1.4 国内外控制阀研究现状
1.4.1 技术发展趋势
从目前国内外研究现状来看，对控制阀系统进行动态分析时，主要采用理论分析方法、数值计算方法和试验研究方法。理论分析具有普遍性，为试验研究和数值计算提供必要的理论依据；试验研究得到的结果最直观、最可靠，是理论分析和数值计算的基础；数值计算方法具有成本低及能模拟较复杂或较理想的工况等优点，它既可以拓宽试验研究的范围，又可以减少试验研究的工作量。
1.理论分析
控制阀动态特性［是指当输入信号（阀门开度）为单位阶跃响应函数时，输出信号（介质流量）的响应曲线］的研究，大多是在某个指定开度下，进行控制阀内不稳定流动的数值模拟，探寻阀内的流动特性、振动、漩涡等流场信息。很难见到关于调节阀开度变化过程中（从一个开度跳到另一个开度），其内流体流动特性的研究。另一方面，很少有人研究调节阀工作时的振动，特别是阀芯、阀体的轴向振动。
Miller用解析和试验对比的方法研究了管道和滑阀系统的振动情况。研究表明：控制阀阀芯的运动会在管道内产生声和振动并反作用到调节阀上。
Hayashi等利用理论分析的方法研究了锥阀自激振动的不稳定性、混沌及分岔现象。Ye研究了一个气动系统中，先导式两级电磁阀的主阀芯振动系统的动态响应和稳定性，仿真结果表明：在不同运行条件和参数下，系统可以表现出软、硬自激振动（周期1振动）以及周期2、周期4振动。Misra和Behdinanb从理论和试验两方面研究了控制阀自激振动产生的原因。
Naudascher研究了由结构之间的耦合（调节阀和管道）引起的自激振动，提出控制阀系统的动力学模型有三类：控制阀-液体振动模型、有弹性支承的控制阀振动模型和管道系统中的流体振动模型。并将控制阀系统的振动分为自激振动、流体诱发振动、流体共振和流体弹性激励。
Weaver分析了两个水库之间管道系统中止回阀的自激振动情况，分析中仅考虑了流体惯性的影响，而忽略了流体可压缩性的影响。
Kolkman推导并分析了闸阀的振动模型。研究表明：当阀芯运动时，有流体力作用在阀上。当产生的一部分流体力作用在阀的位移上时，就为控制阀-弹簧质量系统提供了附加刚度；当产生的一部分流体力作用在阀的速度上时，就产生了附加阻尼。阀芯运动时，有三种流体效应作用在阀芯上：当阀芯运动速度低时，有阻尼效应产生；当阀芯运动速度高时，有刚度效应产生；当阀芯在高黏度的流体中运动时，会产生黏滞力。
屠珊对汽轮机控制阀的不稳定性机理，包括由漩涡和湍流诱发的振动以及由阀箱、阀蝶和阀座结构诱发的振动进行了定性的理论分析，指出阀门的振动在很大程度是由于流动不稳定造成的。汽轮机控制阀内的流动时刻都有扰动在产生、发展或消亡，从而为流动的不稳定性提供了必要条件。
徐升茂通过对直通单座控制阀的流量特性进行分析，建立了不平衡力与阀芯位移量之间的近似关系，进而建立了控制阀的数学模型；在对模型线性化的基础上，利用李雅普诺夫函数和渐近稳定条件，给出了满足渐近稳定条件的参数范围。
朱丹书针对310MW核电汽轮机控制阀建立了其简化动态模型，并采用迭代方法求解了动态方程。
陈金娥研究了由阀门开度变化等外界条件改变引起的管道内部瞬变流动，但是仅进行了管道内部的流体分析，没有涉及阀内的流动。
施海华定性分析了先导式套筒控制阀产生流体激振的各种原因，并提出了相应的处理方法。
张玉润认为控制阀是非良好的绕流体。当湍流体通过它时，漩涡主导脱落频率与其固有频率接近并锁定发生共振，湍流体波动的压力场致使调节阀产生振动，并伴随有噪声，即流体诱发了（控制阀）振动。克服流体诱发调节阀振动的根本方法，是使漩涡主导脱落频率的形成概率以及湍流体波动所形成的压力场中各波动分量在方向和频率上一致的概率等均极低或根本不可能发生。
