1 前言
在计算控制阀流量时，定义CV为了控制阀门的流量系数，它是一个与阀门结构、阀门前后压差、入口流体密度和流体特性有关的系数。具体计算，包括：Q通过控制阀的流量，ρ控制阀前流体密度，N是工程单位系数，也是无量纲数，ΔP是控制阀前后压差。不难看出，ΔP越大，CV值越小。
但对于堵塞流条件下控制阀的计算，以上常规计算压差ΔP＝P1－P1的确定方法不适用，会导致阀门计算错误，导致阀门选择过小。以下是阻塞流条件的确定步骤和工况下计算差压的确定，有利于正确的阀门选择。
在石化改造项目中，原80年代设计选择了一个阀门。根据当时的工艺数据，流量为1.8万kg/h，阀前压力P1=3.3MPaA，阀后压力P2=0.86MPaA，压差ΔP＝P1－P1＝2.44MPa，结合温度密度等参数，带入计算CV值，最后选了一个CV=17的2″口径控制阀。然而，阀门在实际应用中一直很小，业主反应，即使阀门通常已经完全打开，但使用仍然感觉很小，渴望重新计算阀门，重新选择，选择合适的阀门。由于工艺参数没有改变，或者根据以前的工艺参数，作者再次计算CV值，发现没有问题，CV值计算约等于4.962，选择CV=17阀门应该绰绰有余。为什么实际应用太小？经过深入研究，发现阀后压力原因P2很小，堵塞流(闪蒸)的工况实际上已经发生了。因此，此时进行CV值计算时，ΔP已经不等于P1－P2的2.44MPa，当阻塞流发生时，应带入相应的临界压降ΔPcr。ΔPcr<ΔP，因此，原阀的计算过小。
可以看出，通常情况下， ΔP＝P1－P2.即控制阀前压力与阀后压力的差异，即如果阀前压力P1恒定，则ΔP阀后压力P2.变化和变化，P2越小，则ΔP越大。但如果P2减少到一定值，控制阀流体堵塞，ΔP值不再等于P1－P2.需要重新考虑。以下是阀门堵塞流条件下的重点CV值计算时ΔP进一步判断阀门是闪蒸还是气蚀，以及相应工况下的处理措施。
2 阻塞流的判断
堵塞流：控制阀门前的压力P1.保持一定时间，逐渐降低阀后压力P2时，流过控制阀的流量会逐渐增加，但当阀后压力增加时P2降低到一定值后，通过控制阀的流量达到最大限值Qmax，这时再降低P2.通过控制阀的流量不能再增加。通过控制阀流量的最大极限是阻塞流量（chockedflow）。如图1所示。
图1 流量与阀门两端压降的关系
因此，P2越小，实际控制阀两端的压降大于阻塞流对应的临界压降ΔPcr阻塞流会发生，即ΔP>ΔPcr时，阀门CV工艺给出的要求压降不能用于计算值ΔP计算应采用与阻塞流对应的临界压降ΔPcr。也就是说，如果发生堵塞流，阀门前后仍然有压差P1－P2带入计算CV如果值，就会使ΔP变大，导致CV计算变小，最终导致阀门选择变小，这是工程设计中不希望看到的。因此，设计师在计算可能堵塞流动条件的阀门时应特别注意。首先，确认是否有堵塞流，以便选择正确的流动条件ΔP取值。
对于不可压缩流体，当流体节流时，流量增加，压力降低，最大流量有最小压力。然而，当节流时，流束的截面积并没有立即扩大，而是继续缩小。因此，最大流量不是在节流处，而是在节流处下游的一个地方。这里称为静压力最小，称为Pvc。之后，随着流束截面的扩大，压力增加，流速降低，但最终出口压力无法恢复到入口压力P1，而为P2.即流过控制阀后压力恢复，但也存在不可恢复的压力损失：ΔP＝P1－P2.如图2所示。
图2 静缩流处示意图
不可压缩流体堵塞流的原因是，当压力降低到小于流体的饱和蒸汽压力时，当流体通过控制阀和节流时，压力会逐渐降低Pv，使部分液体蒸发，即使压力再次减小，流量也不会再增加。这导致了阻塞流。
对于不可压缩流体，阻塞流的条件如下：
