ACTrimII最大允许压差从25公斤到40公斤，主要取决于流体的性质。成功应用ACTrim阀芯排除阀门故障的案例见图24及25。另外，表4对比总结了不同阀芯结构的优缺点。
图27：ACTrimI结构图
28：ACTrimII结构
ACTrimIII为3级、5级轴设计，3级轴可控差压范围40<△p<120公斤，而5级可达到120<△p<200公斤，Cv值从1（3级）到116，DN值从1“到6“，单座直通阀或角型阀，可应用于发生严重气蚀以及高差压同时要求大流量控制范围的工况，典型的应用例如给水启动阀、加油站阀门、喷水阀、锅炉用阀门、高压排放放阀等。
6）潜在的隐患：对临界流体出口流速的控制
盲目、简单、快速式的控制阀选型模式，只考虑满足Cv的计算值经常会造成阀门口径选小的结果，当流体在临界工况工作时，建议慎重选择高流通能力的阀门。避免多相流产生的简单、经验的方法是：当pv等于或接近于p1时，在阀门上游20倍阀门口径长度的工艺管道上，建议无弯头，无手动阀，无大、小头，保持管道的畅通。
另一方面，当液体在气蚀和闪蒸以及气体和蒸汽排放工况时，对出口流速问题的考虑将十分重要，同时管路参数也应尽可能考虑在内。发生闪蒸时，平均出口流速的计算应针对汽液两相流。通过选择合适的阀门口径将出口流速控制在60m/s以内（约0.7马赫），可以避免严重的管路振动及损坏阀门。图29为SAMSON AG针对上表3中的碳氢化合物的闪蒸工况进行的深入研究。
图29：SAMSONAG对闪蒸现象进行测试
对如何防止及减少气蚀、闪蒸现象、降低其对阀门的损坏提供如下建议：针对不同的工况、差压情况选择不同结构（Kc值）的阀门，见表5（适用于非腐蚀性液体的气蚀、闪蒸工况）；当XF>XFz时，根据使用的不同结构的阀门，应该考虑出口流速不超过3~5m/s，当判断可能发生气蚀现象时，明确及掌握以下原则非常重要：
1.原则上尽可能采用抗振型阀门如单座，笼式、带上下导向ACTrim高XFz值的控制阀；
2.当△P<Kc•（p1-pv）or△P<△Pcrit，cav为低程度气蚀损伤，可考虑阀内件加硬的处理方式；
3.当△P>Kc•（p1-pv）为严重气蚀损伤，应考虑采用抗气蚀结构的专用阀门例如ACTrim阀；
4.当△P>Kc•（p1-pv）并且△P>25bar，应考虑采用多级轴阀芯的单座阀（如ACTrimIII）；
5.当△P大到一定程度，要考虑阻塞流的发生。
表5：不同结构阀门Kc值及承受的最大差压
(来源：全球阀门网)
