调节阀闪蒸、空化及阻塞流的分析与处理

自动化专家

摘 要：本文详细论述调节阀闪蒸、空化及阻塞流的成因及其对生产所带来的影响和危害，分别阐述如何通过计算判断分析调节阀是否出现了这3种现象，以及发生的是其中的哪一种或几种，并结合实例对其进行判断分析并提出解决方案。给工程设计人员的阀门选型提供参考。

关键词：调节阀；闪蒸；空化；阻塞流；选型

中图分类号：TP214 文献标识码：A 文章编号：1671-1041(2015)03-0071-03

1 什么是调节阀的闪蒸、空化及阻塞流

1.1 不可压缩流体的闪蒸、空化及阻塞流现象

当不可压缩流体（通常指液体），通过调节阀时，根据伯努利方程可知，流道变化，截面积越小流速越大，静压越低。根据图2，当阀前压力P1一定，而阀后压力P2逐渐降低时，缩流断面的压力Pvc低于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压时，就会产生汽泡出现两相流，缩流断面后伴随着流道截面积的扩大，动压越来越大，如果阀后压力不能恢复到饱和蒸汽压以上，则汽泡不会破裂，并伴随液体流出调节阀，这个过程叫做闪蒸；若P2恢复到饱和蒸汽压以上，则阀后汽泡破裂，这个过程叫做空化或者汽蚀；如果缩流断面的压力Pvc继续降低，阀后的气相将继续增加，到某一时刻，流量将达到极限值，此时，无论如何降低阀后压力都不能增加流量大小，此时的流动状况称为阻塞流[1]。

通俗地说，阻塞流就是阀后气相迅速增加，导致物料体积快速膨胀，在管道管径的限制下，无法及时流通即为阻塞流。由于闪蒸、空化的这种特点，某些工段工艺会利用阀门的闪蒸和空化来达到雾化或者将物料气化的目的。

1.2 可压缩流体的闪蒸、空化及阻塞流现象

气体在低流速时属于不可以压缩流体，其热力状态的变化可以忽略，但在高速流动下（如大于0.3马赫时），气体的压缩效应不能忽略，其热力状态也发生明显变化，气体运动既要满足流体力学定律，也要满足热力学定律。当可压缩流体通过调节阀时，根据伯努利方程，由于流道的变化，截面积越小流速越大，静压越低；但是如果当缩流口已经达到临界流速时，此时伯努利方程不再适用，根据气体动力学，此时情况恰恰相反，阀后截面越大，流速越快，气体膨胀，此时无论阀门两端压差怎样提升，流量也不会改变，而是恒定不变，这种现象称为可压缩流体的阻塞流。由于可压缩流体本身就是气态，所以没有闪蒸和空化现象。

2 闪蒸、空化及阻塞流的危害与处理

2.1 调节阀闪蒸、空化及阻塞流的危害

阀门的闪蒸、空化最重要的特点是流体伴随着两相流，而气泡在发生破裂或者向内爆炸的瞬间，气泡原来占据的空间就会形成高真空空穴，液相在这种差压作用下，以极高的速度填充气泡原来的空间，形成具有冲击力的微喷射和压力波，而阀门的流道往往不会是直通的，由于这种阀芯的阻挡，很多没有来得及溶解、凝结和破裂的气泡，在撞击的作用下，变成更多的小气泡，这些气泡在阀门的流路和阀内件表面被压缩、凝结和破裂，并产生一种砂石流过阀门的噪声，这种周而复始的能量释放，犹如水滴石穿，会慢慢撕裂材料或者造成材料的剥落。闪蒸破坏的特点是受冲刷表面有平滑抛光的外形，而空化则会造成流道或者阀内件类似于煤渣的粗糙表面。阻塞流工况下常常伴随高噪音，在现实工况环境下，还往往伴随着流体的腐蚀作用，这种多重作用下的损害往往比单一作用产生的危害更加强大[2,3]。

闪蒸和汽蚀现象可能出现阻塞流，而当阀门出现阻塞流的情况下，肯定伴随着阀门的闪蒸，如果阀后压力高于入口温度下的饱和蒸汽压，还会出现空化。阀门的闪蒸、空化产生噪音的物理过程中也会引起振动，如果阀门安装位置、零部件固定等对振动敏感的因素比较突出，那么在这种现场剧烈的地方可能会对阀门产生严重的影响，甚至引发安全事故。由图1可以清楚地看到，在阀门的选型计算中，如果不考虑阻塞流的情况，那么计算出来的流量与真实情况将严重不符，这将直接导致选型不准。所以对阀门的闪蒸、空化及阻塞流的判断分析，并采取适当的措施来减小和排除它们的危害对于工程设计至关重要。

2.2 调节阀闪蒸、空化及阻塞流的处理

处理的方法基本分为两大类：

治标的方法：

1）通过选用硬度更高的材料制作阀内件，阀门能更好地应对恶劣工况，有效延长阀门使用寿命。

2）选择相对合理的阀门类型及流向，因为阀门的压力恢复系数与流道结构及流向息息相关，压力恢复系数的大小直接决定了阀门阀后压力的恢复情况，进而决定了阀门差压及阀后的两相流环境，因此在同样的工况条件下，选择压力恢复系数低的单座阀要比选择压力恢复系数高的球阀或者蝶阀能更好地控制阀后气相，从而减轻或防止出现空化或阻塞流。

