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调节阀选型的重要性

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 调节阀作为自控系统中的执行器,其质量的好坏与设计院、生产厂家和用户都有很密切的关系。质量不只是生产厂的问题,还应包含系统设计人员、生产厂家和使用人员方面的问题,它是广义的概念。因此,提高调节阀的应用质量应从全过程来考虑,尤其是选型质量。而要提高调节阀选型质量,则必须提高调节阀从业人员的知识和应用水平,这也是举办本次讲座的目的。 调节阀是自控系统中的执行器,其应用质量反映在系统中的调节品质上,调节阀应用的好坏,即应用质量与三个方面有关: (1) 正确选型(含计算)——系统设计人员; (2) 产品质量——生产厂; (3) 正确安装、使用、维护——用户。 所以,我们讲质量不只是生产厂的问题,它是一个广义的概念,包括系统设计人员、生产厂家和使用人员.下面列举常见的应用问题,这些问题若能很好地处理,可以说你选阀就不会出现大的质量事故。 (1)口径计算――小了不能满足Qmax,大了常小开度工作,调节性能差,寿命短。 (2)校核关闭时的△P――有些根本就不作校核,造成阀关不死,打不开。 (3)校核可调比R――R 小了不能满足流量变化范围。 (4)确定弹簧范围――涉及弹簧范围、启始工作压力、输出力、稳定性、调整等。 (5)材质与结构――这里学问zui大,一个的工程设计人员,所选的阀结构和材质应是在满足使用功能前提下,得到的是简单的结构、(相对而言)。相反,花了很多钱,甚至引进产品,还是用不好,这种费用可差 20~30 倍。用不好的影响则更大,开开停停,造成经济损失和产量下降,有的甚至无法投用。因此,一个有经验的系统设计人员就知道阀在现场的重要性,一开始就重视阀的正确选型,并与我们密切配合。 (6)附件——对主体的保证和有意的补偿。 也有很多成功的例子,成功首先在于他们的正确选型。这些例子都是笔者亲自经历的: (1)化八院——选用的耐盐酸调节阀,因所选阀型和材料恰当,已使用两年以上。 (2)化六院与沙市农药厂——精细化工工程,多种物质混合成的强腐蚀性介质,该阀1993 年投用至今正常。 (3)化四院——选用烧碱阀,克服了烧碱蒸发系统高温浓碱腐蚀与堵卡问题。 (4)化八院与内蒙吉兰泰化工项目——水处理(脱盐水)系统,以往无论国内外装置均用衬胶蝶阀或隔膜阀,阀一直用不好。该厂改引进隔膜阀用我们为之专门设计的水处理阀后,阀已运行了两年多。类似的还有云南氮肥厂。 (5)核动力设计院——选用高温高压、0.2 秒紧急动作阀,保证了试验装置运行。 (6)成都化工厂――湿氯气调节,原为美国阀,选用氯气阀后,实现了国产化。 (7)什邡化工总厂――346 工程选用磷铵阀,投运两年多正常。 (8)红光化工厂――98%浓硝酸,选用全四氟耐蚀阀,1992 年至今运行正常。 (9)云南氮肥厂――磷酸及混和介质,选用耐腐蚀球阀代替预先准备进口的产品,产品从1992 年至今运行正常,还节约10 多万美元。 (10)武钢――技改选用微压力自力式阀,解决了炉膛50mmHzO 的超低压稳定问题。 举例涉及的问题和成功的例子,目的在于证明选型的重要性和技术处理的价值,以引起对调节阀选型的足够重视。 本节讲座重点比较分析了国内外调节阀应用质量上的差距与原因。如果说国内调节阀的设计水平、生产水平与国外先进国家相比有一定差距是实际的,但是如果说有十分大的差距,就不一定符合实际了(至少笔者这样认为)。那么,为什么国内调节阀的使用效果和时间远不及引进产品呢?在这节,笔者将对这问题做出阐述。 如果说国内调节阀的设计水平、生产水平与国外先进国家相比有一定差距是实际的,但是如果说有十分大的差距,就不一定符合实际了(至少笔者这样认为)。那么,为什么国内调节阀的使用效果和时间远不及引进产品呢? 只要比较一下我国的调节阀计算选型表与国外计算选型表,不难发现,我们的内容太简单。如美国仪表学会标准格式所列内容49 个序号,我国表格不到20 个序号,不少内容都没有纳入,必然选型不当、不全面,造成“先天不足”;再就是国内调节阀标准化程度太高,以一变应万变,而不是“对症下药”,予以不同对待。仅以阀的泄漏为例,用户反映较强烈。它不仅涉及结构的选定。还涉及不平衡力计算。谁来细致的考虑呢?没有。既然没有,必然造成关不死、打不开、泄漏大、密封的可靠性差(开始可以,用不到多久就不行了)等使用问题。