在石油、化工、电站等工矿企业中广泛使用管道输送流体，管道及其支架和与之相连的各种设备及装置构成了一个复杂的机械结构系统，不稳定的管流会引起管道振动。对于工程上的管道系统，其动力学分析非常复杂，不同的流体与结构物理模型的组合可派生出不同的动力学问题。对于输送流体的工业管道系统，控制系统的操作（控制系统操作控制控制阀开度的变化）会诱发水力暂态（hydraulic transient）过程，严重时会产生称作水击或水锤（waterhammer）的极端水力现象，当水击压力以波的形式在刚性管道中运动时，又称其为压力涌浪，由水力暂态诱发的管道振动在振动力学中也可以称为喘振。作为一种极端的非定常流动问题，水击产生的压力升高以波的形式在管道系统中运动，对于弱约束的管道系统，会诱发管道系统的自激振动甚至大幅振荡，振动又会引起新的水力暂态过程，造成在管道系统中，同时存在液体流动、压力振荡及管道振动等多种运动形式。这些具有不同特性的运动形式之间的耦合作用称为流固耦合。
Lamb将流固相互影响分为三种情况：①管道的运动对压力波动的影响；②管内流体对管道轴向振动的影响；③管内流体对管道径向振动的影响。
对管道系统的耦合作用可分为流固耦合、波流耦合和波波耦合三类。在管道内部，水体的压缩性在分析过程中一般可忽略，研究较多的是流固耦合作用，关于需要考虑水体压缩性的波流耦合及波波耦合的研究则很少。
输送流体管道的固有频率随着流速的提高而降低，如果流速提高到一定数值，则管道将变成不稳定的。流体会激发管道振动，管道动力学研究分为两大领域：一个是流激励引起的管道振动及稳定性，另一个是源激励引起的管道振动，可简称为流激振动与源激振动。因此，整个管道系统的稳定是很关键的，而不是仅保证控制阀本身的稳定，这就涉及管道和流体、流体和调节阀、管道和控制阀的流固耦合问题。
Walker和Phillips考虑管道中的液体压力波以及由液体与管道之间的泊松耦合所带来的管道应力波，提出了管道的四方程模型，并使用该模型计算了水箱-直管-阀门系统中，阀门端液体压力对阀门突然关闭的响应。
杨超等以铁木辛柯梁模型为基础，利用连续方程和动量方程建立了非稳定流体输送管道的耦合振动非线性偏微分方程组，这些偏微分方程通过管壁-液体接触面的力平衡、法向速度协调方程以及流体质量守恒和动量守恒而完全耦合。耦合包括管道与液体之间的摩擦耦合、系统轴向振动与横向振动之间的耦合、管道径向与轴向的泊松耦合。
杨晓东利用N阶伽辽金方法研究了两端铰支的输流管道在不同流速下固有频率的变化情况，发现当伽辽金方法截断到某一阶次时，对其相应较低阶固有频率的分析有相当好的精确性。
张立翔等将弱约束输流管道非定常流液固耦合运动按波-流-振动系统建模成由四个非线性微分方程组成的分析模型，按模态进行分解，研究系统在多种耦合状态下所具有的运动稳定特性。他们以悬臂梁管道为例分析了耦合系统奇点的属性，得到了前四阶模态运动的相图。结果表明，多种耦合条件下输流管道的稳定性变得更为复杂，各阶模态运动具有不同的稳定特性。
2.数值计算
刘刚等由控制阀阻力特性和流量特性的定义，推导出了二者之间的数值关系方程，并基于管道瞬变流理论提出了控制阀动态特性的数值分析方法，还分别对控制阀固有流量特性近似为直线和等百分比特性的平板闸阀及球阀在管路系统中的动态特性进行了数值模拟。
屠珊针对控制阀内的复杂流动，引入k-ε方程湍流模型，给出了控制方程及边界条件，并通过有限差分SIMPLEST算法求解，对汽轮机控制阀内部三维可压缩湍流流场进行了数值模拟，计算流场结果与试验数据吻合良好，表明其数值模拟能够反映阀门内部的真实流动。通过分析各种工况下阀内的流动特性，并与试验结果相互印证，探讨和解释了流动引起的调节阀不稳定现象。
