多级降压串式调节阀的防空化性能研究及应用

摘 要 基于數值计算软件，以公称通径DN 25、公称压力PN 260的四级降压串式调节阀作为分析对象，研究了每级串降压分布规律，计算了阀门的流量系数，并通过数值计算软件验证了此阀在工况条件下不会出现空化现象。对其他工况条件下，判断该类阀是否产生阻塞流具有借鉴意义。

关键词 四级降压 串式调节阀 空化 阻塞流

中图分类号 TH134   文献标识码 B   文章编号 1000?3932（2023）03?0310?07

作者简介：张志超（1983-），高级工程师，从事仪表控制阀的研究与开发工作，zhangzhichao@wuxismart.com。

引用本文：张志超.多级降压串式调节阀的防空化性能研究及应用［J］.化工自动化及仪表，2023，50（3）：310-315；382.

随着现代工业水平的发展，调节阀作为流体终端控制元件被广泛应用在石油、化工、冶金及能源等工艺管道上。当调节阀用在高温、高压液体等严苛工况时，若流体流经调节阀缩流断面处的压力低于介质在工况温度的饱和蒸汽压，部分液体就会汽化成气体，形成气液两相共存的情况，即闪蒸现象。若闪蒸发生后，调节阀缩流断面下游的压力逐步恢复到介质在工况温度的饱和蒸汽压以上，此时气泡会破裂并重新恢复为液体，即空化现象。

对阀门出现空化导致的一系列问题，国内外学者进行了大量研究。郑忠良等针对工程应用中调节阀普遍出现的空化以及由此产生的噪声问题，提出基于流声场耦合法的调节阀空化噪声数值预测方法［1］。王燕等针对高压差下调节阀内的闪蒸空化引起的强振动和高噪声问题，设计了一种消声减振套筒，并对其级数、级间隙和孔径大小进行了研究［2］。金浩哲等基于液控调节阀的结构特性和流场物性参数建立数学模型，并采用Mixture和DPM模型对液控调节阀的空化和冲蚀现象进行数值模拟并分析［3］。李树勋等针对超临界高温高压蒸汽疏水阀，将空化模型和混合两相流模型相结合，应用标准k?ε湍流模型，对疏水阀内部空化流动进行数值模拟［4］。但以上学者针对调节阀防空化性能和工程应用的研究较少。笔者先基于应用工况，通过理论分析给出初步防空化方案，然后通过数值计算［5～7］，分析了多级降压串式调节阀的降压分布规律，给出了阀门流量特性曲线，并通过气液两相模型验证了设计方案的可靠性。

1 防空化机理

1.1 空化产生条件

调节阀产生空化与阻塞流有着必然联系。在固定的入口条件下，阀前压力p保持一定，而逐步降低阀后压力p时，流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值，当继续再降低阀后压力p时，阀门流量不再增加，这个极限流量即阻塞流。

式（3）中压力恢复系数F的值是阀体内部几何形状的函数，它表示调节阀内流体流经缩流断面处后，动能变为静压的恢复能力，可通过试验和数值仿真计算的方法得出。

在工程应用上，都是通过阻塞流来判断是否产生空化。如图1所示，空化会导致阀门内件损伤，同时伴有振动和噪声，严重影响阀门的使用性能和工作寿命。

1.2 防空化方法

目前，各阀门厂家主要通过材料选型优化或采用多级降压结构阀门来应对空化问题。材料选型优化通常的做法是选用高硬度的材料，如将410、420、440C等马氏体不锈钢进行热处理硬化，或如图2所示，将304、316、347等奥氏体不锈钢堆焊硬质合金进行硬化，从而延长阀内件的使用寿命。如图3所示，采用多级降压结构，可以把通过阀门的压降分成数个较小的压降，而每一个较小压降都能保证阀门缩流断面处的压力大于饱和蒸汽压力，这样就不会出现汽化现象，从根本上避免了空化现象的产生。

1.3 降压级数理论

阀门采用多级降压结构需确定合理的降压级数，这样才能防止空化现象产生。流经阀门的总压降［9］Δp可分成若干个分压降，即：

根据多级降压的原理，每一级降压均按几何级数［9］递减，即：

按以上公式可以初步判断阀门降压级数，但实际上与各级阀芯分压情况和每一级阀芯缩流断面处的面积有关，即与产品设计结构相关。因此，需要基于数值计算，分析每一种多级降压阀门的阀芯压力分布情况。

2 工程应用

2.1 现场工况条件

某阀门现场使用工况如下：

介质 水

介质温度 25 ℃

阀前压力 15.6 MPa

阀后压力 6 MPa

介质密度 1 000 kg/m-3

额定流量系数Cv 5

流量特性 近似线性

2.2 选用阀门类型

根据降压级数理论和阀门阻塞流计算公式，可以初步判定选用四级降压串式调节阀即可防止空化现象产生。阀门公称通径DN 25，公称压力PN 260，其结构如图4所示。

四级降压串式调节阀的介质流向为底进侧出，流体介质沿阀芯轴向流动，在阀座与阀芯每一级缩流断面处节流，使阀前阀后的总压差沿阀芯轴向逐级降压，能有效控制介质流速；同时保证每一级阀芯缩流断面处的压力高于介质在工况温度时的饱和蒸汽压，可防止阀门出现空化现象，并减少振动和噪声。

3 数值计算

3.1 相关数据

以某公司J8系列公称通径DN 25、公称压力PN 260的多级降压串式调节阀的结构装配图为例，建立数值计算模型。为了保证阀门流场的稳定，阀前管道长度取阀门公称通径的6倍，阀后管道长度取阀门公称通径的10倍，采用多面体方法划分流体计算域网格。由于空化计算涉及到多相流计算，因此需启用多相流模型。设置多相流模型为Mixture，选用k?ε湍流计算模型，介质选用水和水蒸气。空化作用主要考虑的是相间传质，即水转变成水蒸气。水在25 ℃时的饱和蒸气压为