要解决它,就必须细致的考虑,它包括: (1)根据阀的关闭压差,计算不平衡力,以确定阀结构和执行机构大小,首先保证关死需要的足够的输出力。 (2)确定*流向以利于密封。 (3)阀的结构考虑,对大压差、大口径阀(如 DN100 的阀,△P=20MPa,其不平衡推力高达 Ft=0.25π ×102×20=15.7t),对结构的细致考虑十分重要,包括力平衡和耐汽蚀、冲蚀的考虑。 (4)不干净介质、结垢结巴介质的防堵性能的考虑,堵住了、卡住了,又怎能密封? (5)对强腐蚀介质,节流件的耐腐蚀性能考虑,而且必然可靠,不少阀运行不久泄漏就超标,原因就在节流件被腐蚀。 (6)对密封型式的考虑。 a.硬密封还是软密封; b.是否需要堆焊耐磨合金,提高可靠性; c.软密封型式及软密封材质。 (7)泄漏等级、试验方法、试验压差、验收方法等等。 由此可见,粗糙的考虑,必然获得粗糙的使用效果:大部份一般产品可以,所以,稍有考虑欠当和特殊场合,阀肯定用不好。 归纳起来,国内调节阀应用的主要问题是:计算、选型不全面,造成“先天不足”;生产厂家的产品太单一,不能满足各种需求。解决的办法是:首先把握质量的*关(也是生产厂不重视的一关)签订合同关,审查所选阀真正能有效的满足工作条件和使用要求,克服“先天不足”;其次是生产厂生产的各种产品,尤其是特殊产品、变型产品以适应特殊场合的需求。要做到这两点,无论选型人员和生产厂家都必须精通调节阀的应用。 调节阀的计算、选型究竟涉及到哪些内容? 本节讲座按阀型、执行机构、上阀盖与填料、阀内件、附件的选定总结出了110 问,供计算、选型时参考。笔者认为如果在选型过程中根据实际工况对这些问题都一一作出了比较和选择,那么所选的阀就八九不离十了。当然,这里面涉及到许多技术问题和实践经验,需要在实践中不断的积累。 详细内容 (1) 驱动方式的选择:电动、气动、液动的决定? (2) 电动执行机构选择普通型还是新型的电子式结构? (3)电动执行机构是角行程还是直行程? (4)角行程电动执行机构是直连式还是曲柄连接式? (5)电动执行机构信号的决定:电Ⅱ、电Ⅲ,还是其它? (6)电动执行机构防爆与否? (7)伺服放大器的选定? (8)是否需要位置反馈信号? (9)是否需要过载保护? (10)是否需要手操? (11)气动执行机构薄膜式与活塞式的选定? (12)气动活塞执行机构比例式与两位式的选定? (13)气动活塞执行机构直行程与角行程的选定? (14)气动活塞执行机构有弹簧与无弹簧式的选定? (15)气动薄膜执行机构是单弹簧型的老式结构还是多弹簧小型新结构? (16)正作用与反作用的选定? (17)弹簧范围的选定(涉及计算)? (18)工作弹簧范围的选定(涉及计算)? (19)是否需要加长支架? (20)执行机构规格的决定(涉及计算)? (21)执行机构规格是按标准与阀搭配还是缩小或增大? (22)气信号大小的选定? (23)气信号接口的要求? (24)行程(或角度)的选定? (25)气源大小的选定? (26)动作速度的要求? (27)环境条件是否满足? (28)对颜色的要求? (29)对重量的限制与否? (30)对颜色的要求? 本节讲座重点总结分析调节阀正确选型所需要注意的事项,按调节阀阀型、执行机构、材料、流量特性、作用方式、弹簧范围、流向、填料、附件九个方面总结了调节阀选型的经验和注意事项,对于调节阀 从业人员了解调节阀的选型知识,提高选型水平有较大的帮助作用,但限于笔者水平有限,难免有许多不足和问题,欢迎广大读者批评指正。 (1)确定公称压力,不是用Pmax 去套PN,而是由温度、压力、材质三个条件从表中找出相应的PN 并满足于所选阀之PN 值。 (2)确定的阀型,其泄漏量满足工艺要求。 (3)确定的阀型,其工作压差应小于阀的允许压差,如不行,则须从特殊角度考虑或另选它 (4)介质的温度在阀的工作温度范围内,环境温度符合要求。 (5)根据介质的不干净情况考虑阀的防堵问题。 (6)根据介质的化学性能考虑阀的耐腐蚀问题。 (7)根据压差和含硬物介质,考虑阀的冲蚀及耐磨损问题。 (8)综合经济效果考虑的性能、价格比。需考虑三个问题: a.结构简单(越简单可靠性越高)、维护方便、备件有来源; b.使用寿命; c.价格。 (9)优选秩序。 蝶阀-单座阀-双座阀-套筒阀-角形阀-三通阀-球阀-偏心旋转阀-隔膜阀。 ① 要求阀动作平稳; ② 小开度调节性能好; ③ 选好所需的流量特性; ④ 满足可调比; ⑤ 阻力小、流量比大(阀的额定流量参数与公称通径之比); ⑥ 调节速度。 这是不可分割、互相的两个因素。泄漏量应满足工艺要求,且有密封面的可靠性的保护措施;切断压差(阀关闭时的压差)必须提出来(遗憾的是许多设计院的调节阀计算规格书中无此参数),让所选阀有足够的输出力来克服它,否则会导致执行机构选大或选小。 即使是干净的介质,也存在堵塞问题,这就是管道内的不干净东西被介质带人调节阀内,造成堵卡,这是常见的故障,所以应考虑阀的防堵性能。通常角行程类的调节阀比直行程类的调节阀防堵性能好得多,故以后角行程类的调节阀使用将会越来越多。 它包括耐冲蚀、汽蚀、腐蚀。主要涉及到材料的选用和阀的使用寿命问题,同时,涉及到经济性问题。此问题的实质应该是所选阀具有较好的耐蚀性能且价格合理。如能选全四氟阀就不应该选全耐蚀合金阀;能选反汽蚀效果较好、结构简单的角形高压阀(满足两年左右使用寿命),就不应该选结构复杂、价格贵的其它高压阀。 这涉及调节阀的公称压力、工作温度的选定。 耐压方面,如果只是压力高并不困难,主要是压差大会产生汽蚀; 耐温方面,通常解决 450℃以下是十分容易的,450~600℃也不困难,但到 600℃以上时,矛盾就会突出;当温度在80℃时的切断类调节阀选用软密封材料通常是不可取的,应该考虑硬密封切断。 附表:《常用材质的工作温度、工作压力与PN 关系表》。 此问题非常直观,一定是外观好、重量轻的阀受使用厂家欢迎。这里要改变一种偏见,认为调节阀是个“老大粗”,重一点或外观差一点,没什么了不起。现在我们十分重视它,从而提出了调节阀应该具有小型化、轻型化、仪表化的特征。 在满足上述使用功能的要求中,适用的阀有几类,此时便应综合经济效果确定某一阀型,为此,我们认为,至少应该考虑以下四个问题: 1)高可靠性。 ①结构简单; ②可靠性高。这里需要改变过去片面追求性能指标,忽视可靠性的错误作法。 2)使用寿命长。 3)维护方便,备品备件有来源。 4)产品价格适宜,性能价格较好。 根据调节阀的功能优劣和上述观点,特提供调节阀的优选次序如下: ①全功能超轻型调节阀 ②蝶阀 ③套筒阀 ④单座阀 ⑤双座阀 ⑥偏心旋转阀 ⑦球阀 ⑧角形阀 ⑨三通阀 ⑩隔膜阀 在这些调节阀中,我们认为应该尽量不选用隔膜阀,其理由是隔膜是一个极不可靠的零件,使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。 (1)zui简单的是气动薄膜式,其次是活塞式,zui后是电动式。 (2)电动执行机构主要优点是驱动源(电源)方便,但价格高,可靠性、防水防爆不如气动执行机构,所以应优先选用气动式。 (3)老电动执行机构笨重,我们已有电子式精小型高可靠性的电动执行机构提供(价格相应高). (4)老的 ZMA、ZMB 薄膜执行机构可以淘汰,由多弹簧轻型执行机构代之(性能提高,重量、高度下降约30%)。 (5)活塞执行机构品种规格较多,老的、又大又笨的建议不再选用,而选用轻的新的结构。 执行机构选择的主要考虑因素是: ① 可靠性; ② 经济性; ③ 动作平稳、足够的输出力; ④ 重量外观; ⑤ 结构简单、维护方便。 (1)可靠性方面 气动执行机构简单可靠:老式电动执行机构可靠性差是它过去的一贯弱点,然而在90 年代电子式执行机构的发展彻底解决了这一问题,可以在5~10 年内免维修,它的可靠性甚至超过了气动执行机构。正由于此,笔者认为,它将成为下世纪调节阀的主流。 (2)驱动源 气动执行机构的zui大不足就是需另设置气源站,增加了费用;电动阀的驱动源随地可取。 (3)价格方面 气动执行机构必须附加阀门定位器,再加上气源,其费用与电动阀不相上下(进口电气阀门定位器与进口电子式执行机构价格相当;国产定位器与国产电动执行器不相上下)。 (4)推力和刚度 两者相当。 (5)防火防爆 "气动执行机构+电气阀门定位器"略好于电动执行机构。 (1)在可能的情况下,建议选用进口电子式执行机构配国产阀(如全功能超轻型阀),以用于国产化场合、新建项目等。 (2)薄膜执行机构虽存在推力不够、刚度小、尺寸大的缺限,但其结构简单,所以,目前仍是使用zui多的执行机构。但这里我们强调的是选用ZHA、ZHB 型的精小型薄膜执行机构去代替ZMA、ZMB 型的老式薄膜执行机构,以获得更轻的重量、更小的尺寸和大的输出力。 (3)活塞执行机构选择注意方面: ① 气动薄膜执行机构推力不够时,选用活塞执行机构来提高输出力;对大压差的调节阀(如中压蒸汽切断),当DN≥100 时,我们建议选用单密封的调节阀(单座阀或单座套筒阀),保证阀有较好的切断性能,但此时,压差对阀芯的不平衡力增大,宜选活塞执行机构;当DN≥200 时,甚至要选双层活塞执行机构; ② 对普通调节阀,还可选用活塞执行机构去代替薄膜执行机构,使执行机构的尺寸大大减小,就此观点而言,气动活塞调节阀使用会更多; ③ 对角行程类调节阀,其角行程执行机构的结构型式很多,使之复杂化,应首先考虑结构简单、动作自如、尺寸小、推力大的执行机构,典型的结构是双活塞齿轮齿条转动式。值得强调的是,传统的“直行程活塞执行机构+角铁+曲柄连杆”方式应该淘汰。 (1)阀体耐压等级、使用温度和耐腐蚀性能等方面应不低于工艺连接管道的要求,并应优先选用制造厂定型产品。 (2)水蒸汽或含水较多的湿气体和易燃易爆介质,不宜选用铸铁阀。 (3)环境温度低于-20℃时(尤其是北方),不宜选用铸铁阀。 (4)对汽蚀、冲蚀较为严重的介质温度与压差构成的直角坐标中,其温度为300℃,压差为1.5MPa 两点连线以外的区域时,对节流密封面应选用耐磨材料,如钴基合金或表面堆焊司特莱合金等。 (5)对强腐蚀性介质,选用耐蚀合金必须根据介质的种类、浓度、温度、压力的不同,选择合适的耐腐蚀材料。 (6)阀体与节流件分别对待,阀体内壁节流速度小并允许有一定的腐蚀,其腐蚀率可以在每年lmm 左右;节流件受到高速冲刷、腐蚀会弓[起泄漏增大,其腐蚀率应小于每年0.1mm。 (7)对衬里材料(橡胶、塑料)的选择时该工作介质的温度、压力、浓度都必须满足该材料的使用范围,并考虑阀动作时对它物理、机械的破坏(如剪切破坏)。 (8)真空阀不宜选用阀体内衬橡胶、塑料结构。 (9)水处理系统的两位切断阀不宜选用衬橡胶材料。 (10)典型介质的典型耐蚀合金材料选择: a.硫酸:316L,哈氏合金,20 号合金。 b.硝酸:铝,C4 钢,C6 钢。 c.盐酸:哈氏B。 d.氢氟酸:蒙乃尔。 e.醋酸、甲酸:316L、哈氏合金。 f.磷酸:因可镍尔、哈氏合金。 g.尿素:316L。 h.烧碱:蒙乃尔。 i.氯气:哈氏C。 j. 海水:因可镍尔,316L。 (11)到目前为止,zui的耐腐蚀材料是四氟,称为“耐蚀王”。因此,应首先选用全四氟耐腐蚀阀(华林所产品),不得已的情况下(如温度>180℃,PN>1.6)才选用合金。 这是调节阀材料选择的主要内容。在强腐蚀类的介质中选用耐腐蚀合金阀时,必须根据其浓度、温度、压力三者结合起来才能选用相应的材质,这方面有专门的耐腐蚀数据手册。 附表:《常见耐腐蚀材料表》 氟塑料成功地用在耐腐蚀阀上 由于选用耐腐蚀合金不仅价格昂贵,而且针对性特别强,如果温度、浓度、成分稍有改变,就有可能不耐腐蚀了,所以在没有实践和试验证明时不可盲目的选用,否则导致选材不当,这也是 80 年代前耐腐蚀阀还是个老大难的原因所在。因此,人们在不断地探索将非金属材料用在耐腐蚀场合。zui典型的材料是橡胶和塑料,由此产生了衬胶的蝶阀、衬胶隔膜阀、衬胶的截止阀,还有玻璃钢的球阀、陶瓷球阀等。其中衬胶的调节阀在50 年代就开始使用,在60 年代成为当时的主要的耐腐蚀调节阀,起到了较大的作用。在七十年代末至 80 年代初,耐腐蚀合金阀使用多了起来,陶瓷类调节阀 因太硬、易碎,使用zui少,效果zui差。真正的突破还是在 80 年代,氟塑料成功地用在了调节阀上,由此产生了衬氟塑料的调节阀(阀的品种有单座阀、蝶阀、O 型球阀、V 型球阀)。至目前,氟塑料除融状碱金属、高温三氟化氯及氟元素等个别介质对它有腐蚀外,其它介质对它几乎没有腐蚀,故被称为“耐腐蚀王”,由它制造的阀也就成了“”的耐腐蚀调节阀。但其缺点就是耐温仅能在 180℃以内、耐压仅能到2.5MPa、耐冲蚀性能差,故要求压差越小越好,通常在7.6MPa 内。这一条件已经覆盖了强腐蚀场合90%以上。正由于此,耐腐蚀问题不再是老大难了。 对汽蚀、冲蚀严重的阀,如高压差介质,含固体颗粒的介质必须考虑耐磨损问题;对切断类硬密封调节阀,也必须保护密封面,防止和减小冲蚀,可选用的zui常用的耐磨材料是司特莱合金。 下面提供的是初步的选择,详细的选择见专门资料: (1)S>0.6 时选对数特性。 (2)小开度工作、不平衡力变化大时选对数特性。 (3)要求的被调参数反映速度快时选直线,慢时选对数。 (4)压力调节系统可选直线特性。 (5)液位调节系统可选直线特性。 