一般来说，控制阀动态问题的研究基本都是在给定开度条件下进行的，没有涉及开度调节变化过程对控制阀振动的影响。马玉山和相海军利用ANSYS软件建立了可变压差下，自动控制阀阀门内部的流场模型以及阀芯模型，对流场和阀芯进行了耦合力学分析，用任意拉格朗日-欧拉（ALE）有限元计算方法分析了流场。在阀芯和流场有大位移运动的共同边界采用流固耦合约束，并在计算中采用预测-多步校正算法，避免了反复迭代所导致的过大计算量。通过理论研究和试验发现，当由气动执行机构控制的调节阀开度改变时，阀芯有一个振动的过程，且阀芯的振动是一种有规律的衰减振动。
李广望、陈文曲对基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述的不可压缩流体的N-S方程进行数值求解，通过分别模拟单柱体及双柱体与流体之间的非线性耦合作用，成功地捕捉到“锁定”“拍”和“相位开关”等涡致振动现象。任安禄用推广的ALE分块耦合方法，结合标准k-ε湍流模型及RNGk-ε湍流模型，进行了二维圆柱绕流湍流涡致振动数值模拟。
郭正等采用非结构网格有限体积格式求解三维欧拉流体控制方程，采用纽马克方法求解拉格朗日固体运动方程，计算模拟了安溢活门/气罐系统开阀和关阀过程中弹性元件的动态响应特性。
徐枫等利用计算流体动力学（CFD）方法数值模拟了当Re=200时，不同截面形状弹性支承柱体的流致振动现象。将柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统。柱体周围流场采用Fluent求解，将纽马克-β法代码写入用户自定义函数（UDF）求解振动方程，柱体与流场间的非线性耦合作用通过动网格技术来实现。
陶正良、徐克鹏、王冬梅从寻求流体激发振动机理和改进流场分布的角度，用试验与数值计算相结合的手段，分别研究了电站、汽轮机控制阀的内部流场。
对于流固动力耦合系统的求解，比较简单的问题可以采用解析法和半解析法，而具有复杂边界条件的实际工程问题，则很难给出其解析解。毛庆等根据孔板诱发流体脉动压力的试验测量结果，利用ANSYS软件的随机振动分析功能对孔板扰流诱发的管道振动响应进行了计算，分析了脉动压力的相关性对管道振动响应的影响。罗宏瀚利用ANSYS软件建立了波纹管-流体耦合系统的模型，探讨分析了流致波纹管振动的机理，提出了抑制流致波纹管振动的可行办法。冯卫民等建立了直管压力管道流固耦合的有限元数学模型，运用有限元软件ADINA模拟了阀门开关引起的过渡过程，对直管压力管道在不同约束条件下的流固耦合现象进行了数值模拟计算，并进行了模态分析。杨超等采用14-方程模型和特征线法对输液管道流固耦合振动问题进行了数值分析研究，并对传统特征线法进行了改进。李松利用ANSYS/LS-DYNA程序，对该管道系统在水锤冲击力作用下，在空气和水中的响应情况进行了数值模拟。徐合力针对一段两端约束弯曲输流管道建立了流体动力学模型及固体运动模型，利用ANSYS软件对该管道系统的流固耦合振动特性及弯管内的流体流动特性进行了模拟计算和分析。
Palau-Salvador用CFD（computational fluid dynamics）软件FLUENT建立了滑阀的三维几何模型，研究了精确模型对阀内的流型和气穴形成等引发振动因素的影响。
为了研究蒸汽控制阀的不稳定导致电站管道系统偶然经历的大幅振动，Morita等对蒸汽阀进行了详细的试验和CFD计算，结果表明，在半开度条件下，在阀内产生了复杂的三维流结构，导致阀体的某一部分形成高压区。
石娟等运用CFD对控制阀的定常流与非定常流水力特性进行了数值模拟。定常流模拟得到了在各种开度下的三维流场分布以及压降与流量的特性曲线，特性曲线与试验结果相吻合。非定常流计算模拟了阀门在开启和关闭过程中流动特性的变化，得到了流量和阀芯轴向力随时间变化的曲线，并对启闭速度的影响进行了分析。
