在设计和安装工业或商业应用中的液体管道系统时，为过程控制选择的阀门位置和类型对阀门是否能够顺利运行或是否可能出现气蚀或阻塞流起着重要作用。
这些恶劣的操作条件不仅可能损坏阀门，增加维护成本，还可能给工厂人员带来安全隐患。此外，恶劣的条件可能会影响工艺以设计流量、压力、温度或其他质量参数输送液体的能力。
汽蚀和阻塞流状况很难识别，并且可能发生在任何管道系统中。然而，使用管道系统模型，可以很容易地识别阻塞流等问题，并在实施之前在模型中评估解决方案。
高温和高压降的应用使阀门更容易发生气蚀和阻塞流。在系统的高海拔安装阀门，阀门的进口压力较低，可能会引起汽蚀，如果安装在低海拔，这种情况不太可能发生。
选择的阀门类型还决定了阀门是否会在存在气蚀的情况下运行，或者是否达到阻塞流量。
空化和阻塞流
气蚀是一种发生在阀门上的压力下降导致流体的静压下降到蒸汽压，液体闪烁成蒸汽气泡的情况。在瓣膜中流动通道最小的区域，或收缩静脉，是最容易发生空化的位置。
这是最高速度和最低压力的点(伯努利原理在起作用)。
当收缩静脉下游的流道扩张时，由于流体速度下降，在离开阀体前压力增加，会发生一定的压力恢复。
如果压力增加到蒸汽压以上，蒸汽气泡就会在阀门的内表面破裂并内爆，每次内爆都会破坏材料。
图片1。用于调节铝铸造模具冷却水流量的v型缺口球阀阀体因气蚀造成严重点蚀损伤，导致针孔泄漏。(图片由作者提供)如图1所示，这会导致高噪音、振动、管道应力和阀门内表面甚至下游管道的点蚀。
随着阀门压降的增加，更多的液体在收缩静脉处蒸发，空化损伤也随之增加。如果通过阀门的压降足够高，收缩静脉的流道就会被蒸汽完全占据，从而发生阻塞流。
阻塞条件下的流量达到给定入口条件下所能达到的最大流量，无论通过阀门的压降增加多少，流量都不能增加。
图片2。流量与阀门压降平方根的曲线图(图片由Crane技术文件TP-410提供)与预期业绩的偏差
当控制阀中出现气蚀时，实际流量开始偏离ISA尺寸控制阀标准S75.01 (IEC 60534-2-1等效)中提出的流量系数方程所预测的流量。这是由于在相变过程中，当液体的质量膨胀时，蒸汽气泡占据了更多的体积，从而产生了额外的流动阻力。从图2可以看出，对于给定的阀位和流量系数Cv，在初始空化开始时，阀的性能开始偏离线性关系。如果应用所需的流量或压降大于阻塞值，则无法达到所需的流量或压降，阀门将暴露在这些极端条件下。
液体压力恢复系数(FL)是控制阀的一个重要特性，它大致表明了与从入口到收缩静脉的压降相比，整个阀门发生的压降有多少。
图片3。在给定的压降下，各种类型阀门的压力分布某些类型的阀门，如球阀和蝶阀，具有0.55 ~ 0.7范围内的低FL。另一方面，截止阀具有0.85至0.9范围内的高FL。
这一重要控制阀数据是由阀门制造商测试确定的，应与其他关键阀门数据一起提供给用户。
图片4。控制阀在海拔30英尺处用一个模型来评价阻塞流
当阻塞流满足条件时，模拟系统的软件应显示警告。考虑图4中建模的管道系统。60华氏度的冷水被泵入热交换器并加热到180华氏度。流量由位于海拔30英尺处的截止阀类型的流量控制阀控制。
采用这种设计，控制阀将以750加仑/分钟(gpm)的速度在77%的开度下工作，压降约为27.7磅/平方英寸(psi)。由于工作流量和dP低于阻塞流量(813.9 gpm)和阻塞压差(dP) (32.61 psi)值，阀门不会阻塞，该系统应按设计运行。
海拔越高越容易阻塞水流
假设在购买了所有设备后，最后一刻进行了设计修改，要求热交换器和控制阀安装在海拔45英尺而不是30英尺的地方。图5显示，这种设计改变将导致控制阀处的阻塞流。是什么导致它窒息的?
由于海拔较高，控制阀的进口压力较低(根据伯努利原理将压力头转换为海拔头)。这降低了阻塞dP和阻塞流量。由于控制阀上所需的dP (27.49 psi)大于堵塞dP (27.44 psi)，因此该阀门在堵塞流量条件下可以工作在750 gpm。
图片5。这个热交换器和控制阀位于海拔45英尺处。表示阻塞流。高温增加阻塞流的易感性
为了评估流体温度对控制阀中阻塞流的影响，考虑图5中相同的系统，在较高的海拔和较高的流体温度下，阀门处阻塞流。
如果所需的流体温度是150华氏度而不是180华氏度，如图6所示，阀门将不会阻塞，并将以750 gpm的设计流量将流体输送到热水箱。为什么即使安装在较高的海拔，阀门也不会被阻塞?
图片6。较冷的水不会导致阻塞流动，即使阀门在较高的海拔。同样，通过评估上面的方程可以看到答案，但它还需要理解流体性质如何随温度变化，特别是液体的蒸汽压。图6显示，温度较低的液体具有较高的阻塞dP (29.4 psi)和较高的阻塞流量(790.4 gpm)。
由于实际dP小于阻塞dP，当150华氏度的水流过阀门时，阀门不会阻塞，但当180华氏度的水流过阀门时，阀门就会阻塞。
阀门类型影响阻塞流的敏感性
根据阀门内部流道的不同，不同类型的阀门具有不同的FL值。
图片7。为原来的系统选择了一个不同的具有较低流量的控制阀(高度较低的180℉的阀门)，结果导致阻塞流。图4中原始的无阻塞系统是基于选择一个具有较高的0.9范围内的FL的截止阀设计。如果如图7所示，选择了不同的具有较低FL(约0.83)的阀门，则系统设计软件会标记阻塞流条件。
较低的FL降低了阻塞dP和阻塞流量的值，导致阀门在设计流量下阻塞。
结论
工程师通常不会设计在阻塞流条件下运行的管道系统，但不可预见的操作条件可能会意外地在控制阀中引起阻塞流。阻塞流对阀门以及下游管道和设备极其不利，增加维护成本，并可能影响产品质量和工人安全。
对于设计工程师来说，理解阻塞流发生的原因并识别可能导致控制阀阻塞流的潜在情况是非常重要的。
高温应用，在高海拔安装阀门，以及为所需的压降选择错误的控制阀类型，这些都是使阀门更容易发生气蚀和阻塞流的情况。