彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理

                            彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理

                                 上海申弘閥門有限公司

之前介紹平板閘閥的工作原理，現(xiàn)在介紹彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理自力式壓力調(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動作的產(chǎn)品。當被調(diào)介質(zhì)壓力變化時按預定設定值進行自動調(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）。首先是自力式調(diào)節(jié)閥的壽命



一、彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理工作原理及結構特點

，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)導壓管輸入上膜室作用在執(zhí)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(diào)節(jié)閥的閥前式調(diào)節(jié)其閥芯的初始位置為關閉狀態(tài)，其力平衡原理與閥后式相同（見圖2）。閥門的技術規(guī)范主要是強度性能、密封性能、流動介質(zhì)、啟閉力和啟閉力矩、啟閉速度 動作靈敏度和可靠性和使用壽命幾個方面，下面對各方面作簡單介紹。



(1)閥門的強度性能是指閥門承受介質(zhì)壓力的能力。閥門是承受內(nèi)壓的機械產(chǎn)品，所以為了保證能使用而不發(fā)生破裂或產(chǎn)生變形，就必須具有足夠的強度和剛度。

(2)閥門的密封性能是指閥門的各密封部位阻止介質(zhì)泄漏的能力。閥門有三個密封部位：啟閉件與閥座兩密封面間的接觸處、填料與閥桿和填料函的配和處、閥體與閥蓋的連接處。啟閉件與閥座兩密封面間的泄漏叫做內(nèi)漏，它會影響閥門截斷介質(zhì)的能力。后兩處的泄漏叫做外漏，即介質(zhì)從閥內(nèi)泄漏到閥外。外漏會造成物料損失，污染環(huán)境，對于易燃易爆、有毒或有放射的介質(zhì)會造成事故，外漏更不能允許存在。

(3)介質(zhì)流過閥門后會產(chǎn)生壓力損失，也就是閥門對介質(zhì)的流動有一定的阻力，介質(zhì)為克服閥門的阻力就要消耗一定的能量，從節(jié)約能源上考慮，設計和制造閥門時，要盡可能降低閥門對流動介質(zhì)的阻力。

(4)啟閉力和啟閉力矩是指閥門開啟或關閉時必須施加的作用力或力矩。關閉閥門時，需要使啟閉件與發(fā)座兩密封面間形成一定的密封比壓，同時還要克服閥桿與填料之間、閥桿與螺母的螺紋之間、閥桿端部支承處及其他磨擦部位的摩擦力，因而必須施加一定的關閉力和關閉力矩，閥門在啟閉過程中，所需要的啟閉力和啟閉力矩不是固定的，其大值是在關閉的終瞬時或開啟的初瞬時。所以設計和制造閥門時要盡量降低關閉力和關閉力矩。

(5)啟閉速度是用閥門完成一次開啟或關閉動作所需的時間來表示的。有些工況對啟閉速度有特殊要求，比如有的要求迅速開啟或關閉，以防發(fā)生事故，有的要求緩慢關閉，以防產(chǎn)生水擊等。

(6)動作靈敏度和可靠性是指閥門對于介質(zhì)參數(shù)變化做出相應反應的敏感程度。對于節(jié)流閥、減壓閥、調(diào)節(jié)閥等用來調(diào)節(jié)介質(zhì)參數(shù)的閥門以及安全閥、疏水閥等具有特定功能的閥門來說，其功能靈敏度與可靠性是十分重要的技術性能指標。

(7)使用壽命表示閥門的耐用程度，一般是以能保證密封要求的啟閉次數(shù)來表示，也可以用使用時間來表示。

選擇閥門時，閥門的這些基本技術規(guī)范必定是在參考的范圍內(nèi)。



淺談自力式調(diào)節(jié)閥

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥自力式壓力調(diào)節(jié)閥需正確選型和正確安裝、使用，才能保證投入運行后不出現(xiàn)什么問題。選型方面就不用多說了，比如調(diào)節(jié)閥是用來控制閥前壓力閥后壓力，介質(zhì)是常溫高溫，有無腐蝕性，高工作壓力等等，一定要事先搞清楚，我們主要談談安裝使用方面問題。自力式壓力調(diào)節(jié)閥不需要其它外來能源如電源、氣源，僅靠介質(zhì)自身能量來驅(qū)動，既節(jié)能又環(huán)保，使用方便，安裝完畢后設定好壓力值即可投入自動運行，對控制精度要求不高，又缺乏電源、氣源場合，到了越來越廣泛使用。

閥門是用蒸汽管道上，投入使用才短短一兩個月，用戶就報修。到現(xiàn)場一看，大量蒸汽從調(diào)節(jié)閥膜頭排氣孔中排出，噪聲極大，聲勢驚人。事故原因，明顯是蒸汽沒冷凝，直接進入膜頭，燒壞了膜片。