刘华坪等基于FLUENT软件提供的计算方法和物理模型，利用动网格及UDF（用户自定义函数）技术，对管路系统中常见的四种阀门的流动进行了动态数值模拟。该数值模拟方法打破了以往静态研究的局限，更真实地模拟了阀门开关动态过程中的流动状态和阀体受力情况。动态仿真结果表明：随着阀门开度减小，流场变得复杂，出现复杂涡系，损失增加，同时阀门受力变化较大，会导致冲击与振动，对阀体工作精度与结构强度都非常不利；阀门开启过程与关闭过程并非简单的反过程，尤其是对于球阀，启闭过程中其流场特性与受力特点差别很大。
李哲等建立了固体燃气发生器控制阀内流场三维模型，采用动态网格技术，在控制阀不同入口压力和弹性元件的情况下，模拟阀芯移动过程中的瞬态流场，并分析了不同条件下阀芯运动的动态特性。研究表明：阀芯的周期性振动导致流场以相同频率变化，较高入口压力和较小弹性系数能使阀门较快地稳定，但会导致流量、阀芯位移等物理量峰值增大。
袁新明等用孔隙率定义流场空间，并采用二维k-ε湍流模式和有限体积法对WCB型阀门阀道流场进行了模拟。通过阀门阀道的体型优化，寻求到阻力系数和过水断面较小、合理的阀道体型。
沈新荣等针对一种安装配流板的新型调节蝶阀产品模型，采用RNGk-ε三维湍流模型和非结构化网格的SIMPLE方法，对阀门在各个开度下的内流进行了详细的数值模拟。计算和试验研究结果表明：利用CFD对阀门模型进行数值模拟是可行的。
3.试验研究
控制阀动态试验研究存在着两个问题：①阀门内部流动异常复杂，由于采用安装压力测点、流场显形等研究手段需要改变部分流场形状，因此使用时会造成流场失真；②由于试验经费的限制，不可能进行所有工况下的试验。
屠珊等采用将多个微型动态压力传感器直接插入真实阀体内部各关键部位进行全工况范围测量的方法，进行了三种具有不同固有频率的阀杆-阀碟系统的控制阀动态压力测试，获得了多种工况的动态压力参数和气流的压力脉动特性。测试分析结果表明：控制阀是否处于不稳定工作状态（即阀杆振动工况）取决于脉动压力与阀杆固有频率是否同频，并非由其脉动压力值大小决定；调整阀杆固有频率是消除调节阀振动最简便和有效的方法。
马玉山和相海军利用信号采集系统同步采集控制阀气室压力信号、阀芯接触面上的流体压力信号及阀杆上的加速度信号，并对不同工况下在控制阀定开度和变开度过程中采集的信号分别进行时域和频域分析。测试分析结果表明：定开度过程中的振动特征是压差大的时候振动激烈，高频成分多；压差小的时候振动平缓，低频成分多。定开度振动相对变开度振动频率成分更规律，定开度压差是大范围变化，振动持续时间短，而且有起振和停止振动的过程；变开度压差变化范围小，无间断振动。
Chern从研究导致控制阀振动的流动模式和气穴的角度，通过试验对球阀内部流场进行了可视化观测，分析了球阀性能与流动模式的相关性。
Habing提出了一种证实在非定常流下，传统压气机气门（阀）振动理论的试验方法，传统理论模型包括单自由度的阀板振动系统和准稳态气动力，扩展模型考虑了流体惯性和阀板速度的作用。
Morita和Inada用CFD计算和试验的方法分析了蒸汽控制阀管道在调节阀半开度下振动的原因，进行了控制阀在弱约束条件下的流体诱发振动试验研究，分析了振动模型在半开度情况下的特点。
Bagchi等通过试验研究了通气金属管道振动对压力场和流速的作用。结果表明：非振动管道中压力振荡的频率与管道固有结构模态一致；如果管道受到强迫周期激励，则管道中的气体压力将产生与管道振动具有谐波关系的时空振荡。
综上所述，尽管已对过程控制控制阀的动态问题开展了一些理论和试验研究，取得了一些重要而宝贵的研究成果，但由于问题本身的研究难度很大，且研究手段和方法满足不了研究的需要，因而有关该领域的研究文献相对较少，研究的系统性和深入性显得相对薄弱，特别是对控制阀变开度过程中以及控制阀与管道耦合系统中的动态问题几乎尚未涉及。到目前为止，人们还未从理论和实践上完全掌握控制阀系统的动态特性和规律。