传统的流量特性设计理论都是按阀上压降不变的理想状况来设计定型的,也是用这种方法向用户提供 调节阀固有流量特性的。这种阀上压降不变,即 S=1 的理想流量特性在实际工作中永远不会存在。实际工作中,S<1,工作特性偏离理想特性,严重地产生畸变。为了保证流量特性有较好的调节品质,人们按 传统的流量特性理论,要求实际工作情况向理想情况靠拢,以牺牲能耗来换取,提出S 应等于0.3~0.6。 S<0.3,实际工作特性畸变得不好使用。那么,为什么我们不可以将阀的固有特性向实际工作特性来靠拢呢?为什么提供实际工作中不存在的特性,让其在使用中严重畸变呢?为什么不可以按实际工作特性来讨论以减小这种畸变呢?由此可见,传统的理想与实际相脱离的设计与应用理论,从思想方法上看就存在着严重问题。因此,我们应该研究实际工作中具有代表性的,典型的S 值,提供在这些S 值下的直线和对数流量特性等,使阀固有特性尽可能与工作特性相吻合。这种理想与实际相结合的方法将带来如下优点和实用意义: (1)阀提供的固有特性与实际工作特性更加接近,畸变减小,调节性能提高。 (2)按低 S 来设计阀的固有特性,打破传统的牺牲能耗来换取调节品质的高 S 运行理论,可大大节省系统能耗。据此理论,S 可以在 0.05~0.15 之间,与原高 S 运行相比,可节省能耗 15%~22%.这对于我国能源紧张的今天,有较好的使用价值和社会效益。 (3)随着计算机的应用,研究这种理论可使调节阀特性很容易根据不同 S 值实现在线整定、补偿, 根据系统需要获得较佳的工作特性。这种阀华林公司正在研究之中。 (4)有利于产品制造。目前,调节阀流量特性误差是工厂zui难达到的性能指标。然而,使用中因畸变厉害,从来没有用户提出过流量特性误差影响使用和调节的问题.因为即使提供的流量特性误差为 0,到实际工作中,畸变得已经一塌糊涂.因此,原流量特性误差的把关是只抓住其次要矛盾,忽视了实际工作中畸变厉害这一主要矛盾.采用常用典型 S 值下的工作特性为阀的固有特性,不但抓住了主要矛盾,保证了调节性能,而且这种试验更简化,也有利于产品制造。 所谓节能调节阀,其实质就是保证在低S 运行下调节阀有较理想的流量特性问题。 能否在低 S 下运行,传统的讨论都是僵持在阀的固有流量特性这个问题上。S 值太小,主要影响两个调节品质指标,一是可调范围减小,二是流量特性畸变。因此,作出结论,为保证调节阀节品质,S 应取大一些,一般为0.3~0.6,从而否定了低S 运行的问题。 上述争论不休的问题,实际上只要根据前面所谈到的理想与实际相结合的流量特性设计方法,在阀上做文章,也就显得十分简单了.由工作流量特性方程式,将S=0.1 代入,即可得到S=0.1 的节能调节阀流量特性。 在我们的试验中,通过修正阀芯曲面或套筒窗口的形状和尺寸,便很方便地解决了所谓的低S 流量特性畸变的问题。实际可调比可达 30,实际流量特性满足了国标对流量特性误差考核的要求,完全同普通阀一样.于是一种只在理想固有特性上讨论,把S 定在0.3 以上,通过提高阀上压降,牺牲能耗来换取调节品质的传统的方法被打破了。通过对阀的小小修正来解决问题,不仅简单易行,而且还节约了大量能耗。 由于选择方法较多,不必一一阐述。这里,推荐根据流量特性的使用特点得出的一种直观选择流量特性的参考表。 (1)根据S 值确定阀固有特性M 根据下表选定的工作特性,再根据S 值确定阀固有特性(即理想特性),见下表。 (2)根据不平衡力作用方向确定阀固有特性 ①不平衡力变化为“-”ft(作用方向将阀芯压开)时,按通常方法即按上述方法确定。 ②不平衡力变化为“+”ft(作用方向将阀芯压闭)时,选用对数特性。 (1)国外常用故障下开或关来表示,即故障开、故障关,与我国的气开、气闭表示正好相反,故障开对应气闭阀,故障关对应气开阀。 (2)新的轻型阀、精小型阀已不强调执行机械的正作用、反作用了,因而必须在尾注上标明。B(气闭); K(气开)。 气动调节阀按作用方式不同,分为气开阀与气闭阀两种。气开阀随着信号压力的增加而打开,无信号时, 阀处于关闭状态。气闭阀即随着信号压力的增加,阀逐渐关闭,无信号时,阀处于全开状态。气开、气闭阀的选择主要从生产安全角度考虑。当系统因故障等原因使信号压力中断时(即阀处于无信号压力的情况下时),考虑阀应处于全开还是关闭状态才能避免损坏设备和保护工作人员。若阀处全开位置危害性小,则应选气闭阀;反之,应选气开阀。 