1 概述
   氧泵液氧調(diào)節(jié)閥在空分系統(tǒng)中的入口壓力P1很高(因機組而異，最高可達9MPa），出口壓力P2非常低，在閥腔內(nèi)產(chǎn)生很大的壓降。普通調(diào)節(jié)閥在高壓下會產(chǎn)生強烈的氣蝕，短時間內(nèi)會損壞閥芯。空分系統(tǒng)開車時閥門無法調(diào)節(jié)，閥門無法正常關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)控制失效。本文提出了通過工程熱流分析軟件提高閥門使用壽命和可靠性的方法EFD（Engineering Fluid Dynamics）數(shù)值模擬減壓模型，觀察其最大減壓能力和流場分布特性。
   2 失效原因分析
   故障液氧調(diào)節(jié)閥（圖1）拆卸后，發(fā)現(xiàn)閥桿斷裂，閥芯表面腐蝕成蜂窩狀。分析原因，主要是由于流體通過調(diào)節(jié)閥芯和閥座形成的節(jié)流端面，流量突然急劇增加，靜壓突然下降。如果節(jié)流端面后的壓力突然降低到介質(zhì)飽和蒸汽壓以下，則會產(chǎn)生閃光蒸汽，并侵蝕閥門內(nèi)部。當(dāng)節(jié)流后的壓力恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上時，空化形成的氣體腐蝕具有很大的沖擊力，可達數(shù)千牛頓，嚴重沖擊和損壞閥芯、閥座和閥體。

   根據(jù)實際工況分析，所選控制閥執(zhí)行機構(gòu)不能滿足閥門行程和工藝對泄漏等級的要求。在某些情況下，應(yīng)考慮適當(dāng)放大實際可能的壓差，即要求執(zhí)行機構(gòu)提供更大的力。否則，當(dāng)工藝異常時，控制閥前后的實際壓差較大，有關(guān)閉或打開的危險。此時，為了控制系統(tǒng)的運行，必須施加外力，因此閥桿在外力作用下會損壞。
   3 解決方案
   3.1 結(jié)構(gòu)改進
   液氧調(diào)節(jié)閥使用壓差是避免空化的基本方法ΔP不超過最大允許壓差ΔPa，如果一級壓差大于最大允許壓差，則不允許每級降壓幅度大于最大允許壓差ΔPa，為了有效減少氣蝕，需要增加減壓等級?；谶@一原理，采用多級節(jié)流閥芯結(jié)構(gòu)(圖2)。ΔPa為
   式中
   ΔPa——最大允許壓差，MPa
   FL——壓力恢復(fù)系數(shù)
   P1-入口壓力，MPa
   rc——臨界壓力比系數(shù)

   Pc——液體臨界壓力，MPa
   PV——液體飽和蒸汽壓在操作溫度下，MPa

   3.2 模擬和分析多級降壓流場
   液氧調(diào)節(jié)閥的壓力等級為900Lb，多級節(jié)流等級為三級，流量為72級m3/h。模型在數(shù)值計算中進行了分析和假設(shè)。流動介質(zhì)為水（表1），不能壓縮。閥內(nèi)水流的流動狀態(tài)為湍流，采用k-計算湍流方程。氣穴發(fā)生的程度和性質(zhì)用氣穴系數(shù)來描述。
   式中
   δ——氣穴系數(shù)
   P2-旁路閥體出口壓力，MPa
   為了判斷液氧調(diào)節(jié)閥在液體通過后的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能的恢復(fù)能力，即液體產(chǎn)生阻塞流的臨界條件，將閥芯移動到最大開度位置，并將氧泵的最大流量作為入口的邊界條件。通過數(shù)值模擬進出口的壓差是液氧調(diào)節(jié)閥的最大降壓能力。如果計算終止，則表明三級減壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生汽蝕，溶解在水中的氣體成為氣泡沉淀。當(dāng)循環(huán)能力達到最大值時，需要增加降壓水平。

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   由三維仿真計算得到液氧調(diào)節(jié)閥壓力場云圖（圖3）。在第一級減壓結(jié)構(gòu)的最小截面處壓力降到最低，經(jīng)過最小截流面后，壓力得到恢復(fù)，然后再經(jīng)過二級及三級降壓，使液氧調(diào)節(jié)閥承受的高壓差逐級減小而不會發(fā)生汽蝕。通過計算得到進出口壓差約為10MPa，大于實際的9MPa，因此，設(shè)計的三級減壓結(jié)構(gòu)可以滿足工作條件的需要。云圖(圖)從速度分布
4)和痕跡圖(圖5)可以看出，介質(zhì)在每級最小截面處的流量最大，然后由于形狀的擴大而減小。

   3.3 閥桿撓度強度
   失效調(diào)節(jié)閥桿(圖6)a）的許用載荷PA閥桿不能滿足設(shè)計要求，因此設(shè)計為階梯軸（圖6）b）。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L根據(jù)閥門行程確定，不得過長。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L盡量設(shè)計長度，以提高閥桿剛度。
   閥桿撓度強度包括閥桿柔度λ和材料柔度λp，閥桿的臨界載荷Per和許用載荷PA等

   
   式中
   μ——壓桿長度系數(shù)（μ=1）
   E——材料彈性模量，MPa
   σp——極限強度的材料比例，MPa
   A——閥桿橫截面積，mm2
   N——安全系數(shù)（N=16）
   4 結(jié)束語
   采用多級節(jié)流串閥芯結(jié)構(gòu)后，可有效避免閃蒸和氣蝕對閥門的損壞。SOLIDWORKS和EFD軟件計算獲得了最大的減壓能力和循環(huán)能力。將閥桿設(shè)計成梯形，提高了閥桿的剛度。改進后的高壓差液氧調(diào)節(jié)閥控制效果好，使用壽命長。