3 169 Pa。阀门进出口设置为压力边界条件，采用压力和速度耦合中的Coupled算法。

3.2 流场压力分布结果

多级降压串式调节阀的降压规律与阀内件结构有很大关系，式（4）只能用作初步判断阀门理论降压级数，而具体分析阀内件降压情况，需借助数值计算软件模拟、分析阀门在各个开度下的流场分布情况。高压差调节阀应尽量避免在小开度下运行，以降低高压差流体对阀内件的冲蚀，通常较合理的阀门开度在30%～80%。以此四级降压串式调节阀40%、50%、60%、70%这4个开度为例进行分析，其阀内件压力分布云图如图5所示。

基于数值计算模拟结果，得出此四级降压串式调节阀阀内件压力分布规律。阀门介质流向为底进侧出，首先介质流经下节流孔，然后依次流过1级串、2级串、3级串和4级串，最后从上节流孔流出。取压点如图6所示。阀内件分压情况详见表1、2。

从表1、2分析得出，阀门开度在10%～30%时，下节流孔和上节流孔不参与分压，1级串、2级串、3级串处的分压占比为0.30～0.31，4级串的分压占比约为0.07～0.08。阀门开度在40%～100%时，受下节流孔和上节流孔的影响，1级串、2级串、3级串的分压占比在0.18～0.31，4级串的分压占比在0.08～0.16。阀内件的分压占比随阀门开度变化的规律如图7所示。因第4级串部位设有阀芯与阀座的密封面，是容易产生空化的部位，而此结构设计确保阀芯与阀座密封面部位的分压占比较小，有利于防止阀门产生空化。

从图7可以看出，阀门1级串、2级串、3级串的分压占比随着开度增加在不断减小，产生这种现象的主要原因是随着阀门开度增加，下节流孔和上节流孔的分压占比在逐渐增大。阀门开度在40%～100%时，阀门的降压能力逐渐加强，下节流孔与上节流孔也具备了部分分压功能。

基于Fluent两相流计算模型，验证此阀门在现工况下是否产生空化现象。选取此四级降压串式调节阀40%、50%、60%、70%这4个开度为例进行分析，其阀内件气液分布云图如图8所示。

从图8可以看出，此阀开度在40%～70%时水的体积分数为100%，未出现气液两相共存的情况，即未产生空化现象。同样，针对阀门其他开度也做了相应的数值计算分析，也未出现空化现象。跟踪此结构阀门在装置现场的实际使用情况，确认阀门未出现空化现象，使用效果良好，验证了数值分析方法的可行性。

3.3 流量系数

流量系数Cv值是衡量调节阀流通能力的最关键技术指标。在实际工程应用中，阀门在满足防空化功能要求的同时，还应需满足工况流量的要求。基于第3节数值计算结果得出阀门出口质量流量，即可计算出阀门在各开度下对应的流量系数，其随阀门开度变化的曲线如图9所示。

从图9可以看出，阀门流量系数满足设计Cv值为5的要求，且流量特性为近似线性。

4 结束语

多级降压串式调节阀的分压情况与设计结构息息相关。笔者所选公称通径为DN 25、公称压力为PN 260的调节阀开度在10%～30%时，1级串、2级串和3级串处的分压占比为0.30～0.31，4级串的分压占比为0.07～0.08。阀门开度在40%～100%时，1级串、2级串和3级串的分压占比近似一样，在0.18～0.31之间，4级串的分压占比在0.08～0.16之间。对同类型结构的阀门，在常温水工况条件下，可以按此分压占比关系，计算是否产生阻塞流。当液体介质的温度接近饱和温度时，阀门可能会需要更多降压级数的串式阀芯才能有效避免空化的产生。基于数值计算模拟，可以分析阀内件降压分布情况，计算阀门流量系数Cv值和验证阀门是否产生空化现象，可保证工程应用中产品选型设计的可靠性。

参 考 文 献

［1］ 郑忠良，陈修高，谭术洋，等.基于流声耦合的调节阀空化噪声数值预测［J］.西华大学学报（自然科学版），2018，37（6）：42-47.

［2］ 王燕，胡建华，胡建，等.多级套筒调节阀消声减振元件设计研究［J］.流体机械，2013，41（7）：19-22；13.

［3］ 金浩哲，陈小平，郑智剑，等.液控调节阀空化与冲蚀仿真模拟与分析［J］.中国科技论文，2016，11（10）：1119-1123.

［4］ 李树勋，胡建华，李连翠，等.超（超）临界蒸汽疏水阀内部空化模拟［J］.四川大学学报（工程科学版），2013，45（5）：145-153.

［5］ 李传君，陆益顺，施卫东，等.DN25型单座调节阀空化特性数值模拟研究［J］.广西大学学报（自然科学版），2019，44（2）：360-366.

［6］ 刘佳，何庆中，刘晓叙，等.超（超）临界机组主给水调节阀内部空化流场模拟［J］.热力发电，2017，46（2）：88-93.

［7］ 刘桓龙，李惟祥，柯坚，等.液压锥阀空化特性的计算与分析［J］.液压与气动，2012（9）：3-6.

［8］ 吴国熙.调节阀使用与维修［M］.北京：化学工业出版社，1999.

［9］ 张晓康，张希恒，陈修高.基于限流孔板理论的调节阀抑制空化优化设计［J］.甘肃科学学报，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