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1、阀门计算选型与维护 济南润保阀门科技有限公司2013年10月 导语 在现代化装置的自动化控制当中 调节阀起着十分重要的作用 这些装置的生产取决于流动着的液体和气体的控制 无论是流量 温度 压力 液面的调节都是靠最终的控制元件去完成 作为最终控制元件 调节阀可以认为是自动控制的 手脚 调节阀的类型和结构型式繁多 在自动化生产中往往因各种各样的原因出现多种故障 而每一种故障的出现都会产生不同的后果 影响装置的正常运行 还可能造成不可挽回的损失 调节阀又称控制阀 它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置 调节阀由执行机构和阀组成 执行机构起推动作用 而阀起调节流量的作用 调节阀是执行器的主要
2、类型 执行机构是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内节流件的位置 信号或驱动力可以为气动 电动 液动或这三者的任意组合 阀是调节阀的调节部分 它与介质直接接触 在执行机构的推动下 改变阀芯与阀座之间的流通面积 从而达到调节流量的目的 右图是一个典型的热交换器自动调节系统图 从图中可以看出 调节阀的信号来自于调节器 根据信号的变化直接改变被调介质 蒸汽 的流量 即改变输入到热交换器的热量 使出口热水的温度保持在给定的温度值 这种典型的自动化控制系统主要有三个环节 检测 温度变送器 控制 调节器 执行 调节阀 三大部分 概论 阀门 自动阀 驱动阀 自力式阀止回阀 手动阀气动阀电动阀液动阀电液动阀
3、管道阀门的分类 控制阀 气动调节阀 附件 阀 电动调节阀 附件 气动执行机构 电动执行机构 阀门定位器阀位传送器电气转换器手动机构三断保护 薄膜执行机构 活塞执行机构 长行程执行机构 滚动膜片执行机构 比例式两位式 直装式侧装式 正作用反作用 角行程直行程 按调节型式 按移动型式 按阀芯型式 按流量特性 按阀盖型式 调节型切断型调节切断型 直行程角行程 直线特性等百分比抛物线快开 普通型散 吸 热型长颈型波纹管密封型 平板型柱塞型套筒型多级降压型偏转型蝶型球型 1 气动薄膜执行机构气动薄膜执行机构分正作用和反作用两种形式 信号压力一般是20 100KPa 气源压力的最大值为500KPa 当执行
4、机构信号压力增加时 推杆向下动作的叫正作用执行机构 当信号压力增加时 推杆向上动作的叫反作用执行机构 这种执行机构的输出特性是比例式的 即输出位移与输入的气压信号成比例关系 信号压力越大 在薄膜上产生的推力就越大 则与它平衡的弹簧反力也越大 即推杆的位移量越大 推杆的位移就是执行机构的直线输出位移 也称为行程 执行机构 2 气动活塞式执行机构双作用气动活塞式执行机构 它的活塞随气缸两侧的压差而移动 气动活塞式执行机构的气缸允许操作压力可达700KPa 因为双作用气动活塞式执行机构不用克服弹簧的回复力 所以有很大的输出推力 特别适用于高静压 高压差的工艺条件 它的输出特性有比例式及两位式两种 所
5、谓比例式是指输入的信号压力与推杆的行程成比例关系 这时它必须带有阀门定位器 而两位式是根据输入执行机构两侧的操作压力差来完成的 3 滚动膜片式执行机构所谓滚动膜片式执行机构是当执行机构通入信号压力时 滚动膜片随压力的变化而产生位移 使活塞和推杆一起作往复运动 这种执行机构兼有薄膜执行机构和活塞式执行机构的优点 与薄膜执行机构相比 膜片有效面积相同时有更大的行程 若与活塞式执行机构相比 有摩擦力小 密封性好的优点 其主要用于偏心旋转阀 4 侧装式气动执行机构所谓气动侧装式执行机构也称为增力型执行机构 它的结构特点在于把执行机构的薄膜式膜头装在支架的侧面 采用杠杆传动把力矩放大 扩大执行机构的输出
