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铠沃阀门解析调节阀技术解密

日期:2019-05-30 来源:

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 阀内件(Valve Trim)



阀内件是与流体直接接触的阀内可拆卸的改变流通截面积和截流件导向等作用的零部件总称,包括典型截流件的阀芯(Plug)和阀座(Seat),还包括套筒(Cage)、阀杆(Stem)以及减噪器(Flow divider)、抗空化气蚀部件(AC-trim)、导向(Guide)、密封件、固定件,等等。阀内件主要功能是使流通截面积按一定规则比例变化,实现流通能力和阀芯/阀杆行程之间的相互关系,其次是保证紧密关闭,符合标准规定的泄漏率。


 阀芯(Plug) 



阀芯是阀内件中最为关键的部件,同时是控制阀的可动部件,阀芯与阀座配合使用,可紧密关闭切断流体,可通过改变节流截面积来调节流体通过量,进而达到过程控制的目的。


阀芯的形状(或笼式阀的套筒开口形状)决定着控制阀的流量特性,如常见的线性、等百分比、快开特性和抛物线特性等。阀芯阀座的尺寸以及阀内流路决定着控制阀的最大流通能力。


阀芯阀座的选材及其工艺处理决定着控制阀的工况应用和可靠性。阀芯阀座以及阀内件的设计直接反映了控制阀厂家的技术能力。



为了获得不同的阀门特性,阀芯结构设计有多种多样,一般分直行程和角行程两大类。单座型控制阀(Globe valve)一般都是顶部导向的直行程控制阀,采用最多的是柱塞型阀芯、套筒型阀芯,以及用于小流量的针形或圆柱铣槽阀芯,还有抗空化气蚀的多级阀芯和特殊设计阀芯。角行程阀芯是通过旋转运动来改变它与阀座间的流通面积。


早期的控制阀主要是单座阀,柱塞型阀芯。为了克服单座控制阀柱塞型阀芯不平衡力大、较低的流通能力和高噪声等问题,上世纪六十年代国外一些厂家开始研发不平衡力小、有较大流通能力、低噪声和便于拆装阀内件的套筒型控制阀。


与柱塞型阀芯相比,套筒型阀芯的紧密关闭切断功能和泄漏等级要差一些。在工业应用中,套筒易磨损,更会关闭不严和使泄漏量增大,造成功能安全不足。此外,套筒阀内件结构和流路也比柱塞型阀复杂,部件数量多,检维修内容多。密封件多也是套筒阀的一大特点,如Fisher 的ED 系列套筒阀的平衡阀芯就有5 个专用垫片,而抗挤压密封件或弹簧加载密封环都属易损件和检修更换件,更换频次高及专用垫片备件价格很高也使得维护成本增加。套筒阀的快捷拆卸设计则是应对套筒阀内件耐用性和经常检修的问题。


钻孔式笼罩式阀芯专为高压降的应用场合而设计,并消除气蚀、噪音、腐蚀和震动这些常见问题。通过钻孔的分布来实现流量特性。最小可控Cv由阀塞与阀笼之间的间隙以及密封面到阀笼最底侧孔的距离决定。



 阀芯流量特性 



  • 线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移(行程)成线性关系。即单位位移变化所引起的流量变化是常数。具有此特性的阀门在开度小时流量相对变化大,灵敏度高,不易控制,甚至发生振荡;而在开度大时,流量相对变化值小,调节缓慢,不够及时。    

  • 等百分比流量特性是指控制阀单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系,即曲线斜率是随行程的增大而递增的,也称为对数流量特性。在小开度时,流量变化小,调节平稳;在大开度时,流量变化大,调节灵敏有效。

  • 抛物线流量特性是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根为比例关系。抛物线流量特性主要是为了弥补线性流量特性在小开度时调节效果差的不足。多数厂家没有把抛物线流量特性的阀芯作为标准产品。

  • 快开流量特性在开度较小时就有较大的流量,随开度的增大,流量很快达到最大;此后再增加开度,流量变化很小。快开流量特性多用于开关型控制阀,在小开度时就可获得较大的流量。

  


 非平衡式阀芯和平衡式阀芯 



针对单座阀阀芯所受不平衡力大的问题,也有采用平衡型阀芯的解决方案,可使得现有推力有限的执行器可用。平衡型阀芯是在阀芯开有平衡孔,将流体压力引到阀芯另一侧平衡腔室并与阀出口流路密封隔离,这样阀芯两侧压力差的绝大部分被平衡掉,不平衡力只有相当于流体压力在阀杆截面积上的作用力了。由于平衡孔径相对小一些,若被堵上则平衡作用全失,平衡阀芯不适宜用于较脏、含较大固体颗粒物或易结晶易固化介质。常见的平衡阀芯都是将平衡腔室的筒体设计为固定的,密封环嵌装在平衡阀芯上,平衡阀芯类似活塞作上下提升运动。如下图所示,左侧为非平衡式阀芯,右侧为平衡式阀芯。



