作 者： 楊宏
摘 要： 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。
關(guān)鍵字： 彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理雙重功能特殊工況設(shè)計

0 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)采用壓力平衡機構(gòu)，使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏、控制精確、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據(jù)用戶反應(yīng)的現(xiàn)象是閥門會出現(xiàn)泄露情況，導(dǎo)致閥的前后差壓完全相等當(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。

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，后工段所需要的最大流量為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，但考慮到后工段完全關(guān)閉介質(zhì)時的特殊要求，選擇使用兩臺閥進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載，以最優(yōu)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。第一臺閥的關(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，并在第一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，最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遠大于閥前壓力，所以此時彈簧所承受的負載也相對變大，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)該滿足大于最小減壓比，所以選擇第一臺閥的閥后壓力穩(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：

第一臺閥：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、閥后壓力及最大流量等參數(shù)通過計算來確定閥的流量系數(shù)（K_v值）、口徑等主要參數(shù)。K_v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。

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由已給的條件計算出兩臺閥的流量系C_v。

己知系統(tǒng)初始管道壓力為2800KPa，后工段所需要的最大流量為2000NM³/h。設(shè)定第一臺閥的流量控制在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。第一臺閥：p_1≥2p₂，所以選擇公式（1）計算k_v值，第二臺閥：p₁<2p₂，所以選擇公式（2）計算k_v值：

代入已知條件計算出kv，再根據(jù)式（3）計算出的C_v大小對應(yīng)選型，第一臺閥口徑為DN25；第二臺閥口徑為DN40。

5 設(shè)計計算

（1）閥體壁厚的計算

第一、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）；

[O_L]（MPa）：許用拉應(yīng)力，可查機械設(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S_B≥S'_B即可滿足設(shè)計要求，S_B（mm）實際選用厚度。

（2）閥桿強度校核計算

由于該閥的結(jié)構(gòu)特點，閥桿只做上下直線運動，所以對閥桿強度核算的計算采用升降桿明桿強度驗算公式

關(guān)閉時閥桿總軸向力（N）：

開啟時閥桿總軸向力（N）：

閥桿最大軸向力（N）：取Q₀及Q_K中最大值

軸向應(yīng)力（MPa）：

合成應(yīng)力O_E（MPa）：取軸向應(yīng)力中的最大值

KI∼K4：為應(yīng)力系數(shù)值，查機械設(shè)計手冊可得具體數(shù)值

Q_V（N）：密封面處介質(zhì)作用力；Q_T（N）：密封面上密封力；

Q₀（N）：閥桿徑向截面上介質(zhì)作用；Q_T（N）：閥桿與填料摩擦力；

F_S（mm²）：閥桿最小截面積；

強度校核條件。O_E>[O_E]許用合成應(yīng)力[Q_E]可查機械設(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優(yōu)質(zhì)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)壓范圍中最小壓力及最大壓力時，對應(yīng)彈簧的最小受力及最大受力，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最小壓力和最大壓力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T_P，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；最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)果選取最優(yōu)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。