6、力 5 轻型气动执行机构轻型气动执行机构也称为精小型气动执行机构 具有重量轻 高度小 结构紧凑 装校简便 动作可靠 输出力大 节约能源等特点 与薄膜执行机构相比 高度减少30 重量也减轻30 轻型气动多弹簧薄膜执行机构按作用方式也可以分正作用式和反作用式两种 在组成调节阀之后 按照开关方式则分为气关式和气开式两种 具有直行程与角行程两种结构形式 1 直通单座阀直通单座阀是由阀盖 阀体 阀座 阀芯 阀杆 填料和压板等零部件组成的 这种阀门的阀体内只有一个阀芯和阀座 特点是泄漏量小 易于保证关闭 甚至完全切断 它的另一个特点是介质对阀芯推力大 即不平衡力大 特别是在高压差 大口径时更为严重 所以仅
7、适用于低压差场合 否则应该适当选用推力大的执行机构或配以阀门定位器 阀体部分 2 直通双座阀直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座 它比同口径的单座阀能流过更多的介质 流通能力约大20 25 流体作用在上 下阀芯上的不平衡力可以互相抵消 所以不平衡力小 允许压差大 但因为上 下阀芯不容易保证同时关闭 所以泄漏量较大 另外 阀体的流路较复杂 在高压差流体中使用时 对阀体的冲刷及气蚀损坏较严重 不适用于高粘度介质和含纤维介质的调节 3 角型阀阀体为直角形结构 它流路简单 阻力小 适用于高压差 高粘度 含有悬浮物和颗粒状物质流体的调节 可以避免结焦 堵塞 也便于自净和清洗 角型阀一般使用于底进侧出的场合
8、但在高压差场合下 为了延长阀芯使用寿命 也可以采用侧进底出的场合 4 套筒阀套筒阀也称为笼式阀 它的阀体与直通单座阀相似 阀内有一个圆柱形套筒 根据流通能力的大小要求 套筒的窗口可为不同数量 它利用套筒导向 阀芯可以在套筒中上下移动 由于这种移动改变了套筒的节流孔面积 形成了各种流量特性并实现流量的调节 由于套筒阀采用平衡型的阀芯结构 阀芯和套筒侧面导向 因此不平衡小 稳定性好 不易震荡 从而改善原有阀芯容易损坏的情况 这种调节阀允许的压差大 而且具有降低噪声的作用 5 偏心旋转阀偏心旋转阀又称为凸轮挠曲阀 它的特点是阀芯与阀座闭合时 依靠柔臂的弹性变形 自动对中 密封性好 泄漏量少 流路简单
9、 流阻小 比同样口径的其他阀门流通能力大 不平衡力小 允许压差大 可耐受较高的温度 此外 还具有结构简单 体积小 重量轻等特点 6 蝶阀蝶阀主要由阀体 阀板 阀杆和密封件等部件组成 蝶阀阻力损失小 结构紧凑 特别适用于低压差 大口径 大流量气体和带有悬浮物流体的场合 一般泄漏量较大 但也有高性能 低泄漏量的蝶阀结构 例如双偏心 三偏心蝶阀结构 蝶阀的流量特性在转角60 前与等百分比特性相似 60 以后转矩增大 特性变差 所以调节型蝶阀常在60 转角范围之内使用 7 球阀球阀按阀芯形式可分为O型球阀和V型球阀两种 球阀具有流通能力大 结构紧凑 密封性能好等特点 O型球阀的球体 阀杆只作旋转运动
10、开关转动球体 阀座始终紧密接触 具有极强的剪切能力 特别适用于纸浆 污水等含有纤维 颗粒的场合 密封有软 硬密封两种结构可选择 硬密封表面可硬化处理 适用于高温 高压 磨损 腐蚀等各种场合 V型球阀的球芯采用偏心结构 开关转动时所承受的摩擦力很小 阀门关闭时 V型偏心球芯产生一个偏心力 使球芯紧密压紧在阀座密封圈上 达到最佳的密封效果 因而泄漏量很小 V型球阀同时具有流通能力大 比同口径的阀门高两倍 可调比大 可高达300 1等特点 阀门打开时 球芯与阀座迅速分离 有效防止密封面磨损 密封有软 硬密封两种结构可选择 硬密封表面可硬化处理 适用于高温 高压 磨损 腐蚀等各种场合 1 上阀盖的结构
11、形式上阀盖是装在调节阀的执行机构与阀之间的部件 其中装有填料函 适用不同的工作温度和密封要求 上阀盖常见的结构形式有四种 1 普通型 适用于常温场合 工作温度 20 200 2 散 吸 热型 适用于高温或低温场合 工作温度 60 450 散 吸 热片的作用是散掉高温流体传给调节阀的热量 或吸收外界传给调节阀的热量 以保证填料在允许的温度范围之内工作 普通型 散 吸 热型 上阀盖及其密封填料 3 长颈型 适用于深度冷冻的场合 工作温度 60 250 结构上是在上阀盖增加了一段直颈 可以保护填料在允许的低温范围而不致冻结 颈的长短取决于温度的高低和阀口径的大小 4 波纹管密封型 适用于有毒性 易挥
