自力式壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)計選型

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹自力式壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)計選型介紹了自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理及結(jié)構(gòu)特點。重點闡述了彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)既可穩(wěn)壓又可斷閥介質(zhì)的雙重功能，并通過特殊工況下的實際應(yīng)用來進(jìn)一步分析彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)實現(xiàn)雙重功能的壓力分配原則、選型計算及設(shè)計特點并詳細(xì)敘述了彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)閥中關(guān)鍵零件的作用及設(shè)計計算。    

0 自力式壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)計選型概述
    自力式壓力調(diào)節(jié)閥是一種無需外加驅(qū)動能源，依靠被調(diào)介質(zhì)自身的壓力為動力源，當(dāng)被調(diào)介質(zhì)壓力變化時按預(yù)定設(shè)定值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的節(jié)能型控制裝置。它集檢測、控制、執(zhí)行諸多功能于一體，自成一個獨立的儀表控制系統(tǒng)。由于自力式壓力調(diào)節(jié)閥是一款使用簡單方便的節(jié)能產(chǎn)品，所以世界各國調(diào)節(jié)閥公司紛紛推出了各種類型的產(chǎn)品，主要分為杠桿式自力式調(diào)節(jié)閥、指揮器式自力式調(diào)節(jié)閥、彈簧式自力式調(diào)節(jié)閥等（以下用彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥為例）。
    1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點
    彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理，以常用型閥后式為例（見圖1），閥芯的初始位置為開啟狀態(tài)，閥后壓力P2經(jīng)導(dǎo)壓管輸入上膜室作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜片上，其作用力與彈簧的作用力相平衡時的閥芯位置決定了閥的開度，從而控制閥后壓力。當(dāng)閥后壓力P2增加時，P2作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時，膜片上的作用力大于設(shè)定彈簧的作用力，使閥芯向著關(guān)閉的位置運動，閥的開度減小，P2降低，直到膜片上的作用力與彈簧作用力相平衡為止，從而使P2降為設(shè)定值。同理，當(dāng)閥后壓力P2降低時，動作方向與上述方向相反。自力式壓力調(diào)節(jié)閥的閥前式調(diào)節(jié)其閥芯的初始位置為關(guān)閉狀態(tài)，其力平衡原理與閥后式相同（見圖2）。

    自力式壓力調(diào)節(jié)閥優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)工作量小壓力設(shè)定點可調(diào)且范圍寬，便于用戶在設(shè)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)采用壓力平衡機(jī)構(gòu)，使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏、控制、允許壓差大被調(diào)介質(zhì)為腐蝕性低、具有流動性的輕質(zhì)油品、水、空氣等，也可控制溫度在350℃以下的非腐蝕性氣體、蒸汽等。對于高溫、高貓度的介質(zhì)需要配置冷凝器、隔離罐等附件。此產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于天然氣采輸、城市供熱及冶金、石油、化工、電力等行業(yè)中介質(zhì)連續(xù)使用工況下的調(diào)節(jié)控制。但此產(chǎn)品在閥后介質(zhì)用量減少、或無用量時、或者間斷用量時的控制又會如何呢?fù)?jù)用戶反應(yīng)的現(xiàn)象是調(diào)節(jié)閥會出現(xiàn)泄露情況，導(dǎo)致閥的前后差壓*相等當(dāng)使用末段關(guān)閉后重新開始使用介質(zhì)時，閥門又恢復(fù)了減壓功能，同時存在憋壓后再開啟時造成瞬間高壓沖擊，極有損壞設(shè)備的可能性。下面以我公司該產(chǎn)品在某企業(yè)的應(yīng)用實例來闡述彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥（以下簡稱閥）針對這類特殊工況的設(shè)計和應(yīng)用。
自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理

1、 閥前控制原理（見圖一）    

 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調(diào)式減壓閥,自力式減壓閥自力式閥前壓力控制（K），其初始閥芯的位置在關(guān)閉狀態(tài)。  當(dāng)閥前壓力P1通過閥芯、閥座的節(jié)流后變?yōu)殚y后壓力P2，同時P1通過管線輸入上膜室作用在膜片上，其作用力與彈簧的反作用力相平衡時閥芯位置決定了閥的開度，從而控制閥前壓力。      

當(dāng)閥前壓力P1增加時，P1作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時，膜片上的作用力大于設(shè)定彈簧的反作用力，使閥芯向離開閥座方向移動，導(dǎo)致閥的開度變大，流阻變小，P1向閥后泄壓，直到膜片上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止，從而使P1降為設(shè)定值。同理，當(dāng)閥前壓力P1降低時動作方向與上述相反，這就是閥前壓力調(diào)節(jié)的工作原理。 
     圖一閥前控制原理    