1.4.2 关键技术
1.高温、高压差下控制阀内流体相变控制与能量耗散机理
研究内容：揭示高温、高压差下控制阀内流体相变控制与能量耗散机理，进行高温高压流体的多级流阻和介质对冲能量耗散复合降压机理研究，开展高温、高压差条件下控制阀流场仿真与试验、控制阀控压机理与控制阀振动及噪声分析研究，突破超临界状态下的高精度多相瞬态流场流固耦合仿真技术。
（1）高温、高压差条件下复杂流道多介质流场特性仿真研究 建立控制阀内复杂流道及流体介质对冲结构的气-液-固多相耦合精确仿真模型，进行控制阀全流场内区域细化分块，完成基于网格预变形、动网格技术的网格划分与划分区域的边界条件设置，编写基于OpenFOAM的多相流求解器，并在Fluent中通过UDF编译接口调用求解器来完成有限元计算。对高温、高压下的控制阀进行多相流的瞬态流场仿真，定性分析不同介质流态与能量损耗及降压控制之间的关系，结合试验结果修正LES湍流模型和气-液-固多相耦合模型，利用Fluent和OpenFOAM联合仿真技术量化研究多级流阻降压控速规律。搭建控制阀试验系统，采用示踪粒子图像测速法（PIV）实时观测记录流体在阀内复杂流道里的流动状态，同时在阀内流道上布置高性能压力传感器组及温度传感器组，实时采集阀内流体的压力及温度值，来获得瞬态压力场及温度场的分布，以验证仿真结果的准确性，最终获得高精度多相瞬态流场流固耦合仿真技术，揭示高温、高压差条件下流体控制阀的多级流阻和介质对冲能量耗散复合降压原理与流动耗散机理。
（2）高温、高压差条件下控制阀控压机理研究 研究高温、高压差流体在不同复杂流道中的流动特性及压力损耗机制，分析流道形状结构参数与流体压降及流速的关系，获得不同控压特性的复杂流道参数和级间结构设计方法及具有均匀控压特性的复杂流道级间结构参数；研究多级流阻复杂流道与介质对冲能量耗散的复合降压流动特性，分析两种结构流动的相互作用机理，建立不同组合结构和组合级数下复合降压结构的降压控速模型，获得降压与控速相结合的多级流阻和介质对冲组合结构设计方法及相应结构参数。
（3）高温、高压差条件下控制阀振动及噪声分析研究 构建控制阀门结构的系统模型、流体模型，分析脉动力信号频谱/时频、控制阀的模态，获得该系统的固有频率、激振的频率特性、模态振型。对阀门结构系统进行振动响应仿真，获得振动响应频率及其演变特性，研究阀门结构参数对控制阀振动特性的作用机理。通过相干分析，获得脉动力、阀芯与阀座接触碰撞等振源与振动响应的关联性，研究控制阀在大流量、高压差条件下的振动规律。搭建高温、高压差条件下控制阀振动及噪声试验测试系统，通过试验研究不同工况下控制阀噪声的频率特性、传播特性等，分析控制阀振动对控制阀噪声的影响规律，研究控制阀在不同工况下的噪声特性。
2.基于失效模式预测并校核控制阀可靠性技术
针对流程工业多场耦合复杂工况条件下特种控制阀关键部件易失效或性能劣化的主要问题，如何确定特种控制阀的节流元件、密封面等核心部件的腐蚀-汽蚀-高速冲蚀联合耦合失效行为与机理是本课题要解决的关键科学问题。通过理论分析、数值模拟及试验研究，构建节流元件及密封面的高速冲蚀特性数据库，形成基于多场耦合分析的节流元件高速冲蚀失效表征预测方法；构建基于高温、高压差、腐蚀耦合工况的波纹管动态模拟模型，建立波纹管阀杆腐蚀-疲劳失效的预测方法；构建基于多因素综合分析的填料密封性能试验平台，建立低泄漏填料密封系统失效的预测方法；基于关键部件的失效风险，建立特种控制阀复杂失效模式的综合评价体系，并提出性能劣化的防控策略。
（1）多场耦合条件下高性能控制阀节流元件失效机理及预测 研究典型工况下高温、高压差控制阀内的流体动力学特性，分析局部冲蚀高风险区域与密封面失效位置的对应关系，确定冲蚀风险区域与几何结构、多相流、温度、压力等参数之间的关系，建立高风险区域量化表征方法；研究不同介质浓度、材质、结构对高压差冲蚀特性的影响规律，构建多相流冲蚀试验数据库，建立冲蚀失效预测模型。
