在計算控制閥流量時，定義Cv為了控制閥門的流量系數(shù)，它與閥門結構、閥門前后壓差、入口流體密度和流體特性有關。Cv＝，其中：q通過控制閥的流量；ρ₁控制閥前流體密度；N是工程單位系數(shù)，也是無量綱；Δp是控制閥前后的壓差。不難看出，Δp越大，Cv值越小。但對于堵塞流條件下控制閥的計算，上述常規(guī)計算壓差Δp＝p₁－p₂該方法不適用，會導致閥門計算錯誤，使閥門選擇過小。作者通過實例介紹了堵塞流條件的判斷步驟和工況下計算壓差的確定，有利于正確的閥門選擇。

根據(jù)當時的工藝數(shù)據(jù)和流量，在一個石化改造項目中，有一個閥門是在20世紀80年代設計和選擇的。q_m＝18000kg/h，閥前壓力p₁＝3.3MPa（A），閥后壓力p₂＝0.86MPa（A），壓差Δp＝2.44MPa，結合溫度、密度等參數(shù)計算Cv值，最后選了一個Cv＝17，口徑為5.08cm（2in）控制閥。然而，閥門在實際應用中一直很小，業(yè)主反應，即使閥門通常完全打開，但使用仍然很小，迫切希望重新計算和選擇閥門。經過深入研究，發(fā)現(xiàn)由于閥后的壓力p₂很小，堵塞流(閃蒸)的工況實際發(fā)生了，此時進行了Cv值計算時，Δp≠2.44MPa，應代入阻塞流時相應的臨界壓降Δpcr。而Δpcr＜p₁－p₂＝2.44MPa，原閥的計算過小。

可以看出，通常情況下，Δp＝p₁－p₂，也就是說，如果閥閥后壓力的差異p₁恒定，則Δp閥后壓力p2.變化和變化，p₂越小，則Δp越大。如果p₂降低到一定的值，經過控制閥的流體發(fā)生了阻塞流的情況，Δp值不再等于p₁－p₂，需要重新考慮。作者重點討論了堵塞流條件下的閥門Cv值計算時Δp進一步判斷閥門是閃蒸、氣蝕、相應工況下的處理措施。

判斷1 阻塞流

控制閥門前的壓力p₁保持一定時間，逐漸降低閥后壓力p₂當閥后壓力增加時，流過控制閥的流量會逐漸增加p2降低到一定值后，通過控制閥的流量達到最大限值q_max，這時再降低p₂通過控制閥的流量不能再增加，最大限值是阻塞流量（chockedFLow）。因此，p₂實際控制閥兩端的壓降越小，阻塞流對應的臨界壓降越大Δp_cr阻塞流會發(fā)生，即Δp＞Δp_cr時，閥門Cv值的計算就不能采用工藝給的壓降Δp為了計算，應對應的臨界壓降進行計算Δp_cr。因此，設計人員在計算可能出現(xiàn)堵塞流條件的閥門時，應特別注意確認是否確實出現(xiàn)堵塞流，以便選擇正確的閥門Δp取值。

對于不可壓縮流體，當流體節(jié)流時，流量增加，壓力降低，最大流量有最小壓力。然而，當節(jié)流時，流束的截面積并沒有立即擴大，而是繼續(xù)縮小，所以最大流量不是在節(jié)流處，而是在節(jié)流處下游，稱為靜收縮處，壓力最小，稱為p_vc。之后，隨著流束截面的擴大，壓力增加，流速降低，但最終出口壓力無法恢復到入口壓力p₁，而為p₂，也就是說，流過控制閥后壓力恢復，但也存在不可恢復的壓力損失。

當壓力降低到小于流體的飽和蒸汽壓力時，不可壓縮流體堵塞流的原因是流體通過控制閥后，壓力會逐漸降低p_v，使部分液體蒸發(fā)，即使壓力再次降低，流量也不再增加，導致堵塞流。對于不可壓縮流體，堵塞流的條件如下：

   （1）

式中：p_vcr———阻塞流發(fā)生時，靜收縮流處最大流速對應的最小壓力p_vc，此時的p_vc用p_vcr表示；FL———壓力恢復系數(shù)。Δp很明顯，關鍵是如何計算Δp_cr的大小。

2 Δp_cr的計算

當堵塞流發(fā)生時，相應的臨界壓降Δp_cr＝F²_L（p₁-p_vcr），以下就p_vcr和FL分別討論。

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2.1 p_vcr的計算

當堵塞流發(fā)生時，靜縮流處最大流速對應的最小壓力p_vc用p_vcr表示。p_vcr與液體介質的物理特性有關：

   （2）

式中：p_v———液體飽和蒸汽壓力；F_F———液體的臨界壓力比系數(shù)是入口溫度下的液體p_v液體的臨界壓力p_c比例函數(shù)：

       （3）

由式(3)可知，F(xiàn)_F只與液體的物理性質和閥門的其他參數(shù)有關。p_vcr也只液體p_v和p_c與其它參數(shù)無關。一旦確定了流過控制閥的液體，p_vcr確定了值。

2.2 F_L的計算

FL用于表示控制閥內流體流經縮流處后，動能轉化為靜壓的恢復能力。

   （4）

FL與閥門和流路特性有關的函數(shù)。IEC推薦計算Cv當單座柱塞閥流開流向時，取出值F_L＝0.流關流向時，取F_L＝0.8.偏心旋轉閥在任意流向時取出F_L＝0.85。FL控制閥流路設計越小，壓力恢復系數(shù)越好，即收縮后，靜壓可恢復到接近入口的壓力。例如：蝶閥FL在0.5～0.68為高壓恢復閥；直通閥F_L在0.8～0.9.為低壓恢復閥。通常，工藝提出Δp越大，即p₁和p₂差值越大，選擇低壓恢復閥越合適。比較過程中提到的壓降Δp與流下阻塞對應Δp_cr對于不可壓縮液體，阻塞流的條件是：