ΔP＝P1－P2≥FL2（P1－Pvcr）＝ΔPcr （1）
上式中，ΔP＝P1－P由工艺提出，很明显。因此，关键是如何计算ΔPcr大小。下面具体讨论。
3 ΔPcr的计算
堵塞流发生时，ΔPcr＝P1－Pcr＝FL2（P1－Pvcr），公式中有两个未知的参数，Pvcr和FL，下面分别讨论。
3.1 Pvcr
当堵塞流发生时，静缩流处最大流速对应的最小压力Pvc用Pvcr表示。Pvcr与液体介质的物理特性有关：
ΔPvcr＝FFPv （2）
式中，Pv是液体饱和蒸汽压力。FF它是液体的临界压力比系数，是液体在入口温度下的饱和蒸汽压力Pv液体的临界压力Pc比较函数，
（3）
由上式可知，FF只与液体的物理性质和阀门的其他参数有关。
进而可知，Pvcr只有液体饱和蒸汽压力Pv液体的临界压力Pc与其它参数无关。一旦确定了流过控制阀的液体，Pvcr确定了值。
3.2 FL
FL即压力恢复系数，用于表示控制阀内流体流经缩流处后，动能转化为静压的恢复能力。
（4）
FL与阀门和流路特性有关的函数。IEC推荐计算CV值时，当直接流向单座柱塞阀时，取出FL=0.流关流向时，取FL=0.8.偏心旋转阀在任意流向时取出FL=0.85。FL控制阀流路设计越小，压力恢复系数越好，即收缩后，静压可恢复到接近入口的压力。例如，蝶阀FL在0.5~0.在68之间，直通阀是高压恢复阀FL在0.8~0.9之间是低压恢复阀。通常，工艺提出ΔP越大，即P1和P2差越大，选择低压恢复阀更合适。
这样，就可以比较了ΔP和ΔPcr对于不可压缩液体，阻塞流的条件是：ΔP≥ΔPcr
即：P1－P2≥FL2（P1－Pvcr）＝FL2（P1－FFPv）（5）
当判断出以上结论时，不难得出以下结论：ΔP≥2ΔPcr＝FL2（P1－FFPv））时，流量系数：
中的差压ΔP不等于工艺P1－P2，需要用ΔPcr代入计算，正确获得CV值。
回到本文开头的例子。根据以上分析，作者重新计算了阀门CV值，其中CV值计算中带入上式（1）的ΔP＝ΔPcr＝FL2（P1－FFPv），其中根据IEC的推荐取FL=0.九、饱和蒸汽压Pv＝2.81MPaA，临界压力Pc=4.62MPaA，计算后可得ΔPcr＝0.985MPa，远小于工艺ΔP＝2.44MPa，这样再计算CV值＝10.3.最终阀门选型结果:选择CV值＝44的4″口径控制阀。与之前选择的相比。CV值＝17的2″口径阀，新选择的阀门，无论是直径还是直径CV值大得多，难怪原来的阀门在实际应用中一直很小。换句话说，一旦工艺提到ΔP≥0.985MPa，也就是说，无论工艺给出什么，都发生了堵塞流工况P2多小，带进去CV值计算的ΔP不变，等于0.985MPa，这样才能计算出正确的阀门CV本文开头的例子是正确的，阀门选型。
通过下表1，我们可以更清楚地看到，该阀门在20世纪80年代没有进行堵塞流判断，采用常规算法导致阀门选择口径过小。
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对于阀门，一旦ΔP>ΔPcr，堵塞流发生后，应考虑闪蒸和气蚀。此时，根据阀后的压力P2.流体饱和蒸汽压力Pv判断大小。因此，首先判断ΔP>ΔPcr的情况下：
（1）若P2<Pv，静缩流处的压力Pvc直至阀出口静压P饱蒸汽压力总是小于流体Pv，部分液体会发生相变，液体会蒸发为气体，形成气液两相的状态，就称为闪蒸（flashing）；