 抗空化气蚀阀芯 



在调节阀中产生的冲刷、汽蚀空化现象,其根本原因即是由于阀前后的压差过高,流速过快。一般认为当Δp>2.5MPa时,流体介质在阀内部进入节流部位时压力骤然下降,在通流截面面积最小处压力降至最低,当这一压力低于当前温度下流体的饱和蒸汽压时,部分液体会出现汽化,形成大量微小的汽泡,当流体流过节流口压力回升时,这些汽泡又发生破裂回到液态,对阀体和阀芯等部件产生冲击并带来噪声、振动、阀内件或阀体材质的破坏等危害。




控制阀厂家都致力于抗空化气蚀的解决方案,除了在选型计算上应用阻塞流方程和避开产生闪蒸和空化的条件,还从阀内件结构、材料选用等方面入手特殊设计出各种不同的抗空化气蚀阀芯。特殊设计的抗空化气蚀阀芯使流体在通过阀芯阀座时每一点的压力都高于该温度下的饱和蒸汽压,或采用多级降压级间压力恢复的多级阀芯,或采用特殊结构改变流动状态并提前破坏气泡而减小闪蒸效果使空化难以产生,同时降低噪声。


国内外一些调节阀厂商都研发了各种不同类型的专门应用于苛刻工况下的抗汽蚀多级降压调节阀。常见的多级降压调节阀分为三类,虽然在结构上有所不同,但有着共同的工作原理,都是通过改变结构将总的压差进行分段多级降压,使每一级压降Δp1小于产生空化的临界压差,从而有效避免了汽蚀等危害的发生。





 1、串级式调节阀 



串级式多级降压结构如图所示,这种结构把原本的一个整体的节流区域以多个分开的节流区域互相串联,从而使较大的压差转换为多个较小的压差,使每一次的降压范围都控制在饱和蒸汽压以上,使空化现象不再出现。




串级式调节阀多用于液体介质工作的场合,其特点在于:


  • 启闭过程中能够减轻持续压差,每一级节流口的动作均滞后于上一级节流口,可以使在启闭过程时作用于阀口的持续高压逐级减轻,分担了第一级节流口的压力。

  • 流阻较小,可以胜任流体清洁度不高,甚至固液两相流的场合。

  • 串级式阀芯一般进行碳化钨喷涂硬化处理,抗冲刷汽蚀性能良好。

  • 制造过程与其他多级降压调节阀相比工艺较为简单,加工方便,制造成本也较为低廉。

  • 串级式调节阀一般降压级数有限,多为3~4级,不能应用于压差过高的场合。


 2、多层套筒式调节阀 



如图所示,多层套筒式调节阀典型结构特征是阀芯部分节流件由数层加工有小孔的套筒构成,每层套筒之间都留有一定的间隙,使流体流经套筒时得以缓冲,从而将流体速度控制在一定范围内。



其特点在于:


  • 多级套筒式调节阀降压级数可以设计得较大,降压能力与串级式相比较强,能够胜任高压差的场合。

  • 多层套筒式结构既能满足较高的压降要求,同时又能在工作时保证较大的流量。

  • 抗汽蚀性能良好,用于液体介质时,流体由最外侧套筒流向最内侧,液体介质在套筒中逐级降压以减轻空化汽蚀现象的发生,并且流体最终从内侧套筒上的小孔中喷射至中心阀腔区域,使汽泡在套筒中心部位破裂,不直接对阀门金属表面产生伤害。

  • 抗噪声、振动性能良好,用于气体介质时由套筒内侧向外流动,靠外侧套筒的孔径和间隙与内侧相比均有所扩大,使气体介质在逐级降压过程中不断膨胀,可以有效地降低噪声及振动带来的危害。

  • 套筒加工过程比较复杂,成本较高。但安装与维护简便,易于更换。


 3、迷宫式调节阀 



迷宫盘片式多级降压结构如图所示,其核心节流部分由多个开有迷宫式沟槽的金属盘片叠加而成。流体流经迷宫流道中经过多次碰撞转折,消耗能量,在逐级降压过程的同时,使流速也得到了控制。



其特点如下:


  • 迷宫流道的拐弯级数就是迷宫式调节阀的降压级数,一般可达十几到二十几级,所以迷宫式多级降压结构是常见多级降压调节阀中降压能力最强的,国外有产品最高可以达40MPa。

  • 出色的抗汽蚀冲刷及消声减振性能,多级拐弯迷宫式流道可以有效地控制流体流速,避免空化、噪声及振动等不良现象的发生。

  • 通过使用不同形式的迷宫盘片进行组合,迷宫式调节阀可以达到不同的流量特性调节曲线。

  • 迷宫式盘片制造精度要求很高,一般由司太立合金堆焊,有较长的使用寿命;

  • 安装与维护比较简便,盘片易更换。

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