自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理

1、 閥后控制原理（見圖二）    

 自力式閥后壓力控制（B），其初始閥芯的位置在開啟狀態(tài)。  當(dāng)閥前壓力P1通過閥芯、閥座的節(jié)流后變?yōu)殚y后壓力P2，同時P2經(jīng)過管線輸入上膜室作用在膜片上，其作用力與彈簧的反作用力相平衡時閥芯位置決定了閥的開度，從而控制閥后壓力。      當(dāng)閥后壓力P2增加時，P2作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時，膜片上的作用力大于設(shè)定彈簧的反作用力，使閥芯關(guān)向閥座的位置，導(dǎo)致閥的開度減小，流阻變大，P2降低，直到膜片上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止，從而使P2降為設(shè)定值。同理，當(dāng)閥后壓力P2降低時，動作方向與上述相反，這就是閥后壓力調(diào)節(jié)的工作原理。 
    2 特殊工藝參數(shù)
    控制系統(tǒng)為穩(wěn)定閥后壓力的系統(tǒng)，介質(zhì)為氮氣，系統(tǒng)的初始管道壓力為2800KPa，后工段所需要的大流量為2000NM3/h。工藝要求是后工段使用介質(zhì)10分鐘后停止使用1小時，并按此方式循環(huán)使用；正常使用時閥后壓力穩(wěn)定在700KPa，停止使用時閥后壓力不得高于800KPa。閥后輸送管道長度為800～1000米左右（如圖3所示）。

    3 設(shè)計分析
    根據(jù)上述工藝要求，為了保證控制系統(tǒng)介質(zhì)正常使用時的壓力，可選擇一臺閥降壓也可以選擇兩臺，但考慮到后工段*關(guān)閉介質(zhì)時的特殊要求，選擇使用兩臺閥進(jìn)行雙級降壓能夠更好的分解設(shè)定壓力，減小單臺閥過重的負(fù)載，以*化的方式滿足此工藝要求。
    （1）在閥內(nèi)件設(shè)計方面，兩臺閥的密封形式均采用軟密封形式，以提高閥的泄漏等級，減小因內(nèi)漏造成的閥后壓力升高。
    （2）兩臺閥需要合理分配設(shè)定壓力。*臺閥的關(guān)鍵任務(wù)①當(dāng)系統(tǒng)正常使用介質(zhì)時降低大部分閥前壓力，使閥后壓力穩(wěn)定在一個適中的壓力值上②能夠切斷介質(zhì)且在切斷介質(zhì)后閥后壓力只有小幅上升以利于第二臺閥的控制。第二臺閥的任務(wù)除了正常的減壓外，也應(yīng)能較好起到切斷介質(zhì)的作用，并在*臺閥因其他未知原因不能正常關(guān)閉的情況下起到二次切斷介質(zhì)的作用，終保證閥后壓力小于田伙幾，滿足工藝要求。
    （3）在關(guān)鍵的控制元件一一彈簧的設(shè)計中，需充分考慮兩臺閥的作用。相對來說第二臺閥的彈贊承受壓力的變化較大，特別是兩臺閥在關(guān)閉介質(zhì)時，閥后的壓力都會有一定的變化，單單對于第二臺閥來說閥前壓力和閥后壓力均有所變化，根據(jù)系統(tǒng)受力平衡分析，閥后壓力升高的幅度對彈簧的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閥前壓力，所以此時彈簧所承受的負(fù)載也相對變大，因此在設(shè)計計算此彈簧時應(yīng)充分考慮這一因素。
    （4）調(diào)節(jié)閥距控制系統(tǒng)末端有800～1000米左右的輸送管道，當(dāng)控制系統(tǒng)末端關(guān)閉后重新開啟時產(chǎn)生的瞬間高壓會慢慢的消耗在輸送過程中，所以此壓力在這種工況下可以忽略不計。
    （5）此工藝要求兩臺閥須頻繁的打開和關(guān)閉，所以閥的關(guān)鍵部件所采用的材料也應(yīng)合理捧擇，并建議用戶及時更新易損件，以保障產(chǎn)品的良好性能。
    4 選型計算
    （1）壓力分配計算
    為確保閥后壓力在設(shè)定范圍內(nèi)，其閥前壓力和閥后壓力應(yīng)滿足減壓比（10：1～10：8）的關(guān)系，詳細(xì)數(shù)值見表1：

    兩臺閥對閥前、閥后介質(zhì)壓力的合理分段應(yīng)首先保證第二臺閥關(guān)閉時閥后壓力不高于800KPa，那么對于第二臺閥的閥前壓力應(yīng)該滿足大于小減壓比，所以選擇*臺閥的閥后壓力穩(wěn)定在1000KPa左右較為合適，這個壓力值作為第二臺閥的閥前壓力，便于滿足第二臺閥的閥后壓力穩(wěn)定在700KPa。所以兩臺閥的壓力分配如下：
    *臺閥：閥前壓力2800KPa、閥后穩(wěn)壓為1000PKa、調(diào)壓范圍為900-1100PKa：
    第二臺閥：閥前壓力1000KPa、閥后穩(wěn)壓為700KPa、調(diào)壓范圍為600-800KPa。
    （2）口徑計算
    調(diào)節(jié)閥的選型主要是根據(jù)客戶提供的閥前壓力、閥后壓力及大流量等參數(shù)通過計算來確定閥的流量系數(shù)（Kv值）、口徑等主要參數(shù)。Kv值的計算公式有很多種，表2中的公式是針對介質(zhì)為氣體，涉及物化參數(shù)較少的計算公式。

