图1 SAMSON抗空化气蚀阀内件AC-Trim

苛刻工况是指流程工业的生产过程为高温、高压、且易燃易爆等严酷操作条件，尤其是大型石油化工装置长周期运行在这种高温、高压差以及多相流的苛刻工况下，极易产生大能量冲击、振动、腐蚀、磨蚀和闪蒸冲刷、空化气蚀以及高噪声。普通的控制阀常常无法承受苛刻工况而导致阀内件或阀体损坏，或因控制阀计算选型不当影响正常使用。应对苛刻工况，必须选用经过优化设计的控制阀；合理计算选型；采用降压、减噪、抗空化气蚀新技术和解决方案。

在流程工业自动化中，控制回路的终端执行元件主要是控制阀等执行器。控制阀被安装在过程管道上，直接与工艺流体接触并进行流体量控制，常常决定着过程控制是否及时有效和工艺装置是否安全。

SAMSON（萨姆森）有着100多年专业制造控制阀的历史，是全球控制阀技术领军厂商，连续多年入选ARC全球控制50强榜单，也是全球控制50强中惟一的主营业务仅为单座控制阀、执行机构和阀门定位器的公司。SAMSON认为计算选型控制阀主要需要考虑流程工业生产过程的工艺操作条件，如何应对高温、高压、易燃易爆、腐蚀、磨蚀、闪蒸冲刷、空化气蚀的苛刻工况，应综合控制阀的结构、性能、材料和特殊设计等方面，以适用工况为出发点，整体进行优化，满足可用性和可靠性，再结合成熟的计算软件进行选型、预估分析在苛刻工况下应用控制阀。

液体流体的闪蒸、空化气蚀及其解决方案

控制阀本身是压力管道截流元件，通过改变流通截面积及流体阻力来调节流体量。在液体流体高压差工况应用时，控制阀内部流动的液体介质由于截流导致急剧降压，这容易引起液体闪蒸和空化现象。闪蒸和空化的发生既影响控制阀口径的选择和计算，更能导致严重的噪声、振动及气蚀对材料的破坏等等，这将直接影响使用。

当高压液体流体通过控制阀阀芯阀座节流时，缩流截面处的流速加快而静压力骤然下降，当该区域的压力降低到等于或低于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv时，部分液体就会汽化，这时有相当数量的蒸汽及溶解在液体中的气体逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小汽泡。若截流后的液体压力又回复到饱和蒸汽压之上时，在压力作用下挤压气泡产生空化（cavitation），如果这些气泡在阀内流路阀内件表面处凝结、破裂，就会对材料表面产生高频冲击，可高达几千牛顿，严重地冲撞和破坏阀芯、阀座和阀体，还导致出现剧烈振动和高强噪声以及阻塞流。这种由于空化导致金属等材料因机械剥蚀和化学腐蚀受到损害的现象称为控制阀空化气蚀。

流体在流出缩流区域后，流体压力仍然等于或低于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv，则汽化现象依然存在，流体形成气液两相流，这个过程称为闪蒸（flashing），是不同于空化的现象。闪蒸的发生形成两相流，会使液体流体流量不再随阀前后压差的增加而增加，出现阻塞流。闪蒸也会对阀内件及阀后管路造成比较平滑的冲刷，在缩流区域流速最大处的冲刷最为严重。

空化和闪蒸都是液体流体在形式上的实际变化，也都和出现阻塞流现象有关。开始阻塞流的压差△pc等于FL2（p1–pv）或者低于（p1–p2）。闪蒸发生是缩流区域后的压力（阀后压力p2）仍然小于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv。空化发生是缩流区域压力pvc小于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv，而缩流区域后的压力p2恢复并高于流体温度对应下的饱和蒸汽压pv。

要了解和防止空化气蚀的发生以及控制阀前后高压差的情况，对于三个重要参数要多加考虑：阀门入口压力p1、阀门出口压力p2和液体饱和蒸汽压pv。空化发生及损害的大小，很大程度上取决于这三个参数之间的相互关系。

对于上述工况，控制阀的选用主要考虑阀前后压差（流体流速）、阀体阀内件材料和结构（角型阀、多级阀），以及采取有效的特殊设计和防空化措施。

图2 减噪解决方案

考虑控制阀前后压差

设计选用时不能使控制阀前后压差（p1–p2）过大，避免阀芯阀座最小截流区的压力下降到流体的饱和蒸汽压pv以下，选择阀前后压差△pmax小于2.5MPa和控制合理流速。可通过改变控制阀口径或增加管道流通面积，来减小控制阀出口流速，SAMSON单座控制阀的液体出口流速计算选型时通常控制在5 m/s。

考虑控制阀材料

要选用抗蚀能力强的金属材料，如在不锈钢阀芯阀座基体上再用硬质合金（钴铬钨合金或碳化钨）对密封面进行硬化处理（堆焊或高温喷涂），也有在部分口径的阀芯阀座采用全硬质合金材料。

考虑阀门结构

选用特殊设计防空化气蚀阀内件，以避免气蚀的破坏作用。使流体在通过阀芯、阀座时的每一点压力都高于该温度下的饱和蒸汽压，或采用迷宫阀内件、多级套筒、多级阀芯等多级降压减噪处理措施。还可选择在阀芯阀座流出处加减噪器的方法，使液体本身相互冲撞呈高度紊流而减少气泡（闪蒸现象）的产生。

