1 概述
在空分系統(tǒng)中，氧泵液氧調(diào)節(jié)閥的入口壓力P1很高（因機(jī)組而異，*高可達(dá)9MPa），出口壓力P2很低，在閥腔內(nèi)產(chǎn)生很大的壓降。普通調(diào)節(jié)閥在高壓降下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣蝕，短期內(nèi)即可將閥芯損壞。導(dǎo)致空分系統(tǒng)開車時(shí)閥門不能起到調(diào)節(jié)作用，而且閥門無法正常關(guān)閉，引發(fā)系統(tǒng)的控制失效。本文提出了采用多級(jí)減壓技術(shù)提高閥門使用壽命和提高系統(tǒng)可靠性的方法，并通過工程熱流分析軟件EFD（Engineering Fluid Dynamics）對(duì)減壓模型進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察其*大減壓能力以及流場(chǎng)的分布特點(diǎn)。
2 失效原因分析
失效液氧調(diào)節(jié)閥（圖1）拆解后發(fā)現(xiàn)，其閥桿斷裂，閥芯表面被腐蝕成蜂窩狀。分析其原因，主要是流體通過調(diào)節(jié)閥閥芯與閥座形成的節(jié)流端面時(shí)，流速突然急劇增加而靜壓力驟然下降造成的。若節(jié)流端面后的壓力驟然降到介質(zhì)飽和蒸汽壓及以下，將產(chǎn)生閃蒸，對(duì)閥內(nèi)件有侵蝕作用。當(dāng)節(jié)流后的壓力又恢復(fù)到飽和蒸汽壓之上時(shí)，空化形成的氣蝕有極大的沖擊力，可高達(dá)幾千牛頓，嚴(yán)重的沖擊和破壞閥芯、閥座和閥體。
根據(jù)實(shí)際工況條件分析，其選用的控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能滿面足閥門行程和工藝對(duì)泄漏量等級(jí)的要求。在某些場(chǎng)合，應(yīng)考慮實(shí)際可能的壓差進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，即要求?zhí)行機(jī)構(gòu)能提供較大的作用力。否則，當(dāng)工藝上出現(xiàn)異常情況時(shí)，控制閥前后的實(shí)際壓差較大，會(huì)發(fā)生關(guān)不上或打不開的危險(xiǎn)。此時(shí)為了控制系統(tǒng)運(yùn)行，必須施加外力的作用，所以閥桿會(huì)在外力的作用下發(fā)生損壞。
3 解決方案
3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
避免空化產(chǎn)生的根本方法是液氧調(diào)節(jié)閥的使用壓差ΔP不超過*大允許壓差ΔPa，且不使每一級(jí)降壓幅度大于*大允許壓差，如果有一級(jí)壓差大于ΔPa，則需要增加減壓級(jí)數(shù)，這樣才能有效的減小氣蝕?；谶@一原理，采用了多級(jí)節(jié)流閥芯結(jié)構(gòu)（圖2）。其ΔPa為
式中
ΔPa——*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——操作溫度下的液體飽和蒸汽壓，MPa
3.2 多級(jí)降壓流場(chǎng)仿真與分析
液氧調(diào)節(jié)閥的壓力等級(jí)為900Lb，多級(jí)節(jié)流的級(jí)數(shù)為三級(jí)，流量為72m3/h。在數(shù)值計(jì)算中對(duì)模型做了解析假定。流動(dòng)介質(zhì)為水（表1），不可壓縮。水流在閥內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)是湍流，采用k-湍流方程進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中以氣穴系數(shù)描述氣穴發(fā)生的程度及性質(zhì)。
式中
δ——?dú)庋ㄏ禂?shù)
P2——旁路閥體出口壓力，MPa
為了判斷液氧調(diào)節(jié)閥在液體通過后動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o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(dòng)到*大開度位置，在入口處以氧泵的*大流量為邊界條件，通過數(shù)值模擬進(jìn)出口的壓差即為液氧調(diào)節(jié)閥*大降壓能力。若計(jì)算終止，說明三級(jí)減壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了汽蝕，溶解在水里的氣體成為氣泡析出，此時(shí)流通能力達(dá)到了*大值，則需要增加降壓級(jí)數(shù)。
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由三維仿真計(jì)算得到液氧調(diào)節(jié)閥壓力場(chǎng)云圖（圖3）。在**級(jí)減壓結(jié)構(gòu)的*小截面處壓力降到*低，經(jīng)過*小截流面后，壓力得到恢復(fù)，然后再經(jīng)過二級(jí)及三級(jí)降壓，使液氧調(diào)節(jié)閥承受的高壓差逐級(jí)減小而不會(huì)發(fā)生汽蝕。通過計(jì)算得到進(jìn)出口壓差約為10MPa，大于實(shí)際的9MPa，所以設(shè)計(jì)的三級(jí)減壓結(jié)構(gòu)能夠滿足工況需要。從速度分布云圖（圖
4）及跡線圖（圖5）可見，在每級(jí)*小截面處介質(zhì)的流速*大，然后由于形面的擴(kuò)大流速減小。
3.3 閥桿撓曲強(qiáng)度
通過計(jì)算，失效調(diào)節(jié)閥閥桿（圖6a）的許用載荷PA不能滿足設(shè)計(jì)要求，所以將閥桿設(shè)計(jì)成階梯軸（圖6b）。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L1根據(jù)閥門行程確定，不應(yīng)過長。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L2盡量設(shè)計(jì)長，以利于提高閥桿剛度。
閥桿撓曲強(qiáng)度計(jì)算包括閥桿柔度λ和材料柔度λp，及閥桿臨界載荷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——材料比例極限強(qiáng)度，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(jí)節(jié)流串閥芯結(jié)構(gòu)后，有效的避免了閃蒸和氣蝕對(duì)閥門的破壞。采用SOLIDWORKS和EFD軟件計(jì)算，得到了*大減壓能力及流通能力。將閥桿設(shè)計(jì)成階梯狀，提高了閥桿剛度。改進(jìn)后的高壓差液氧調(diào)節(jié)閥控制效果好，使用壽命長。
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