3）当闪蒸或气蚀发生时，由于部分介质气化，体积增大，应适当选择更大流通系数的阀门。

治本的方法：

a）根据上文论述，不难理解，有效控制缩流处的压力与阀门入口处饱和蒸汽压的关系是关键所在。因此，通过工艺的角度提高阀前后压力或者降低流体温度都可以有效控制闪蒸、空化及阻塞流。

b）对于气体的阻塞流现象，可通过降低流体流速或者提高阀后压力的方法来控制，采用多级阀芯或者阀后添加限流孔板等方式，让阀后形成憋压，控制前后差压在不出现闪蒸、空化及阻塞流的范围内，如此多级递减，直至达到后续工况要求。当然同样的方法也适用于不可压缩流体[4]。

需要指出的是，当工艺条件一定时，闪蒸是不可避免的，而气蚀或阻塞流是可以避免的。

3 闪蒸、空化及阻塞流的计算判断与分析

3.1 需要了解几个参数和概念

如图2[1]所示，

P1=阀前压力

P2=阀后压力

PV=阀门入口温度下的饱和蒸汽压

PVC=缩流断面压力

PVCR=缩流断面阻塞流临界压力

PC=液体临界压力

液体临界压力比系数FF：

压力恢复系数FL（见图2-1）：

比热容比系数FK：

临界压差比XT：

（注：P1、P2为发生阻塞流时的阀前后压力）

压差比X：

图1 P1恒定时Q与√△p的关系曲线

Fig.1 P1 constant and √△p relationship curve

图2 阀内压力梯度图

Fig.2 The valve pressure gradient figure

3.2 不可压缩流体的闪蒸、空化的判断

根据式（5）可知，由于FL可以由阀门厂家样本或者相关资料查得，而P1、PV可以很方便地从工艺给出的数据中得知，此时的△P为发生闪蒸、空化的临界条件，如果差压P1-P2的值大于△P，则发生了闪蒸、空化，相反则未发生。根据设计经验，如果P1-P2大于 则可能出现闪蒸，用此方法快速判断阀门闪蒸情况。

而进一步判断是处于闪蒸、空化的哪个阶段，则需要由阀后压力P2来进行判断，如果P2小于PV则只发生了闪蒸；P2大于PV则既发生了闪蒸，也发生了空化。

3.3 不可压缩流体阻塞流的判断与计算

根据式（6），若差压P1-P2的值小于△P，则不会产生阻塞流；若差压P1-P2的值大于△P，则会产生阻塞流。

3.4 可压缩流体阻塞流的判断与计算

对于可压缩流体，因为不存在闪蒸和空化现象，所以直接讨论其阻塞流的判断与计算。

若X<FK*XT则不会出现阻塞流，若X≥FK*XT则会出现阻塞。

3.5 两相流体阻塞流的判断与计算

对于两相流体混合均匀，且液体与气体不发生相变的情况下，判断阻塞流是否发生，比较困难，但是有两个极端情况可以肯定，即气体百分比为零和气体百分比为百分之百的时候，是否形成阻塞流。由此可得如果式（7）和式（8）同时成立则可判断有阻塞流形成。

4 实例

某煤制甲醇项目，甲醇合成工段，甲醇分离器放空管线循环气调节阀，根据工艺要求选择单座套筒调节阀，工艺参数如表1所示。

表1 调节阀工艺参数表

Table 1 Control valve technology parameter table

由于是气体介质，故不用考虑闪蒸和空化的问题，直接引用式（8）判别是否出现阻塞流的情况。

查表1可得进口单座套筒型流开阀门的临界压差比XT =0.7
FK*XT=1.025*0.7=0.7175

由上可得X>FK*XT则会发生阻塞流

也可以反推，设临界状态下的阀门压降为x

求得x=3.37225Mpa

P2=4.7-3.37225=1.32775Mpa

即将阀后压力控制在1.32775Mpa以上，方可达到防止阻塞流的目的。

根据上文介绍的处理方法和前面计算数据，选择了多级套筒导向型单座调节阀，通过八级降压，使每一级降压都不致发生阻塞流，并对阀芯进行了热处理，以加强其硬度，多管齐下，确保安全[5]。

5 结束语

本文对阀门的闪蒸、空化和阻塞流的成因和判别给出了相对系统的阐述，在工程设计中虽然有利用闪蒸来达到汽化目的的工艺，但对于常规工况，仍然需要减小它们的危害。当前，多家厂商的阀门计算软件都自带阻塞流提醒功能。因此，在阀门选型中，只要加以注意，当出现闪蒸、空化和阻塞流时，采取适当的应对措施，可优化设计，节约成本，最重要的是可以提高阀门寿命，确保生产安全。

作者简介：

黄俊华，马辉（北京华福工程有限公司，北京 100016）

黄俊华（1984-），男，湖北松滋人，本科，工程师，主要从事仪表专业工程设计工作。

参考文献：

【1】陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000.

【2】刘芳.控制阀闪蒸和空化现象及阻塞流的计算[J].仪器仪表与应用,2010,2:64-68.

【3】费希尔控制设备有限公司.控制阀手册[Z].2010.J.W.哈奇森.美国仪表学会调节阀手册[Z].北京:化学工业出版社,1984.

【4】中国石油化工集团公司.石油化工自动化仪表选型设计规范[Z].SH 3005-1999.