用于蒸汽管道自力式壓力調(diào)節(jié)閥，安裝時必須執(zhí)行器和管道之間加一個冷凝罐，不能讓蒸汽進入執(zhí)行器膜頭，調(diào)節(jié)閥必須頭朝下安裝，冷凝罐要高于膜頭，初次使用，一定要將冷凝罐和膜頭中加滿水?？船F(xiàn)場安裝方式，詢問現(xiàn)場儀表人員，這些都沒問題，那么是什么造成呢?令人百思不其解。后來，仔細詢問了一個操作工，無意之下知：這臺閥門安裝、投入使用后，冷凝罐和膜頭之間銅管接頭一直斷斷續(xù)續(xù)漏水。原來是這樣，漏水導致冷凝罐里水慢慢漏光，蒸汽就進入膜頭，燒壞了膜片。

由此可見，自力式壓力調(diào)節(jié)閥蒸汽管道上使用時，安裝、維護方面一定要多加注意，為保證調(diào)節(jié)閥正常運行，千萬不能讓接頭漏水，不能讓冷凝罐缺水，要定期檢查，適時加水。其實，是自力式壓力調(diào)節(jié)閥，就是其它自力式調(diào)節(jié)閥，使用時也需注意維護和保養(yǎng)才行。另外，蒸汽壓力較高，選用活塞式執(zhí)行器，而不取薄膜式執(zhí)行器，膜片一般能承受壓力不超過0.4Mpa，過此能用，卻要大大降低使用壽命。



自力式壓力調(diào)節(jié)閥的原理及特點

它集控制，執(zhí)行諸多功能于一身，自成1個獨立的儀表控制系統(tǒng)。集變送器、控制器及執(zhí)行功能于一體。不同于一般含義上的控制閥。相對于手動調(diào)節(jié)閥，它的優(yōu)點是能夠自動調(diào)節(jié);相對于電動調(diào)節(jié)閥，它的優(yōu)點是不需要外部動力。應用實踐證明，在閉式水循環(huán)系統(tǒng)(如熱水供暖系統(tǒng)、空調(diào)冷凍水系統(tǒng))中，正確使用這種閥門，可以很方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的流量分配;可以實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)平衡;可以大大簡化系統(tǒng)的調(diào)試工作;可以穩(wěn)定泵的工作狀態(tài)等。

自力式調(diào)節(jié)閥依靠流經(jīng)閥內(nèi)介質(zhì)自身的數(shù)字壓力表、攝氏度作為能源驅(qū)動閥門自動工作，不需要外接電源和二次儀表。這種自力式調(diào)節(jié)閥都利用閥輸出端的反饋信號源(數(shù)字壓力表、壓差、攝氏度)通過信號源管傳遞到運行組織驅(qū)動閥瓣改變閥門的開度，達到調(diào)節(jié)數(shù)字壓力表、流量、攝氏度的目的。這種調(diào)節(jié)閥又分為直接功用式和間接功用式兩種。



特點

自力式壓力調(diào)節(jié)閥無需外加能源，能在無電無氣的場所工作，既方便又節(jié)約了能源。

壓力分段范圍細且互相交叉，調(diào)節(jié)精度高。

壓力設定值在運行期間可連續(xù)設定。

對閥后壓力調(diào)節(jié)，閥前壓力與閥后壓力之比可為10：1～10：8。

橡膠膜片式檢測，執(zhí)行機構測精度高、動作靈敏。

采用壓力平衡機構，使調(diào)節(jié)閥反應靈敏、控制。



自力式壓力調(diào)節(jié)閥優(yōu)點在于結構簡單，維護工作量小壓力設定點可調(diào)且范圍寬，便于用戶在設定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)采用壓力平衡機構，使調(diào)節(jié)閥反應靈敏、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、高粘度的介質(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？根據(jù)用戶反應的現(xiàn)象是調(diào)節(jié)閥會出現(xiàn)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(zhì)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。下面以我公司該類產(chǎn)品在某企業(yè)的應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計和應用。壓縮彈簧，帶動閥芯、使閥門開啟度增大，直至閥前壓、穩(wěn)壓之目的。如閥前壓力增加，作用于膜片上的力增機構作用于膜片上，使閥芯隨之發(fā)生相應的位移，達到泄一路經(jīng)冷凝器（介質(zhì)為蒸汽時使用）冷卻后，被引入執(zhí)行為壓開型。其原理如下：介質(zhì)由箭頭方向流入閥體，另  圖一b、用于控制閥前壓力的調(diào)節(jié)閥，閥的作用方式升到設定值為止。