选定了调节阀作用方式之后,即可决定气动薄膜执行机构的作用方式,即决定正作用或反作用执行机构的问题。 传统的执行机构与阀体部件的配用情况见表5~3。依据所选的气开阀或气闭阀,从该表中即可决定执行机构的作用方式及型号。 值得强调的是,对气开阀采用倒装阀芯去配正作用执行机构,现在看来是极不可取的。我们不去考虑阀的本身(阀芯仍然正装),而从改配反作用执行机构解决,这样既简单、又方便(理由是改动阀比改反作用执行机构复杂得多)。 (1)首先是选择弹簧范围,还要确定工作弹簧范围。 (2)确定工作弹簧范围涉及计算输出力去克服不平衡力。若有困难,应将条件(主要是阀关闭时的压差) 告诉制造厂,协助计算并调好弹簧和工作范围出厂(目前,不少厂家根本不做计算)。 从阀的稳定性上选择,弹簧应该是越硬越好,如选用 40~200KPa、60~180KPa 的弹簧,它不仅克服 轻微振荡、克服摩擦力,而且能使阀芯住复运动自如。 由于执行机构的输出力是执行机构总的合力减去弹簧的张力、摩擦力、弹簧越软,其输出力就越大。所以,从输出力上考虑应该选择软弹簧(即小的弹簧范围)。 若从稳定性上选择,要选用弹簧范围大的硬弹簧;若从输出力来看,又应该选用弹簧范围小的软弹簧,两者互为矛盾,因此应予以综合考虑。在满足输出力的情况下,尽量选用范围大的硬弹簧。笔者建议,对薄膜阀充分利用定位器250KPa 的气源,选用60~180KPa 的弹簧。它对气开阀有60KPa 的输出力,对气闭阀有250-180=70KPa 的输出力,其弹簧范围Pr 为180-60=120KPa。再看传统的20~100KPa 的弹簧配 140KPa 的气源时的输出力;气开阀为20KPa,气闭阀与140-100=40KPa,其弹簧范围Pr=100-20=80KPa。由此不难看出,无论从输出力、刚度上讲,我们建议选择 60~180KPa 的弹簧范围远远优越于常规弹簧范围。 若遇大口径、大压差、含颗粒等场合时,其弹簧范围的选定通过详细计算来满足。 弹簧是气动调节阀的主要零件,弹簧范围是指一台阀在静态启动时的膜室压力到走完全行程时的膜室压力,字母用Pr 表示。如Pr 为20~100KPa,表示这台阀静态启动时膜室压力是20KPa,关闭时的膜室压力是100KPa。常用的弹簧范围有20~100KPa、20~60KPa、60~100KPa、60~180KPa、40~200KPa„由于气动仪表的标准信号是 20~100KPa,因此传统的调节阀理论把与气动仪表标准信号一致的弹簧范围(20~ 100KPa)定义成标准弹簧范围.调节阀厂家按20~100KPa 作为标准来出厂,这是十分错误的。 为了保证调节阀正常关闭和启动,就必须用执行机构的输出力克服压差对阀芯产生的不平衡力,我们知道,对气闭阀膜室信号压力首先保证阀的关闭到位,然后再继续增加的这部分力,才把阀芯压紧在阀座上,克服压差把阀芯顶开。我们又知道,不带定位器调节阀的zui大信号压力是 100KPa,它所对应的 20~ 100KPa 的弹簧范围只能保证阀芯走到位,再也没有一个克服压差的力量,阀工作时必然关不严,造成内漏。为此,就必须调整或改变弹簧范围,但是,把它说成“标准弹簧范围”就出问题了,因为是标准就不能改动。如果我们坚持标准,按“标准弹簧范围”来调整,那么,它又怎么能投用呢?在现实中,却有许多使用厂家和安装公司;都坚持按"标准弹簧范围",20~100KPa 来调整和验收调节阀,又确实发生阀关不严的问题。错误的根源就在此。 正确的提法应该是“设计弹簧范围”,是我们设计生产弹簧的零件参数。工作时根据气开气闭还要作出相应的调整,我们称为工作弹簧范围。仍以上述为例,设计弹范围20~100KPa,对气闭阀我们可以将工作弹簧范围调到10~90KPa,这样就有10KPa,作用在膜室的有效面积Ae 上;又如气开阀,有气打开,无气时阀关闭,此时克服压差靠的是弹簧的预紧力。为了克服更大的压差,需调紧预紧力,还需带定位器,若定位器气源为140KPa,我们可以将设计弹簧范围20~100KPa 调紧到50~130KPa,此时输出力为50Kpa×Ae。如果把20~100KPa 作为标准弹簧固定的话,就只有20Kpa×Ae,带定位器也失去作用。由此可见,气开阀带定位器也必须调高弹簧范围的起点压力才能提高执行机构的输出力。 对不带定位器的场合,气闭阀我们还可以设计 20~80KPa,这样不带定位器仍有 20KPa.Ae 的输出力。所以弹簧范围应根据气开气闭、带定位器与否、压差产生的不平衡力作用的方向,三者结合起来才能设计出相适应的弹簧。