自力式壓力調節閥設計選型

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用，現在介紹自力式壓力調節閥設計選型介紹了自力式壓力調節閥工作原理及結構特點。重點闡述了彈簧型自力式壓力調節既可穩壓又可斷閥介質的雙重功能，并通過特殊工況下的實際應用來進一步分析彈簧型自力式壓力調節實現雙重功能的壓力分配原則、選型計算及設計特點并詳細敘述了彈簧型自力式壓力調節閥中關鍵零件的作用及設計計算。    

0 自力式壓力調節閥設計選型概述
    自力式壓力調節閥是一種無需外加驅動能源，依靠被調介質自身的壓力為動力源，當被調介質壓力變化時按預定設定值進行自動調節的節能型控制裝置。它集檢測、控制、執行諸多功能于一體，自成一個獨立的儀表控制系統。由于自力式壓力調節閥是一款使用簡單方便的節能產品，所以世界各國調節閥公司紛紛推出了各種類型的產品，主要分為杠桿式自力式調節閥、指揮器式自力式調節閥、彈簧式自力式調節閥等（以下用彈簧式自力式壓力調節閥為例）。
    1 工作原理及結構特點
    彈簧式自力式壓力調節閥工作原理，以常用型閥后式為例（見圖1），閥芯的初始位置為開啟狀態，閥后壓力P2經導壓管輸入上膜室作用在執行機構膜片上，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定彈簧的作用力，使閥芯向著關閉的位置運動，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降為設定值。同理，當閥后壓力P2降低時，動作方向與上述方向相反。自力式壓力調節閥的閥前式調節其閥芯的初始位置為關閉狀態，其力平衡原理與閥后式相同（見圖2）。

    自力式壓力調節閥優點在于結構簡單，維護工作量小壓力設定點可調且范圍寬，便于用戶在設定范圍內連續調節閥內采用壓力平衡機構，使調節閥反應靈敏、控制、允許壓差大被調介質為腐蝕性低、具有流動性的輕質油品、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、高貓度的介質需要配置冷凝器、隔離罐等附件。此產品廣泛應用于天然氣采輸、城市供熱及冶金、石油、化工、電力等行業中介質連續使用工況下的調節控制。但此產品在閥后介質用量減少、或無用量時、或者間斷用量時的控制又會如何呢據用戶反應的現象是調節閥會出現泄露情況，導致閥的前后差壓*相等當使用末段關閉后重新開始使用介質時，閥門又恢復了減壓功能，同時存在憋壓后再開啟時造成瞬間高壓沖擊，極有損壞設備的可能性。下面以我公司該產品在某企業的應用實例來闡述彈簧式自力式壓力調節閥（以下簡稱閥）針對這類特殊工況的設計和應用。
自力式壓力調節閥工作原理

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閉狀態。  當閥前壓力P1通過閥芯、閥座的節流后變為閥后壓力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定彈簧的反作用力，使閥芯向離開閥座方向移動，導致閥的開度變大，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降為設定值。同理，當閥前壓力P1降低時動作方向與上述相反，這就是閥前壓力調節的工作原理。 
     圖一閥前控制原理    

自力式壓力調節閥工作原理

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。  當閥前壓力P1通過閥芯、閥座的節流后變為閥后壓力P2，同時P2經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定彈簧的反作用力，使閥芯關向閥座的位置，導致閥的開度減小，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降為設定值。同理，當閥后壓力P2降低時，動作方向與上述相反，這就是閥后壓力調節的工作原理。 
    2 特殊工藝參數
    控制系統為穩定閥后壓力的系統，介質為氮氣，系統的初始管道壓力為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10分鐘后停止使用1小時，并按此方式循環使用；正常使用時閥后壓力穩定在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 設計分析
    根據上述工藝要求，為了保證控制系統介質正常使用時的壓力，可選擇一臺閥降壓也可以選擇兩臺，但考慮到后工段*關閉介質時的特殊要求，選擇使用兩臺閥進行雙級降壓能夠更好的分解設定壓力，減小單臺閥過重的負載，以*化的方式滿足此工藝要求。
    （1）在閥內件設計方面，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，減小因內漏造成的閥后壓力升高。
    （2）兩臺閥需要合理分配設定壓力。*臺閥的關鍵任務①當系統正常使用介質時降低大部分閥前壓力，使閥后壓力穩定在一個適中的壓力值上②能夠切斷介質且在切斷介質后閥后壓力只有小幅上升以利于第二臺閥的控制。第二臺閥的任務除了正常的減壓外，也應能較好起到切斷介質的作用，并在*臺閥因其他未知原因不能正常關閉的情況下起到二次切斷介質的作用，終保證閥后壓力小于田伙幾，滿足工藝要求。
    （3）在關鍵的控制元件一一彈簧的設計中，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，特別是兩臺閥在關閉介質時，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，根據系統受力平衡分析，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，因此在設計計算此彈簧時應充分考慮這一因素。
    （4）調節閥距控制系統末端有800～1000米左右的輸送管道，當控制系統末端關閉后重新開啟時產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閉，所以閥的關鍵部件所采用的材料也應合理捧擇，并建議用戶及時更新易損件，以保障產品的良好性能。
    4 選型計算
    （1）壓力分配計算
    為確保閥后壓力在設定范圍內，其閥前壓力和閥后壓力應滿足減壓比（10：1～10：8）的關系，詳細數值見表1：