12、发或贵重的流体 可以避免介质的外漏损耗 防止有毒 易爆介质外漏而发生危险和伤人事故 长颈型 波纹管密封型 2 密封填料根据填料密封时的压力分布理论分析和各种填料设计的现场性能测试 得到下列压力方程 Pr Kpoexp 4K 1 2 do d1 do d1 1 s d1 式中Pr 填料的径向压力 Po 作用在填料压盖的压力 K 填料的应力比值 d1 阀杆直径 d2 填料函孔径 s 填料长度 深度 1 填料与阀杆之间的动摩擦系数 2 填料与压盖之间的静摩擦系数 根据压力方程可以得到如下结论 1 应提高阀杆表面和填料函孔腔表面精度 光洁度 因为径向压力Pr随着距压盖距离的增大而减小 摩擦越大 压力减
13、衰越大 2 合理选用阀杆直径及填料函孔径 从压力方程中 说明填料函孔径和阀杆直径的比值do d1影响径向压力的大小 填料函孔径和阀杆直径的比值do d1可以从图表中查出 3 选用最合适的填料长度 从一般的经验来说 认为填料长度s的最佳值为s 1 5d1 填料并不是放得越多越好 4 选用合适的材料 选择的材料必须具有抵抗温度变化的能力 有抗蠕变 抗松弛及抗氧化等能力 5 填料函的设计要合理 最理想的是进行自动补偿 要有利于现场使用和维修 3 填料的类型 1 聚四氟乙烯V形填料 填料结构制造成V型结构 它是用聚四氟乙烯粉末压制成型或用聚四氟乙烯棒料切制而成的 这种材料的摩擦系数小 有润滑作用 密封
14、性好 缺点是耐温差 不能用于 200 以上的高温 也不能用于熔融状态的碱金属 以及高温的氟 氟化氢等介质 2 石棉 聚四氟乙烯把浸渍有聚四氟乙烯的石棉压制成环 使用时加入适当的润滑油或矿物脂 可用于高温 高压场合 3 石棉 石墨可以用于高温 高压 35MPa 600 的场合 在用聚四氟乙烯烃蜡处理后 能用于强酸 4 石墨环是一种全石墨产品 具有密封性好 润滑性好 化学惰性强 耐腐蚀 耐高低温 200 600 等优点 缺点是摩擦力比较大 不能用于一些强氧化剂 如浓硫酸 浓硝酸等介质 石墨环的结构有三种类型 即丝状石墨 片状石墨 弯片状石墨 第二部分控制阀的计算 控制阀的计算包括 1 流通能力计算
15、 根据已知的流体条件 最大流量 阀前阀后压差 流体密度等 计算出流量系数KV值 2 开度验算 选取调节阀口径后 要对计算KV値圆整 因此 要对开度验算 3 可调比验算 理想可调比和实际可调比有差别 4 噪声预估 出现阻塞流时 产生震动和噪声要进行噪声预估 5 关闭力的计算 对阀座承载压力能力进行计算 控制阀的计算 从控制阀的结构原理来看 控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件 当流体流过调节阀时 由于阀芯 阀座所造成的流通面积的局部缩小 形成局部阻力 它使流体的压力和速度产生变化 见图 流体流过调节阀时产生能量损失 通常用阀前后的压差 P来表示阻力损失的大小 控制阀计算的理论基础 综合上述三式
16、可得调节阀的流量方程式为 若方程式中个参数采用下属单位 A cm2P1 P2 100kPa g cm3Q m3 h 将式改写为 该式即是控制阀实际应用的流量方程 可见 当调节阀口径一定 并且调节阀两端压差不变时 阻力系数减小 流量增大 所以 控制阀的工作原理就是按照信号的大小 通过改变阀芯行程来改变流通截面积 从而改变阻力系数而达到调节流量的目的 基本计算公式 如果调节阀前后的管道直径一致 流速相同 根据流体的能量守恒原理 不可压缩流体流经调节阀的能量损失为 式中 H 单位重量流体流过调节阀的能量损失 P1 调节阀阀前的压力 P2 调节阀阀后的压力 流体密度 g 重力加速度 v 流体的平均流速 控制阀的阻力系数Q 流体的体积流量A 控制阀连接管的横截面积 如果调节阀的开度不变 流经调节阀的流体不可压缩 则流体的密度不变 那么 单位重量的流体的能量损失与流体的动能成正比 即 流体在调节阀中的平均流速为 公式来源的推导 C称为流量系数 它与阀芯和阀座的结构 阀前阀后的压差 流体性质等因素有关 因此 它表示调节阀的流通能力 为了便于用不同单位进行运算 可把上式改写成一个基型公式 式中N为各种