为什么国外设计的弹簧很多,高达十几种,就是此道理。由此可见,标准弹簧范围的提法是错误的,它让人们在“标准”二字上而不能改动,误导人们死套 20~100KPa 来调校,结果造成无输出力或输出力不够。正确的提法应是:将“标准弹簧范围”提法取消,改为“设计弹簧范围”。其中20~ 100KPa 的弹簧范围称为常用弹簧范围。 (1)在节流口,介质对着阀芯开方向流为流开,向关方向流为流闭。 (2)流向的选择主要是单密封类调节阀,有单座阀类、角阀类、单密封套筒阀三个大类。基它为规定流向(如双座阀、V 球)和任意流动(如O 球)。 (3)当dg>15 时,通常选流开,当dg≤15 的小口径阀,尤其是高压阀可选流闭,以提高寿命。 (4)对两位开关阀可选流闭。 (5)若流闭型阀产生振荡,改过来,流开型即可消除。 对ds>dg 的调节阀,不同流向,可引起Ft 作用方向的改变,它将带来如下影响: (1)对稳定性的影响:前面已经分析了,“-” Ft 时阀稳定,“+” Ft 时稳定性差。 (2)对阀芯密封性能的影响:"-"Ft 时,阀芯密封力FO=F-Ft,"+"Ft 时,不平衡力本身是将阀芯压闭的,从而增加了密封比压。可见前者密封力小,密封性能差;后者密封力大,密封性能好。 (3)对许用压力、许用压差的影响:由于流向的改变,使阀杆端压力为P1 或P2,前者不平衡力比后者小,使许用压力、许用压差改变,P1 在阀杆端比P2 在阀杆端[△P]大(ds<dg 时=。在同样阀芯装配上,流闭型的许用压力、许用压差较流开型大(ds≤dg,因其输出力大)。 为说明这一问题,首先从流体力学上分析一下流体对不同绕流物的阻力情况。在下图中,飞机机翼是在风洞里试验的,风速为210 英里每小时。当圆头朝上时,阻力为1 个单位;将机翼倒180°,使尖尾朝前,阻力则为前者的2 倍。我们把前一情况模拟为流闭型,后一情况模拟为流开型,即可得到流闭型比流开型阻力小的结论.其主要原因在于大头朝前时产生的涡流区远小于大头向后产生的涡流区,因此大头向前的阻力小于大头向后的阻力.现在回到调节阀中,因流闭型阻力比流开型小,故流闭型的流量系数比流开型大, 一般可提高10%~15%左右.同时,也提高了阀的可调范围。由于一般调节阀的流量系数、流量特性是在流开型状态下由试验确定的,即流开型具有标准的流量系数和理想流量特性.因此,选用流闭型可得到比标准流量系数大10%~15%。另一方面,因这一差别主要发生在大开度上,它可以补偿S 值影响,就是说,流闭型大开度流量增加,适当地减小了特性曲线的畸变。 调节阀流阻力模拟 由于介质流动方向改变,因而介质对阀芯、阀座产生的冲刷和汽蚀发生了变化.对流开型,介质从阀芯尖的一头往大的一端流动,冲刷和汽蚀直接作用在密封面上,同时,介质一旦经过节流口后,流速突然减慢, 相当于突然扩大,使压力急剧回升,因此,汽蚀作用较强,致使密封面很快被破坏。故流开型使用寿命短。见下图a。对流闭型,与上述情况相反,汽蚀和冲刷主要作用在密封面下面。同时,介质需要流经阀座后才突然扩大使压力急剧回升。因此,在流经阀座通道过程中,相当于逐步扩大,压力恢复慢,减少了汽蚀的破坏。流出阀座后,压力急剧回升,汽蚀加剧,但是它基本上不作用在阀芯阀座密封面上。故流闭型使用寿命长。见下图 b。实践证明,在严重冲刷和汽蚀条件下,选用流闭型比流开型使用寿命长 1/4~1/2 倍以上,若长期在小开度上工作,可相差数倍以上。 流向对阀芯使用寿命的影响图 (1)对产生闪蒸的临界压差△Pc 的影响。由于流闭型阻力小,流开型阻力大,因此,在节流时前者阻力小,压力恢复大,即压力损失小,后者阻力大,压力损失大。如果我们让压力下降的zui低点正好等于该介质的饱和蒸气压 Pv 值,此时在阀上的压降就正好等于产生闪蒸的临界压差△Pc,见下图。从图中我们可以明显地看出:流闭型△Pc1 小,流开型△Pc2 大,即流闭型比流开型易产生闪蒸。由计算△Pc=FL2(P1 -PV) (a) 流闭型(b) 流开型 流向对△Pc 的影响 可见其中FL 反映了压力在节流口的恢复程度。查表知道: 单座阀流闭型FL=0.8,流开型FL=0.9; 角形阀流闭型FL=0.5~0.8,流开型FL=0.85~0.9。 因此流闭型FL 值小,故△Pc 小。 (2)对“自洁”作用性能的影响。对角形调节阀,流闭型介质往下流动(侧进底出),有冲刷和"清洗" 的作用,故"自洁"作用好;流开型,介质往上流动(底进侧出),介质中的易沉淀物易堆积在上容腔死区内,造成堵塞现象,故"自洁"作用差.