简析恶劣工况下调节阀（特殊工况调节阀）的选型设计

对分式

    调节阀是生产自动化系统中最常见的一种执行器，在生产过程中的应用已遍及到各个行业，调节阀通过接收调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去控制流体的压力或流量，在稳定生产、优化控制、维护及检修控制等方面都起着举足轻重的作用。
    由于海洋环境较陆地恶劣，介质的物理、化学性质也千差万别，因此选择安全、适用、可靠、经济的调节阀，满足工艺调节要求，提高控制水平，延长使用寿命，是设计人员最为关注的问题。
    1 调节阀的设计及选型
    选择合适的调节阀，首先要确定工况条件。CFD18-1海洋平台置换泵出口管道外径及壁厚为4〃Sch160，调节阀流体为海水，阀入口压力11500KPaA，出口压力300KPaA，前后压差较大，流量最大为80m3/h，设计温度为39℃，下面介绍选型过程。
    1.1 调节阀执行机构
    调节阀按照其执行机构的动力源分类为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀和混合型调节阀四大类。根据对工况条件分析，阀前后压差较大，要求阀座结构的导向性好，选择阀门形式为直通平衡式导向阀。另一方面，CFD18-1海洋平台无仪表气，液压控制效率较低，故选择电动执行机构。
    1.2 调节阀的流量特性
    流量特性指随着开度从0%到100%变化时通过阀门的流量与阀门行程之间的关系。常用理想的流量特性主要有直线、等百分比、抛物线和快开四种。但抛物线流量特性与等百分比流量特性较为接近，前者可以用后者代替，而快开特性又主要用于位式控制和顺序控制，因而流量特性的选择一般局限于直线特性与等百分特性的选择。在CFD18-1项目中，上游泵出口压力基本为定值，下游压力为300KPaA，压差基本恒定，所以选择线性特性的调节阀。
    1.3 调节阀口径的选定
    口径过小，会使调节阀不能通过工艺对象要求的最大流量，或使能耗增加；口径过大，不仅使投资增加，而且使调节阀经常在小开度条件下工作，可调比减小，调节性能变坏，容易造成控制系统不稳定。口径的选择和确定主要依据阀的流通能力CV。下面介绍以CFD18-1工况条件下，管道为4〃，使用Intools仪表软件计算调节阀的CV值。将需要的工艺参数添加到软件相应的位置中，如图1，计算结果如图2。

    由计算结果显示，流体在阀体内出现空化现象。下面介绍产生的机理。

    图3用来表示流体介质流经阀体内部的压力变化：P1阀的入口压力；P2阀的出口压力；Pv阀入口温度下的液体饱和蒸汽压；Pvc流体缩流断面的压力。

    流体介质通过阀体的时候，如图3，Pvc大于Pv，液体不会引起沸腾的状态；当液体压力小于入口温度饱和蒸汽压时，如图4，液体开始沸腾，出现气泡，当液体介质流经阀座后下方下降的压力，在下游一侧逐渐回升，当达到饱和蒸汽压时，气泡因再次受压而破灭，气泡在急剧破灭的过程中，向四周释放能量，并冲击阀体本身和管道内壁，这就产生了以上计算的结果—“气蚀”，即空化现象。

    当流体介质流经阀座后下降的压力，在下游一侧逐渐回升，如在下游没有达到饱和蒸汽压时，阀的出口就会出现闪蒸现象，如图5所示。调节阀的阀内件直接与流体接触，是气蚀与闪蒸影响最为严重的地方。
    针对CFD18-1项目出现的空化现象，噪音很高，已经超出设计要求水平，这就要求在阀芯结构和内件上选择满足工况的类型。
    a）选用套筒结构的调节阀，套筒四周开有不同形状的窗口，采用平衡型的阀芯结构，不平衡力小，稳定性好，不易振荡，允许压
    差范围大，而且有降低噪声的作用；
    b）选用Fisher公司的Cavitrol Trim III内件，如图6，它采用二级对液体进行分级降压，特殊形状的孔道和钻孔技术使介质压力保持在汽化压力之上防止气蚀产生；