作用力，帶動閥芯，使閥門開啟度增大，直到閥后壓力上如閥后壓力降低，作用在膜片上的力減小，由于彈簧的反門開啟度減小，直至閥后壓力下降到設定值為止。同理，加，作用于膜片上的力增加，壓縮彈簧，帶動閥芯、使閥發(fā)生相應的位移，達到減壓、穩(wěn)壓之目的。如閥后壓力增用)冷卻后，被引入執(zhí)行機構作用于膜片上，使閥芯隨之芯、閥座節(jié)流后輸出。另一路經(jīng)冷凝器（介質(zhì)為蒸汽時使為壓閉型。其原理如下：介質(zhì)由箭頭方向流入閥體，經(jīng)閥  圖一a、用于控制閥后壓力的調(diào)節(jié)閥，閥的作用方式接管等四部分組成，其結構詳見圖一。
  調(diào)壓閥主要由檢測執(zhí)行機構、調(diào)節(jié)閥、冷凝器與閥后二、結構與作用原理 動控制。


（用于閥后調(diào)節(jié)），或泄壓、穩(wěn)壓（用于閥前調(diào)節(jié)）的自群等各種工業(yè)設備中用氣體、液體及蒸汽介質(zhì)減壓、穩(wěn)壓化工、電力、冶金、食品、輕紡、機械制造與居民建筑樓特性，動作靈敏，密封性能好，因而它廣泛應用于石油、了能源，壓力設定值在運行中可隨意調(diào)整。采用快開流量產(chǎn)品大特點，能在無電、無氣的場所工作，同時又節(jié)約用被調(diào)介質(zhì)自身能量而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的執(zhí)行器產(chǎn)品。該  ZZY型自力式壓力調(diào)節(jié)閥是不需要任何外加能源，



二、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）。



三、設計分析

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(nèi)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(nèi)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(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。第二臺閥的任務除了正常的減壓外，也應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閉的情況下起到二次切斷介質(zhì)的作用，終保證閥后壓力，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簧承受壓力的變化較大，特別是兩臺閥在關閉介質(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，因此在設計計算此彈簧時應充分考慮這一因素。

（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，當控制系統(tǒng)末端關閉后重新開啟時產(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(chǎn)品的良好性能。



四、選型計算

（1）壓力分配計算

為確保閥后壓力在設定范圍內(nèi)，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(shù)值見表1：

兩臺閥對閥前、閥后介質(zhì)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(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1000KPa、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大小對應選型，*臺閥口徑為DN25；第二臺閥口徑為DN40。



五、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(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(shù)值，查機械設計手冊可得具體數(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(diào)節(jié)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(wěn)壓范圍中小壓力及大壓力時，對應彈簧的小受力及大受力，F(xiàn)lim為設計彈簧的極限受力?！鱤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(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，根據(jù)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(jù)彈簧所選擇的材料確定許用應力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)。在設計中應初設幾個旋繞比C值做計算，比較結果選取*的方案。
在許多工藝過程中，壓力是一個重要的參數(shù).分離器，;分餾塔，反應器、水和氣體管網(wǎng)等都借助于壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(S1lA-P)來保持壓力為常數(shù)。


對于一個液動或氣動系統(tǒng)，從自力式壓力調(diào)節(jié)閥與變送器的安裝位置看，有兩種可能性：
1)自力式壓力調(diào)節(jié)閥安置在變送器的前面：
2)自力式壓力調(diào)節(jié)閥安置在變送器的后面
升壓設備SP，在一般的情況下，是壓縮機或泵，它把流體打入罐VP中。罐VP的出口處壓力為P，流量為Qe。管路系統(tǒng)的終端壓力是Pv。


壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是為了保持罐VP中的壓力恒定，調(diào)節(jié)器C的給定值是P：.當P>P真時，調(diào)節(jié)器C控制自力式壓力調(diào)節(jié)閥RR關小(如果自力式壓力調(diào)節(jié)閥R只安裝在下游，閥門將開大)。
自力式壓力調(diào)節(jié)閥可以安裝在壓力變送器TP的上游或下游，按工藝過程的要求可以采用液動系統(tǒng)或氣動系統(tǒng)。
自力式壓力調(diào)節(jié)閥安裝在上游的例子：多用戶氣體燃料的壓力調(diào)節(jié)，輸水管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)，蒸汽減壓等等。


自力式壓力調(diào)節(jié)閥安裝在下游的例子：分餾塔的壓力調(diào)節(jié)，反應器出壓力調(diào)節(jié)等等。
自力式壓力調(diào)節(jié)閥有兩種安裝位置，自力式壓力調(diào)節(jié)閥安裝在壓力變送器的前面。變送器安裝點的壓力由壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持在P1值，是常數(shù)。因為壓力P1一定，壓力降△Ps0是壓力P0和P1間之差：△Ps0=P0-P1。變送器右面管路系統(tǒng)上產(chǎn)生的壓力降， 僅僅影響通過自力式壓力調(diào)節(jié)閥的流量。



六、結論

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，并當現(xiàn)場后工段工藝介質(zhì)全關閉時充分體現(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(diào)節(jié)閥可以具備既穩(wěn)定設定壓力又切斷介質(zhì)的雙重功能，為該類產(chǎn)品拓展了更廣闊的應用領域。與本產(chǎn)品相關論文：超高溫煙道蝶閥閥桿斷裂處理