（2）若P2>Pv，首先，静缩流处的压力Pvc低于Pv，闪蒸时，一些液体会相变，液体会蒸发成气体，在液相中产生气泡，然后下游压力会恢复，逐渐增加到阀出口的压力P2.饱和蒸汽压力大于流体Pv，然后，之前形成的气泡溃疡回复为液相，这种气泡产生和破裂的整个过程称为气蚀（cavitation）。
如图3所示：
图3 闪蒸及气蚀工况阀门前后压力变化示意图
在可能堵塞流的情况下计算阀门，该过程必须提供饱和蒸汽压力Pv，临界压力Pc等流体的物理参数，方便仪表专业ΔPcr从而判断ΔP和ΔPcr确认是否有堵塞流。如果确实有堵塞流，然后判断阀后的压力P2.饱和蒸汽压力Pv确认是闪蒸还是气蚀。
也是本文开头的例子。根据上述判断步骤，阀门已发生堵塞流。然后根据工艺中提到的阀后压力P2=0.86MPaA<饱和蒸汽压Pv=2.81MPaA，所以不难看出，这个阀门已经闪蒸了，这是一个闪蒸阀。
4.1 闪蒸工况
闪蒸条件可能是不可避免的，因为这是工艺要求。例如：液体气化边缘冷却剂、材料进入塔前的闪蒸分离等。但对于控制阀，闪蒸会对阀芯造成严重的冲刷损坏，其特点是冲刷表面光滑抛光，如图4所示。冲刷最严重的地方通常位于流量最高的地方，通常位于阀芯与阀座环的接触线上或附近。
图4 闪蒸破环的典型外形图
因此，对于闪蒸条件下的阀门选择，由于闪蒸是不可避免的，最好的方法是使用合适的几何形状和材料阀门，以尽可能减少损坏。主要如下：
(1)选择合适的控制阀类型和流向。不同的控制阀和流向有不同的压力恢复系数FL大型阀门类型和流向可防止堵塞流。例如，对于易于蒸发的液体，不应选择高压恢复的球阀或蝶阀，而应选择低压恢复的单座阀。
(2)尽可能硬化这些表面。一般来说，材料越硬，耐冲刷时间越长。
(3)降低冲刷流体的速度。设计合理的流路，降低下游流体的流速，从而降低冲刷速度。例如，扩径管设置在控制阀下游。
4.2 气蚀工况
气蚀条件应尽量避免，因为此时阀门内有液体气体和气体再变化过程。当气体变回液体时，气泡破裂释放大量能量，同时产生噪声、振动和侵蚀。在这种情况下，阀门的使用寿命将大大缩短。锅炉给水泵旁路阀等典型工况。
气蚀的破坏特点是表面有粗糙的煤渣形状，如下图5所示。它明显不同于闪蒸引起的光滑抛光形状。
图5 气蚀破环典型外观图
从前面的分析可以看出，气蚀是由静缩流引起的Pvc小于Pv，而阀后P2又大于Pv因此，消除和减少气蚀的措施如下：
(1)控制压降，避免气蚀，防止损坏。例如，通过多级降压，控制阀的压降可以分为几个级别，每个级别的压降可以确保不会使紧缩流Pvc小于饱和蒸汽压Pv，从而消除气泡的产生，不会产生气蚀。
(2)如果不能消除气蚀，应尽量减少或隔离其损坏，并采用类似闪蒸解决方案的方法，如提高材料硬度、降低流速等，尽量减少气蚀的影响。
(3)采用合理的工艺系统，合理分配工艺管道压力，提高阀后压力P2，使紧缩流处Pvc一旦Pvc提高饱和蒸汽压力Pv以上，不可能发生堵塞流，也不会发生气蚀。例如，将控制阀安装在下游静压较高的位置，并增加限流孔板。
5 结束语
在工程设计中，设计师正在进行液体控制阀CV在计算值时，应特别注意ΔP取值。如果阀后压力P2减少到堵塞流，ΔP的值不等于阀门前后的压差，而应等于阻塞流时的临界压降ΔPcr。选对的ΔP可有效避免取值CV计算过小，导致阀门选择过小。一旦确定堵塞流条件，就可以进一步判断是闪蒸条件还是气蚀条件，从而采取正确的处理措施，选择正确的阀门类型，延长阀门的使用寿命。
参考文献：
[1]何衍庆、邱宣振、杨洁、王为国.控制阀工程设计与应用[M].北京：2005年化工出版社.
[2]费希尔控制设备有限公司.第三版控制阀手册.2010.
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