SAMSON在评估控制阀空化方面技术领先，能够确定初始空化的特性压力相比XFZ而言，可使选型计算时快速确认用户操作条件下的控制阀是否发生空化，评估空化的科研成果已被IEC 60534-8-4国际标准采纳。SAMSON从控制阀结构考虑抗空化气蚀有多个解决方案，特殊设计出模块化的抗空化气蚀的阀内件（AC- Trim），安装在现有产品系列控制阀的阀体内，以避免空化气蚀的破坏作用。其中AC-1、AC-2阀内件使流体在通过阀芯、阀座时的每一点压力都高于该温度下的饱和蒸汽压；AC-3、AC-5阀内件是采用多级降压减噪处理结构，每一级都消耗一部分能量，使得下一级的入口压力相对较低，减小了下一级的压差，压力恢复低，避免气蚀的产生。即使在高压差、大流量范围和极易发生空化气蚀的苛刻工况下，AC- Trim目前在大型石化装置中也已有超千台套的成功应用（参见图1）。

AC-1 Trim 设计为抛物线曲面阀芯和高径阀座，在小开度时由阀芯锐角边缘粉碎气泡，在大开度时由阀座高径边缘破坏气泡，使阀芯与阀座的每一流通截面积都保持高的XFZ值。允许压差为2.5~4 MPa（25~40bar），用于公称通径DN50~300。

AC-2 Trim 设计是在AC-1 Trim基础上增加多层衰减板，由衰减板承受一定压力降，允许压差为2.5~4MPa（25~40bar），用于公称通径DN80~250。

AC-3 Trim为3级降压减噪的抗空化气蚀阀内件，用于公称通径DN15~200（NPS 1/2~8）、压力等级PN40~400（ANSI Class 300~2 500）、允许压差10 MPa（100bar、1450 psi）。

AC-5 Trim为5级降压减噪的抗空化气蚀阀内件，用于公称通径DN25~150（NPS 1~6）、压力等级PN40~400（ANSI Class 300~2 500）、允许压差大于12 MPa且小于20MPa。

苛刻工况下噪声抑制的解决方案

控制阀产生的噪声一般为机械噪声、液体动力噪声和气体动力噪声。

机械噪声主要来自于阀门阀芯、阀杆及一些可动部件，由于受到流体压力波动的影响或流体的冲击而产生机械振动。此种噪声是明显的金属响声和敲击声，频带较宽，振动频率一般小于1500 Hz。减小机械噪声的方法主要是改进阀门结构,尤其是阀芯阀座、导向的结构。

图3 3381型消音器

液体动力噪声是流体流过截流区产生的，流通截面积的急剧变化，容易产生阻塞流、产生闪蒸和空化，减速和膨胀都会造成噪声，在空化作用产生强大破坏力时还发出高噪声。

气体动力噪声是当气体流体流动速度大于声速时，流体产生冲击波，噪声剧增。

噪声的预估比较复杂和困难，IEC 60534-8-3/-8-4标准也给出了有关噪声预估方法，SAMSON按照国际标准在计算软件中也有噪声的预估计算。

对于控制阀噪声的抑制和治理，目前主要采用声源处理和声路处理的方法。

声源处理就是设法防止和降低控制阀截流区的声源功率，抓住压差和流速这两个影响噪声的关键参数，在阀内件和阀体结构上设计改进，在声源发生处把速度和压差降下来。SAMSON的解决方案有：

采用增加减噪器的办法，在截流处加装细小的迂回通路，如由细目钢网卷成的减噪器st III、多孔套筒st I、多孔阀芯以及带多级AC-trim的多孔阀芯(参见图2)。

采用出口加扩管消音器的办法，减弱冲击波并消耗声能，做声路减噪处理。3381型消音器可组合1~5块多孔减噪板，满足不同的减噪需要(参见图3)。

利用摩擦原理，设计多级阀芯降压减噪，控制流体流速，有效地防止了空化作用，也明显抑制了噪声。

改善流场参数。根据流场分布与阀门结构有关的研究结果，改进阀门流路和阀内件结构，选用S形流路、V形开口阀芯、套筒等。

防冲刷设计。在角型阀出口设计有防冲刷陶瓷套管，以及陶瓷阀内件。

应对高温苛刻工况的解决方案

在高温的工况下，SAMSON在设计时就考虑材料热膨胀对阀内件动作的影响，选用材料不能因高温作用而变形、塑变、蠕变，造成阀内件卡住或阀杆和导向套卡住，因此设计间隙（包括阀芯与阀座间；导向套与阀杆间）要根据材料、尺寸及温差等因素考虑而适当增加。同时考虑阀体、支架、填料和连接件等承受的温度能力。

基于在高温下各种材料的硬度都会有不同程度的下降，SAMSON遵守所选材料的温－压曲线，使其满足在温度条件下的耐压，保证安全性。

对泄漏量要求较高的阀内件应采用相同的合金钢，同时密封面要做硬化处理。

SAMSON在操作温度高于220℃时，增加延长的上阀盖；温度高于450℃时，要考虑选加更长的上阀盖，来避免阀体及支架金属传热造成气动执行机构和阀门定位器的非正常工作。

结束语

控制阀在苛刻工况下应用,噪声、冲蚀、闪蒸、空化气蚀等问题由来已久，SAMSON一直努力研发和完善应用苛刻工况的解决方案，在空化评估的理论计算和实测验证上的成果已被IEC 60534-8-4国际标准采纳，也相继推出可靠耐用的高压差控制阀、抗空化气蚀阀、防喘振阀以及陶瓷阀内件、减噪器、消音器等，加上新材料的应用和现场经验的积累，能够满足用户苛刻工况条件下的应用需求。