   （5）

由式(5)得出：當Δp≥Δp_cr＝F²_L（p₁-F_Fp_v）時，Cv計算公式中的Δp用Δp_cr代入計算，正確獲得Cv值。

針對上述實例，作者重新計算了閥門Cv值。首先，需要判斷閥門是否有堵塞流。相應的堵塞流下Δp_cr＝F²_L（（p₁-F_Fp_v），其中根據(jù)IEC的推薦取F_L＝0.9，p_v＝2.81MPa（A），p_c＝4.62MPa（A），計算后可得Δp_cr＝0.985MPa，遠小于工藝Δp＝2.44MPa，可以判斷這個閥門已經堵塞了流量。因此，計算Cv值得10.3，而不是之前計算的4.962，了962Cv＝44，口徑為10.16cm（4in）的控制閥。

3 閃蒸和氣蝕工況

對于閥門，一旦Δp＞Δp_cr，堵塞流發(fā)生后，應考慮閃蒸和氣蝕。此時，根據(jù)p₂和p_v判斷大小。因此，首先判斷Δp＞Δp_cr如果p₂＜p_v，靜縮流處的壓力p_vc直至閥出口靜壓p₂總是小于流體p_v，有些液體會相變，液體會蒸發(fā)成氣體，形成氣液兩相的狀態(tài)，稱為閃蒸（flashing）；若p₂＞p_v，首先，靜縮流處的壓力p_vc低于_pv，閃蒸時，一些液體會相變，液體會蒸發(fā)成氣體，在液相中產生氣泡，然后下游壓力會恢復，逐漸增加到閥出口的壓力p₂比流體大p_v，然后，之前形成的氣泡再次破裂，恢復為液相。這種氣泡產生和破裂的整個過程稱為氣蝕（cavitation）。如圖1所示。

圖1 閃蒸和氣蝕工況閥門前后壓力變化示意圖

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閥門計算可能發(fā)生堵塞流時，必須提供工藝p_v，p_c儀表設計的物理參數(shù)，方便儀表設計師Δp_cr從而判斷Δp和Δp_cr確認是否有堵塞流。如果發(fā)生堵塞流，則進行比較p₂和p_v確認是閃蒸還是氣蝕。

針對上述實例，由上述的判別步驟得知，該閥門已經發(fā)生阻塞流的工況。再根據(jù)工藝所提的p₂＝0.86MPa（A）＜p_v＝2.81MPa（A），可以看出，此閥門已發(fā)生了閃蒸工況，這是1臺閃蒸閥。

3.1 閃蒸工況

閃蒸條件在某些工藝要求中可能是不可避免的，但對于控制閥，閃蒸會對閥芯造成嚴重的沖刷損壞，其特點是沖刷表面光滑拋光。沖刷最嚴重的地方通常位于流量最大的地方，通常位于閥芯與閥座環(huán)的接觸線上或附近。因此，對于會出現(xiàn)閃蒸條件的閥門，由于閃蒸是不可避免的，最好的方法是使用合適的幾何形狀和材料的閥門，以盡可能減少損壞。選擇時應注意以下方面：

1）選擇合適的控制閥類型和流向。不同的控制閥和流向，其壓力恢復系數(shù)不同，選用F_L大型閥門類型和流向可防止堵塞流。例如，對于易于蒸發(fā)的液體，不應選擇高壓恢復的球閥或蝶閥，而應選擇低壓恢復的單座閥。

2）提高材質硬度。通常來說，材料越硬，抗沖刷越久。

3)降低沖刷流體的速度。設計合理的流路，降低下游流體的流速，從而降低沖刷速度。例如，擴徑管設置在控制閥下游。

3.2 氣蝕工況

氣蝕條件應盡量避免。氣蝕過程中，閥門內發(fā)生液體變化，氣體再變化。當氣體變回液體時，氣泡破裂會釋放大量能量，同時產生噪聲、振動和侵蝕。在這種情況下，閥門的使用壽命將大大縮短。鍋爐給水泵旁路閥等典型工況。

根據(jù)上分析可以看出，氣蝕是由靜縮流引起的p_vc小于p_v，而閥后p₂大于p_v因此，消除和減少氣蝕的措施如下：

1）控制壓降，避免氣蝕，防止損壞。例如，通過多級降壓，控制閥的壓降可以分為幾個級別，每個級別的壓降可以確保不會使緊縮流p_vc小于p_v，從而消除氣泡的產生，不會產生氣蝕。

2)如果不能消除氣蝕，應盡量減少或隔離其損壞，采用類似閃蒸解決方案的方法，如提高材料硬度、降低流量等，盡量減少氣蝕的影響。

3)采用合理的工藝系統(tǒng)，合理分配工藝管道壓力，增加壓力p₂，使緊縮流處p_vc也增大。若p_vc增大到p_v以上避免了堵塞流和氣蝕。例如，將控制閥安裝在下游靜壓較高的位置，并增加限流孔板。

4 結束語

在工程設計中，設計師正在進行液體控制閥Cv在計算值時，應特別注意Δp如果p2減少到堵塞流，Δp值不等于閥門前后的壓差，而應等于堵塞流量Δp_cr。選擇正確的Δp，可有效避免Cv計算過小，導致閥門選型過小的問題。同時，一旦判斷出發(fā)生了阻塞流工況，還可以進一步判斷是發(fā)生閃蒸工況，還是氣蝕工況，從而采用正確的處理措施，選擇正確的閥門類型，延長閥門的使用壽命。