（2）高性能控制阀波纹管密封失效机理及预测 研究高性能控制阀波纹管的失效机理，给出预测方案；应用水压强度检验装置对波纹管组件进行强度试验，并进行性能评价；应用氦质谱检漏仪对波纹管组件进行密封性检验，并进行性能评价；应用液压伺服疲劳试验机进行波纹管疲劳寿命试验。
（3）高性能控制阀低泄漏填料系统失效机理及预测 研究不同材质、组合方式匹配的填料系统密封失效机理；研究阀杆加工质量、润滑方式、填料预加载荷的相互影响规律；研究介质在温度、压力等条件下不同填料结构方案的性能表征；建立失效预测模型，研制阀门阀杆低泄漏填料密封性能测试试验装置。
（4）基于失效风险的高性能控制阀性能劣化防控技术 分析高性能控制阀关键零部件失效风险的演化进程，研究各风险因素对控制阀性能劣化的贡献，针对阀内件、波纹管及阀杆填料系统等的失效风险提出材料表面强化、结构优化或重构、密封性能优化等风险防控技术。
3.大通量、高精度、高可调比、低振动特种控制阀整体构造设计
针对高温、高压差、大流量工况，提出高性能特种控制阀的总体构造方案，研制控制阀的控压件，攻克高温、高压差、大流量阀内件的关键设计技术，完成高性能控制阀的整机设计并分析动态特性，形成具有自主知识产权的系列化特种控制阀设计体系。
依照流体流场分析，设计出合理的流道，在获得大流通能力的同时克服流体激振，同时开展控压件关键部件设计、高精度控制系统动态特性与高性能特种控制阀整机系列化设计研究，减小流阻，提高阀门的流通能力，攻克大通量、高精度、高可调比、低振动特种控制阀整体构造设计与长寿命特种控制阀多级减压结构设计关键技术。
4.长寿命特种控制阀多级减压结构设计
按照ISA-12将液体流速控制在23m/s的设计控制原则，首先针对高性能特种阀具有的多级、多转角空间拓扑流道的控压结构展开设计工作，分别以多级轴向串式凹口阀芯、WZTP迷宫块和空间转角蚁穴式降压结构为例进行CFD建模和结构优化；按照模拟噪声控制理论，设计布局流道及降噪结构，拟进行全系列不同压差下的标准化、参数化设计。
（1）多级轴向串式凹口阀芯的阻力特性及优化设计 综合考虑壁面摩擦因子、入口流速和入口损失系数的影响，基于收缩和膨胀耗能的原理，提出多级轴向串式凹口阀芯结构，分析流道内部流动能量分布规律，提出阀芯上凹口优化分布设计方法；进行超声波振动空蚀试验，研究金属材料和涂层材料的抗空蚀性能，分析材料硬度、抗疲劳性能等对其抗空蚀性能的影响，比较各影响因素所占的比重，指导样机试制中涂层材料的选择和制备，提高多级轴向串式凹口阀芯结构的设计寿命。
（2）WZTP迷宫块空间拓扑流道的流动分析及优化设计 提出逐级降压、多级渐扩的WZTP迷宫块流阻结构，开展迷宫块内大动能流体流场的数值分析，研究不同转角排布、不同扩张角度下的阻力特性，分析迷宫块内的压力分布特性，通过优化流道来减弱空化及汽蚀现象，提高迷宫块寿命；研究迷宫块底部的节流环槽对介质流动状态的影响，分析不同环槽结构参数下的流场分布，采用线性规划理论进行多参数优化，提升防堵与抗冲蚀性能。
（3）空间转角蚁穴式降压元件的空间拓扑流道的优化设计 提出采用空间转角蚁穴式结构的降压元件，建立数值仿真模型，并通过采集阀门前后的压力和流速等数据进行对比验证，分析空间拓扑流道处的介质流速和压力分布，重点研究开孔孔径、开孔率、孔的空间分布结构以及对流角度等关键参数对高性能特种阀的流通能力、控压能力和耗能降压能力的影响，建立空间转角蚁穴式降压元件的设计准则；针对不同入口流速对阀门进行压力场分析，研究空化与汽蚀发生情况，指导空间转角蚁穴式降压元件的结构优化，提高阀门的防堵、降噪与降压能力。
5.CL2500高承压铸件制造技术
