1 概述
氧泵液氧调节阀在空分系统中的入口压力P1很高(因机组而异，最高可达9MPa），出口压力P2非常低，在阀腔内产生很大的压降。普通调节阀在高压下会产生强烈的气蚀，短时间内会损坏阀芯。空分系统开车时阀门无法调节，阀门无法正常关闭，导致系统控制失效。本文提出了通过工程热流分析软件提高阀门使用寿命和可靠性的方法EFD（Engineering Fluid Dynamics）数值模拟减压模型，观察其最大减压能力和流场分布特性。
2 失效原因分析
故障液氧调节阀（图1）拆卸后，发现阀杆断裂，阀芯表面腐蚀成蜂窝状。分析原因，主要是由于流体通过调节阀芯和阀座形成的节流端面，流量突然急剧增加，静压突然下降。如果节流端面后的压力突然降低到介质饱和蒸汽压以下，则会产生闪光蒸汽，并侵蚀阀门内部。当节流后的压力恢复到饱和蒸汽压以上时，空化形成的气体腐蚀具有很大的冲击力，可达数千牛顿，严重冲击和损坏阀芯、阀座和阀体。
根据实际工况分析，所选控制阀执行机构不能满足阀门行程和工艺对泄漏等级的要求。在某些情况下，应考虑适当放大实际可能的压差，即要求执行机构提供更大的力。否则，当工艺异常时，控制阀前后的实际压差较大，有关闭或打开的危险。此时，为了控制系统的运行，必须施加外力，因此阀杆在外力作用下会损坏。
3 解决方案
3.1 结构改进
液氧调节阀使用压差是避免空化的基本方法ΔP不超过最大允许压差ΔPa，如果一级压差大于最大允许压差，则不允许每级降压幅度大于最大允许压差ΔPa，为了有效减少气蚀，需要增加减压等级。基于这一原理，采用多级节流阀芯结构(图2)。ΔPa为
式中
ΔPa——最大允许压差，MPa
FL——压力恢复系数
P1-入口压力，MPa
rc——临界压力比系数
Pc——液体临界压力，MPa
PV——液体饱和蒸汽压在操作温度下，MPa
3.2 模拟和分析多级降压流场
液氧调节阀的压力等级为900Lb，多级节流等级为三级，流量为72级m3/h。模型在数值计算中进行了分析和假设。流动介质为水（表1），不能压缩。阀内水流的流动状态为湍流，采用k-计算湍流方程。气穴发生的程度和性质用气穴系数来描述。
式中
δ——气穴系数
P2-旁路阀体出口压力，MPa
为了判断液氧调节阀在液体通过后的动能转化为静压能的恢复能力，即液体产生阻塞流的临界条件，将阀芯移动到最大开度位置，并将氧泵的最大流量作为入口的边界条件。通过数值模拟进出口的压差是液氧调节阀的最大降压能力。如果计算终止，则表明三级减压结构产生汽蚀，溶解在水中的气体成为气泡沉淀。当循环能力达到最大值时，需要增加降压水平。
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由三维仿真计算得到液氧调节阀压力场云图（图3）。在第一级减压结构的最小截面处压力降到最低，经过最小截流面后，压力得到恢复，然后再经过二级及三级降压，使液氧调节阀承受的高压差逐级减小而不会发生汽蚀。通过计算得到进出口压差约为10MPa，大于实际的9MPa，因此，设计的三级减压结构可以满足工作条件的需要。云图(图)从速度分布
4)和痕迹图(图5)可以看出，介质在每级最小截面处的流量最大，然后由于形状的扩大而减小。
3.3 阀杆挠度强度
失效调节阀杆(图6)a）的许用载荷PA阀杆不能满足设计要求，因此设计为阶梯轴（图6）b）。阀杆结构尺寸L根据阀门行程确定，不得过长。阀杆结构尺寸L尽量设计长度，以提高阀杆刚度。
阀杆挠度强度包括阀杆柔度λ和材料柔度λp，阀杆的临界载荷Per和许用载荷PA等
式中
μ——压杆长度系数（μ=1）
E——材料弹性模量，MPa
σp——极限强度的材料比例，MPa
A——阀杆横截面积，mm2
N——安全系数（N=16）
4 结束语
采用多级节流串阀芯结构后，可有效避免闪蒸和气蚀对阀门的损坏。SOLIDWORKS和EFD软件计算获得了最大的减压能力和循环能力。将阀杆设计成梯形，提高了阀杆的刚度。改进后的高压差液氧调节阀控制效果好，使用寿命长。
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