    由已給的條件計算出兩臺閥的流量系Cv。
    己知系統(tǒng)初始管道壓力為2800KPa，后工段所需要的大流量為2000NM3/h。設(shè)定*臺閥的流量控制在4000NM3/h，閥后壓力穩(wěn)定在1000kpa；第二臺閥的流量為已知的2000NM3/h，閥前壓力為1000kpa，閥后壓力穩(wěn)定在700kpa。介質(zhì)為氮氣，溫度為常溫。*臺閥：p1≥2p2，所以選擇公式（1）計算kv值，第二臺閥：p1<2p2，所以選擇公式（2）計算kv值：

    代入已知條件計算出kv，再根據(jù)式（3）計算出的Cv大小對應(yīng)選型，*臺閥口徑為DN25；第二臺閥口徑為DN40。

    5 設(shè)計計算
    （1）閥體壁厚的計算
    *、二臺閥的公稱壓力分別為4.0MPah和1.6MPa，介質(zhì)為氮氣，選擇閥體材質(zhì)為碳素鋼即可滿足要求。根據(jù)如下常用的鋼及合金鋼閥體壁厚計算公式，代入已知參數(shù)計算閥體壁厚。

    式中，P（MPa）：計算壓力（由設(shè)計給定）；Dn（mm）：計算口徑（由設(shè)計給定）；
    [OL]（MPa）：許用拉應(yīng)力，可查機(jī)械設(shè)計手冊得出；
    C（mm）：腐蝕余量（由設(shè)計給定，一般取C=6.3mm）；
    選擇SB≥S‘B即可滿足設(shè)計要求，SB（mm）實際選用厚度。
    （2）閥桿強(qiáng)度校核計算
    由于該閥的結(jié)構(gòu)特點，閥桿只做上下直線運動，所以對閥桿強(qiáng)度核算的計算采用升降桿明桿強(qiáng)度驗算公式
    關(guān)閉時閥桿總軸向力（N）：
    開啟時閥桿總軸向力（N）：
    閥桿大軸向力（N）：取Q0及QK中大值
    軸向應(yīng)力（MPa）：
    合成應(yīng)力OE（MPa）：取軸向應(yīng)力中的大值
    KI～K4：為應(yīng)力系數(shù)值，查機(jī)械設(shè)計手冊可得具體數(shù)值
    QV（N）：密封面處介質(zhì)作用力；QT（N）：密封面上密封力；
    Q0（N）：閥桿徑向截面上介質(zhì)作用；QT（N）：閥桿與填料摩擦力；
    FS（mm2）：閥桿小截面積；
    強(qiáng)度校核條件。OE>[OE]許用合成應(yīng)力[QE]可查機(jī)械設(shè)計手冊得出。

    （3）彈簧的設(shè)計計算
    彈簧是自力式壓力調(diào)節(jié)閥中的關(guān)鍵零件，采用的材料為60Si2MnA硅錳彈簧鋼。圖4為彈簧應(yīng)力及應(yīng)變的關(guān)系圖，圖中F1及F2為閥后穩(wěn)壓范圍中小壓力及大壓力時，對應(yīng)彈簧的小受力及大受力，F(xiàn)lim為設(shè)計彈簧的極限受力?！鱤對應(yīng)的是彈簧正常的壓縮量同時也是閥的行程。
    當(dāng)控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，根據(jù)工藝要求的設(shè)定壓力值計算出彈簧受到的小壓力和大壓力F1及F2并，將此計算值代入壓縮彈簧計算公式：

    根據(jù)彈簧所選擇的材料確定許用應(yīng)力TP，然后在4～14范圍內(nèi)初步確定旋繞比，由公式（4）計算出彈簧的簧絲直徑d，取d的圓整值由D2=Cd計算出D2：再由式（5）計算有效圈數(shù)n；后確定彈簧的所有參數(shù)。在設(shè)計中應(yīng)初設(shè)幾個旋繞比C值做計算，比較結(jié)果選取*的方案。

    6 用結(jié)論
    這套自力式壓力調(diào)節(jié)閥通過現(xiàn)場的實際使用證明能及時將閥后壓力控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，具有良好的穩(wěn)壓性能，并當(dāng)現(xiàn)場后工段工藝介質(zhì)全關(guān)閉時充分體現(xiàn)了它的密封性能，很好的滿足了系統(tǒng)的工藝要求，深得用戶的好評。通過這個應(yīng)用實例可以得出結(jié)論在一定的條件下通過特殊設(shè)計，自力式壓力調(diào)節(jié)閥可以具備既穩(wěn)定設(shè)定壓力又切斷介質(zhì)的雙重功能，為該類產(chǎn)品拓展了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)與本產(chǎn)品相關(guān)論文：200X先導(dǎo)隔膜式水用減壓閥安裝要求
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