根据承压2500lb（1lb=0.454kg）的DN350～500系列大型控制阀阀体结构尺寸与性能设计参数，开展铬钼低合金耐热钢铸件精确成形技术优化研究，采用新型发热保温冒口，实现铸件局部的定向、定时补缩，保证铸件整体的顺序凝固；针对铬钼钢钢液流动性差、阀体型腔结构复杂等问题，开展铸件充型凝固过程以及温度场、应力场分布特性模拟仿真研究；开展铸模结构与矩阵式分布底注浇注系统研究，引入“矩阵”设计思路，控制钢液进入砂型的速度、流量、充型时间、充型位置等参数，实现钢液平稳流动，达到在砂型中平稳上升的工艺目的，优化矩阵两列入流口分布比例，实现对钢液底部充型流动的定向控制。
针对因整芯填砂困难、砂芯的紧实度差而导致的阀体型腔变形难以控制的问题，开展整体型芯精确成形制造技术研究，改变传统的制芯方式，通过芯盒模具活块的有效排列组合，实现直动式调节阀阀体的整体型芯制造，解决传统分体式型芯尺寸精度低的制造难题；针对CL2500大口径阀体壁厚大（大于100mm），热容量大，铸件内腔散热差，容易形成热粘砂的问题，合理选择高蓄热、高熔点的砂芯材料及配合涂料并进行工艺性能对比，同时增加砂芯涂层厚度，提高砂芯的抗粘砂性能；针对CL2500铬钼钢阀体铸造时易产生裂纹的问题，通过降低钢液中S、P、H等不利元素的含量，并在造型过程中增强砂芯的高温退让性，来优化组织形式；控制清砂温度，优化切割浇冒口等后处理工艺，采用保温棉对铸件进行保温，避免铸件冷却速度过快，以控制铸造过程中铬钼钢的二次相变，从而有效降低铸件形成裂纹的倾向；完善控制阀阀体铸件缺陷检测、主动防控与补焊修复技术，完成阀体整体耐压强度试验。
6.高性能控制阀关键部件材料处理技术
流动介质冲蚀与腐蚀联合作用下的材料表面损伤是控制阀内件重要的失效形式。控制阀内流体呈湍流流态，流体在阀体内相互剪切、碰撞，形成不规则湍流涡旋。固体颗粒在做直线运动的同时还存在旋转运动，其实际运动方向存在极大的不确定性，冲击角在0°～90°之间随机变化。传统的耐蚀性良好的陶瓷、金属-陶瓷硬质涂层韧性差，在大冲击角下，其抗冲蚀性能严重下降。
高性能控制阀关键部件材料处理技术的研究，是针对轴向凹口结构、空间转角蚁穴结构等关键降压元件在冲蚀、腐蚀等联合作用下的表面损伤失效问题，开展新型感应渗硼处理技术、金属-陶瓷连续渐变式结构多功能一体化防护涂层技术、内孔原子层（ALD）沉积防护技术等新型表面强化防护技术研究；以及开展涂层成分与制备工艺优化、涂层结构与性能精确控制研究。
（1）轴向凹口结构阀芯新型感应渗硼处理技术 针对轴向凹口结构H13（4Cr5MoSiV1）空淬硬化热作模具钢，开展新型感应渗硼处理技术研究，以提高渗硼件的表面清洁性；优化稀土助渗复合渗硼剂，利用致密硼化二铁形成嵌入式锯齿状结构来增强涂层/基体结合强度。
（2）预启式阀芯金属-陶瓷连续渐变式结构多功能一体化防护涂层技术 针对A182-F11铬钼钢预启式阀芯表面强化要求，开展超音速高能等离子喷涂“同步异位双送粉”技术、沉积金属-陶瓷连续渐变式结构多功能一体化防护涂层技术的优化研究；将陶瓷材料的高硬度、低热导率、高耐蚀性与金属材料的高韧性相配合，在利用连续渐变式结构来缓解金属与陶瓷材料之间热失配的同时，实现最佳的强-韧-耐蚀性配合，形成控制阀内件表面专用化新型防护技术；针对高温、高压差工况，开展涂层后热处理技术研究，研究后热处理工艺对涂层/基体结合强度、涂层抗冲蚀性能的影响，从而优化涂层结构。
（3）空间转角蚁穴结构降压元件内外表面原子层沉积防护技术 开展转角蚁穴结构降压元件内外表面原子层沉积（ALD）防护技术研究，解决传统技术无法在复杂型腔降压元件内外表面同时镀膜或沉积涂层的技术难题；开展ALD多层Al2O3/TiO2纳米调质结构优化研究，通过气路脉冲式调节，精确控制前驱体之间的反应顺序与时间，交替通入反应器的前驱体在基体表面发生化学吸附与气相反应，在形成具有冶金结合特性的多层纳米调质结构以提高Al2O3/TiO2陶瓷涂层抗冲蚀性能的同时，对基体进行有效的热防护，使降压元件在高温、高压差、高流速等极端工况下仍能稳定工作。