    兩臺閥對閥前、閥后介質壓力的合理分段應首先保證第二臺閥關閉時閥后壓力不高于800KPa，那么對于第二臺閥的閥前壓力應該滿足大于小減壓比，所以選擇*臺閥的閥后壓力穩定在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、閥后穩壓為1000PKa、調壓范圍為900-1100PKa：
    第二臺閥：閥前壓力1000KPa、閥后穩壓為700KPa、調壓范圍為600-800KPa。
    （2）口徑計算
    調節閥的選型主要是根據客戶提供的閥前壓力、閥后壓力及大流量等參數通過計算來確定閥的流量系數（Kv值）、口徑等主要參數。Kv值的計算公式有很多種，表2中的公式是針對介質為氣體，涉及物化參數較少的計算公式。

    由已給的條件計算出兩臺閥的流量系Cv。
    己知系統初始管道壓力為2800KPa，后工段所需要的大流量為2000NM3/h。設定*臺閥的流量控制在4000NM3/h，閥后壓力穩定在1000kpa；第二臺閥的流量為已知的2000NM3/h，閥前壓力為1000kpa，閥后壓力穩定在700kpa。介質為氮氣，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，再根據式（3）計算出的Cv大小對應選型，*臺閥口徑為DN25；第二臺閥口徑為DN40。

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

    式中，P（MPa）：計算壓力（由設計給定）；Dn（mm）：計算口徑（由設計給定）；
    [OL]（MPa）：許用拉應力，可查機械設計手冊得出；
    C（mm）：腐蝕余量（由設計給定，一般取C=6.3mm）；
    選擇SB≥S‘B即可滿足設計要求，SB（mm）實際選用厚度。
    （2）閥桿強度校核計算
    由于該閥的結構特點，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
    軸向應力（MPa）：
    合成應力OE（MPa）：取軸向應力中的大值
    KI～K4：為應力系數值，查機械設計手冊可得具體數值
    QV（N）：密封面處介質作用力；QT（N）：密封面上密封力；
    Q0（N）：閥桿徑向截面上介質作用；QT（N）：閥桿與填料摩擦力；
    FS（mm2）：閥桿小截面積；
    強度校核條件。OE>[OE]許用合成應力[QE]可查機械設計手冊得出。

    （3）彈簧的設計計算
    彈簧是自力式壓力調節閥中的關鍵零件，采用的材料為60Si2MnA硅錳彈簧鋼。圖4為彈簧應力及應變的關系圖，圖中F1及F2為閥后穩壓范圍中小壓力及大壓力時，對應彈簧的小受力及大受力，Flim為設計彈簧的極限受力。△h對應的是彈簧正常的壓縮量同時也是閥的行程。
    當控制系統處于平衡狀態時，根據工藝要求的設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：

    根據彈簧所選擇的材料確定許用應力TP，然后在4～14范圍內初步確定旋繞比，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n；后確定彈簧的所有參數。在設計中應初設幾個旋繞比C值做計算，比較結果選取*的方案。

    6 用結論
    這套自力式壓力調節閥通過現場的實際使用證明能及時將閥后壓力控制在規定的范圍內，具有良好的穩壓性能，并當現場后工段工藝介質全關閉時充分體現了它的密封性能，很好的滿足了系統的工藝要求，深得用戶的好評。通過這個應用實例可以得出結論在一定的條件下通過特殊設計，自力式壓力調節閥可以具備既穩定設定壓力又切斷介質的雙重功能，為該類產品拓展了更廣闊的應用領域。
參考文獻與本產品相關論文：200X先導隔膜式水用減壓閥安裝要求
    1 陸培文，實用閥門設計手冊（M）。北京機械工業出版社，2002年。
    2 成大先，機械設計手冊第三版（M）。北京：化學工業出版社，1997的年
    3 徐撅，機械設計手冊（M）。北京：機械工業出版社，1991年