这就是调节阀用于易堵塞场合时应选流闭型的原因所在。 (3)对阀杆密封性能的影响。当 P2 处于阀杆端时,阀杆密封性好,P1 在阀杆端时,阀杆密封性较前 者差,特别是在高压差时更为突出。 一般调节阀对流向的要求可分为3 种情况: ① 对流向没有要求,即为任意流向,如球阀、普通蝶阀; ② 规定了某一方向,一般不得改变,如三通阀、文丘里角阀、双密封带平衡孔的套筒阀; ③ 根据工作条件,存在流向的选择问题.这一类阀主要为单座阀、单密封的调节阀,如单座阀.角型阀、高压阀、无平衡孔的单密封套筒阀等.后面一类阀怎样选择呢?为了便于应用,把前面流向对工作性能的影响分析、归纳在一个表中,并以此为选择根据得出调节阀流向选择,见下表。 从上表中可以看出,两种流向各有利弊,在具体选择时,应根据阀工作的主工矛盾来决定之。 结合到阀的具体结构时: ①高压阀,dg≤20 时,通常压力大,压差高,汽蚀冲刷严重,应选流闭型;dg>20 时,因存在稳定性问题,应根据情况决定。 ②角型阀,对高粘度、悬浮液、含固体颗粒介质,要求"自洁"性能好,应选流闭型;仅为角形连接时,可选流开型。 ③单座阀,通常选流开型。 ④小流量调节阀,通常选流开型,当冲刷厉害时,可选流闭型。 ⑤单密封套筒阀,通常选流开型,有“自洁”要求时,可选流闭型。 ⑥对两位型调节阀(单座阀、角形阀、套筒阀等,快开流量特性),应选流闭型;当出现水击、喘振时应改用流开型。其中,当选用流闭型且ds<dg 时,阀存在稳定性较差问题。 还应注意以下几点: ①zui小工作开度大于20~30%以上。 ②选用刚度大的弹簧(推荐选用0.6~1.8×100KPa 范围的弹簧)。 ③选用对数流量特性。 需要纠正一下国内在流向概念上存在的错误。过去流向的划分除按流动方向来定义外,还从不平衡力的作用方向来定义。认为,“-”ft 的作用是将阀芯顶开的,故称流开型;“+”ft 的作用是将阀芯压闭的,故称流闭型。从上图中看出,在同一种流向的情况下,ft 可能是“+”,也可能是“-”,自相矛盾。因此,正确的划分只能从流动方向来定义。从后一种错误的定义出发,进一步得出的流开型恒为“-”ft,故稳定性好,流闭型恒为“+”ft,故稳定性差的结论也是不全面的。这一错误概念带来不少问题。如在高压阀应用上,认为流闭型恒为“+”ft,故笼统地定为流开型,结果,大量高压差下使用的小口径高压阀使用寿命极短.作者根据本书对不平衡力和流向的分析中提出的问题,将 dg≤20 的小口径高压阀改为流闭型,稳定性不变,却使高压阀使用寿命得以明显提高,有的提高了十几倍。 (1)调节阀常用的是四氟“V”形填料和石墨“O”形填料。 (2)四氟填料摩擦小,但耐温差,寿命短;石墨填料摩擦大,但耐温好,寿命长;高温下和带定位器的阀建议选石墨填料。 (3)若四氟填料常换,可以考虑用石墨填料。 目前,柔性石墨填料应用越来越广泛,特别是在高温情况下,选用这种填料,密封可靠,并可省去散热片,经济性也好。如高温蝶阀、高温高压调节阀均采用这种结构。这样一来,生产厂将有柔性石墨填料和四氟填料两种供选用。四氟、石墨填料的比较,选择见下表。 (1)调节阀的附件主要有:定位器、转换器、继动器、增压阀、保位阀、减压阀、过滤器、油雾器、行程开关、位置发讯器、电磁阀、手轮机构。 (2)附件起补充功能和保证阀运行的作用。必要的就增加,不必要的不增加。不必要时增加附件会提高价格并降低可靠性。 (3)定位器的主要功能是提高输出力和动作速度,不需要这些功能时,可不带,不是带了定位器就好。 (4)对快速响应系统,不要阀动作快,可选转换器。 (5)严格的防爆场合,可选:电气转换器+气动定位器。 (6)电磁阀应选择可靠的产品,防止要它动作时不动作。 (7)重要场合建议不用手轮机构,防止人为误动作。 (8)由生产厂家提供并总成在阀上供货,以保证系统和总成联接的可靠性。 (9)订货时,应提供附件的名称、型号、规格、输入信号、输出信号等。 (10)再重申:请注意这些“小东西”的重要性,尤其是可靠性,若必要时,华林所可配套日本气动元件,如电磁阀。 定位器是提高调节阀性能的重要手段之一。定位器利用闭环原理,将输出量阀位反馈回来与输入量比较,即阀位信号直接与阀位比较。在不带定位器时,阀位信号为气动压力。

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