7.高性能控制阀密封可靠性与结构完整性技术
通过优化删选，对密封垫的失效方式、填料结构及材料选择进行工装模拟下的性能验证，针对波纹管的可能失效形式，进行承压、寿命、刚度等特性的功能性验证，然后基于液氮气化的超高压差、大流量工况模拟试验方法，搭建模拟实际运行工况样机性能综合试验测试平台，进行特种控制阀模拟工况的试验验证；分别在煤化工蒸汽放空、石化高压加氢装置、核电等领域开展示范应用，验证密封可靠性与结构完整性技术。
（1）高参数可靠密封结构及特性研究 设计在高温条件下操作灵活、摩擦力小、密封可靠的新型金属密封结构，提出预负载楔形结构，以实现阀芯的自密封；建立密封结构的有限元模型，对比分析在不同空化数、冲角和流速的冲击载荷作用下，密封面承受空化载荷冲击和抗磨损的能力，为金属密封材料副的选择和工艺设计提供理论指导；针对核电领域的高密封性要求，进行高温高压金属波纹管的结构设计，应用Marc、Fatigue等软件分析波纹管的极限承压能力及复杂工况下的疲劳寿命，以改善产品性能；应用ModelCenter软件进行波纹管结构优化设计，保证波纹管在200℃、32MPa的苛刻工况下具有可靠的密封性。
（2）高性能控制阀波纹管密封失效机理及预测 研究高性能控制阀波纹管的失效机理，给出预测方案；应用水压强度检验装置对波纹管组件进行强度试验，并进行性能评价；应用氦质谱检漏仪对波纹管组件进行密封性检验，并进行性能评价；应用液压伺服疲劳试验机进行波纹管疲劳寿命试验。
（3）特种控制阀材料选择与结构安全性研究 本课题以碳素钢、不锈钢、铬钼钢等为备选方案，考虑材料的比强度、比刚度、制造工艺要求、耐蚀性、与材料相适应的结构形式、经济性等特点，开展控制阀材料选型论证，确定控制阀的结构形式和关键参数；基于多种耐压阀门设计理论和相关经验公式，集合国内外控制阀规范等相关要求，定量分析阀门的屈服强度、结构稳定性和结构极限承载能力；开展结构安全性分析，计及特种阀的初始制造缺陷（如整体几何偏差、局部尺寸偏差、厚度不均匀性等因素），结合有限元软件分析验证在复杂工况下特种阀的结构安全性；开展阀门耐压试验研究，综合考虑GB/T 4213—2008、IEC 60534—4（GB/T 17213.4—2015）和ASME B16.34的试验要求，对阀门结构强度进行验证，确保结构具有足够的强度储备。
（4）模拟实际运行工况样机性能综合试验平台的搭建 基于液氮气化的超高压差（32MPa）、大流量工况模拟试验方法，搭建超高压差试验测试平台，验证石化领域、核电领域超高压差工况下降压元件的性能，对高压差条件下的流体激振机理进行验证。
平台参数：介质为氮气，温度150℃，压力35MPa，最大出口流量3m3/h（测试点压力32MPa）。
（5）模拟煤化工、石化及核电工业装置平台的运行及评估 针对石化典型工况下热高压分离器液位调节阀的介质中含有固体颗粒的问题，采用高压差试验装置增加固体颗粒的改造方案，完成高压差下含固体颗粒介质对阀内件的冲刷模拟试验；完成阀口小开度情况下调节性能、振动、堵塞等特性的工厂试验验证的策划与模拟。
平台参数：高压气泵压力为20MPa，流量为1.5～10m3/min，供粉系统中粉颗粒大小为0.05~4mm，携粉率体积比为15%。
（6）构建基于多因素综合分析的填料密封性能试验平台 建立低泄漏填料密封系统失效的预测方法，所需设备包括高温试验箱（600℃）、高压试验箱（63MPa）、试验介质（惰性气体）、泄漏检测仪、典型执行机构、典型密封机构、典型失效预警设备。