    c）内件采用S32550硬化材料制造，抗腐蚀性加强。
    总之，要防止或降低闪蒸或气蚀的破坏，总的原则可采用多级节流、调节阀选用优质材料、增加阀门缩流管道后的管道截面等措施。
    综合CV值，选择调节阀体尺寸为2〃，经fisher厂家计算在正常工作状态下开度在55%-61%之间，满足工艺和设计需要。
    1.4 调节阀材质的选择
    CFD18-1项目中调节阀的流体介质为海水，不能使用常规的碳钢或者316不锈钢，故选择CD3MN双向不锈钢抵抗海水的腐蚀。
    综上所述，阀门的选型过程概括如下：
    （1）确定工况条件：
    a）P1、△P、Q、T1流体特性，允许噪声等；
    b）选择阀体和阀内件要求的合适的压力等级；
    （2）计算要求的初始CV值：
    a）检查噪音和气蚀水平；
    （3）选择阀内件类型：
    a）若没有噪音或气蚀提示，选择标准阀内件；
    b）若噪音很高，选择降噪阀内件；
    （4）选择阀体阀内件尺寸：
    a）根据要求的CV值，选择阀体和阀内件尺寸；
    （5）选择阀内件材料：
    a）为应用场合而选择阀内件材料，确保所选阀内件在用于所选阀门口径的阀内件组别里找到；
    （6）附加项选择：
    a）阀杆填料，阀门定位器等可选项。
    2 其他恶劣条件下调节阀的选择原则
    2.1 高温条件
    （1）采用具有高温强度的壳体材料和内件材料，所用材料不能因高温作用而粘结、塑变，温度极高时，适用的阀形有节流阀、蝶阀。
    （2）阀体材料可考虑带有散热片、阀内件采用热硬性材料。对于工作温度高于450°F（232℃）的调节阀，使用半金属或弹性层压石墨填料，缠绕不锈钢和弹性石墨的垫片；对温度高于1000°F（538℃）的工况，阀体通常用铬-钼钢铸造；高于1500°F（816℃）的工况，选用ASTM A351等级CF8M，316型不锈钢，其含碳量必须控制在0.04%-0.08%这个范围的上限。
    2.2 低温条件
    （1）在结构上设置泄压孔或者排气孔，在阀门上设置引出管或安全阀，以排除异常高压。
    （2）冰霜会造成阀杆填料的撕裂，破坏密封，可使用伸长型阀盖。
    （3）针对低温场合的阀门材料选择通常是阀体和上阀盖用CF8M，阀内件用300系列不锈钢。
    2.3 大流通能力
    （1）采用笼式结构的阀体型式，超长的阀芯行程以及扩展式出口管道连接口，降低大口径阀门的噪音输出。
    （2）执行机构可选用长行程、双作用气缸式。
    2.4 小流量控制
    （1）在球形调节阀的阀芯上铣出小槽和V形槽，也可以得到很小的流量系数。
    （2）可以采用长锥形结构。可以根据需要挑选行程短、功率大、压差大的小流量阀。
    2.5 腐蚀和磨损条件
    （1）选择的阀体流道要光滑，流线形的阀体结构能防止颗粒的直接撞击，可避免涡流并减少磨损。
    （2）在腐蚀的介质条件下，选择结构简单可以增加衬里的调节阀，可选用奥氏体不锈钢或者双相不锈钢、特殊合金（蒙乃尔）的
    单座、双座调节阀，或选用隔膜阀、加衬蝶阀、球阀等类型。
    （3）如果介质是极强的有机酸或无机酸，则可以用全钛调节阀。
    2.6 粘性介质
    （1）对粘性高的液体，调节阀的流路越简单越好。
    （2）适用于粘性的介质的调节阀有球阀、V形球阀、隔膜阀、带导流孔的平板闸阀及偏转阀。管夹阀的应用虽然很有限，但用于粘度很大的泥浆液时性能却很好。
    （3）粘性介质有凝固、快速结晶、结冰等危险，在操作粘性介质时，可以利用有保温夹套的调节阀。
    3 结论
    调节阀的选型和应用是一个专业性强、涉及技术领域广的系统工作，其正确选择主要是根据现场被控介质的特点、控制要求、不平衡力校核、允许压差、环境条件及调节阀本身的特性进行选用。且选用的阀应尽量简单、可靠、价廉、寿命长、维护方便、备件有来源。选型应用的过程是经验和技术的累积，要在理论和实践基础上了解掌握调节阀的各种特点，做到满足工艺要求和现场环境。

    参考文献
    [1] 陆德民.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000，208-244.
    [2] 陆培文.调节阀实用技术[M].北京：机械工业出版社，2006，640-703.
    [3] 胡庆国.调节阀的气蚀和闪蒸破坏及其防止[J].化工建设工程，2002，24（3）：48-49.
    [4] 何正，自动控制设计中调节阀的选型[J].化学工业与工程技术，2000，21（3）：45-47.
    [5] 李红梅，李静巍.调节阀的噪声与治理[J].2002（5）：32-35.
    [6] 高健，梅明霞，陈召方等.新型流量自动调节阀的研制[J].石油矿场机械，2003，32（4）：13-15.
    [7] 谢云山，刘建领，赵忠荣.调节阀的选型设计要点[J].自动化与仪器仪表，2008（5）：53-55.