单座调节阀设计-毕业论文

单座调节阀的设计 学位论文完成日期 2005 年 8 月 摘 要 先进的现代化工业是以生产自动化为标志的。从自动化系统的发展历史和进 步来看，技术工具的变革起着极为重要的作用。各种先进的控制手段虽然不断出 现，但基本的控制规律没有改变，而技术工具的变化则是日新月异。调节阀作为 自动化系统中关键的技术工具之一也正经历着更新换代。 本论文在详细调查和研究的基础上，分析了目前调节阀行业的发展状况和技 术水平，分析了国外先进产品的技术特点和技术优势，列举了传统单座调节阀的 不足之处。 结合本企业的实际情况及国内市场的需求，借鉴国内外调节阀的先进技术， 设计了新型的具有特色的单座调节阀。 本文阐述了吴忠仪表股份有限公司单座调节阀的总体方案设计和关键技术参 数的确定，样机试制后，又进行了试验，并对试验数据进行了分析研究。 本设计中解决的关键技术和创新点有：阀体 S 型流线型流道设计，减少压降 损失，阀体流通能力强，流量大；阀芯的上导向式设计，减少调节阀泄漏点，优 化结构，降低成本；更接近理想的阀芯型面设计，流量特性曲线精度更高，提供 更大的可调范围。 相信不久的将来，随着各方面技术的不断成熟和发展，会有更先进的调节阀 出现。 关键词：单座调节阀 阀体流道 阀内件结构 流量 可调范围 ABSTRACT Automation of manufacture is the symbol of advanced modern industry. In view of the development history and improvement of automatic system, the technical tools have taken an important role in it. Many kinds of control methods have been introduced to control system. Though its basic control rule is invariable, technical tools change with each passing day. As a key technical tool of automatic system, control valve is regenerating. Based on detailed investigation and study, the article analyzes development and technical level of control valve, and analyzes technical characteristic and advantages of foreign product. Also, the article analyzes shortages of conventional control valve. Considering our companys reality and demands of domestic market, the article prefers to design a new type of single-seated control valve of its own features by introducing advanced technique from foreign control valve. The article describes total design project and confirmation of key parameters of the single seated control valve of Wuzhong Instrument Co., Ltd And after trail-manufacture, we did some tests. The article analyzes the data gotten from the tests either. Key techniques and innovations: “S” type flow channel is to lower pressure loss, to strengthen flow capability of the valve body and to increase flow. Up-guide structure of valve plug is to decrease leakage points of the control valve, to optimize structure and to lower cost. Perfect outline design of plug provides higher precision of flow characteristic curve and larger adjustable range. It is believed that more advanced control valve will come into being in near future with other technologys growth and development. Key Words: Single-seated control valve, Flow channel of valve body, Structure of valve trim, Flow, Adjustable range 目 录 中文摘要中文摘要 ABSTRACT 第一章 绪论 第一章 绪论1 1.1 问题的提出1 1.2 新型单座调节阀设计的目的及意义1 1.3 论文应用背景3 1.4 国内外技术发展水平概况4 1.5 论文主要内容6 第二章 单座调节阀理论分析 第二章 单座调节阀理论分析 8 2.1 调节阀技术及发展8 2.1.1 调节阀技术背景 8 2.1.2 调节阀的发展 9 2.2 调节阀的功能及技术分析9 2.3 单座调节阀的功能及技术分析 10 2.4 本章小结 12 第三章 单座调节阀的设计计算第三章 单座调节阀的设计计算13 3.1 结构形式与设计13 3.1.1 阀体及其连接型式 13 3.1.2 上阀盖型式17 3.1.3 填料型式 19 3.1.4 阀芯型式 20 3.1.5 阀芯导向型式 23 3.1.6 阀座型式 23 3.1.7 阀杆设计 24 3.2 流量特性及其选择24 3.2.1 可调范围 24 3.2.2 流量特性 27 3.3 流通能力和调节阀口径的计算33 3.3.1 流通能力的计算 33 3.3.2 调节阀口径的计算 34 3.4 单座调节阀工艺性分析36 3.5 本章小结38 第四章 单座调节阀试验分析 第四章 单座调节阀试验分析 39 4.1 壳体试验40 4.2 上密封试验41 4.3 整机密封试验41 4.4 流量试验42 4.5 本章小结50 第五章 结果分析第五章 结果分析52 5.1 流量特性斜率偏差计算结果分析52 5.2 流量实验结果分析53 第六章 结论与展望 第六章 结论与展望 55 6.1 结论55 6.2 展望55 参考文献 参考文献57 在读期间承担科研项目及取得成果在读期间承担科研项目及取得成果59 致谢致谢60 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 问题的提出 问题的提出 先进的现代化工业是以生产自动化为标志的。 从自动化系统的发展历史和进 步来看，技术工具的变革起着极为重要的作用。各种先进的控制手段虽然不断出 现，但基本的控制规律没有改变，而技术工具的变化则是日新月异。人们已经不 再满足于传统的生产方式，开始用模拟电路、数字化、微机化等先进技术进行革 新。智能仪表的研制和使用更为工业自动化开创了美好的未来。 典型的自动化控制系统主要有三个环节检测、 控制、 执行三大部分。 近年， 监测仪表和控制仪表受到数字技术和微处理器技术的影响，发生的变化已是有目 共睹，特别是作为主要产品的调节阀，也有长足的进步。传统使用的调节阀虽然 基本上满足许多工业系统的需要，但随着现代化工业的大规模发展，如何生产出 更多更好的先进产品，如何提高产品质量标准，如何更有效，更安全地操作，如 何更充分地利用资源，节约能源和保护生态环境，都给社会、人们提出新的课题， 人们已经对调节阀提出更严格、更高的要求。 展望未来，要面临的问题会更多：原材料供不应求，石油、煤、水资源的消 耗和欠缺；社会对提高生产力和改善工作条件的要求；环境保护及人类生活质量 提高的呼声。解决这些问题，就要对旧的过程控制系统进行改造，或者创造出更 新的过程控制方法，而新的系统对调节阀的要求就更高。 1.2 目的及意义 目的及意义 调节阀质量的提高，功能的扩展，适用范围的增加，对整个现代化工业具有 非同寻常的意义，而设计出能满足各方面需求的调节阀更是迫在眉睫。由于受结 构形式的限制，单座调节阀只能在大部分场合应用，但本文的目的是力求使调节 阀向着以下要求的方向设计： 一、质量更稳定，工作更可靠，操作更安全。 在过程控制中，调节阀直接和控制流体相接触，一旦发生故障，后果不堪设 想。在石油工业中，从油田到炼油厂，各种生产装置都大规模地集中检测和控制， 大部分操作条件都是在高温低压或高温高压中进行，介质都是易燃易爆的各种油 品，因此，调节阀的可靠性和防火防爆性被提到首位。在化工工业中，过程的多 样性及工艺条件的变化，对温度、压力、流量和液位四大热工变量的控制和执行 中，都是很多特殊问题要求调节阀能够适用。在电力工业中，火力发电厂要对锅 炉进行控制，锅炉调节系统中保持水位的正常至关重要，避免调节阀的误开、误 关、避免事故的发生又是何等的重要。 单座调节阀的设计 2 为了确保调节阀的工作性能和可靠性，必须做到如下的要求： 1保证调节阀的质量。调节阀的选用要经过严格的计算；类型、口径、各 项性能都要符合要求；调节阀各种重要零件的材料要严格地挑选；要有足够的强 度和刚度；要按照国家标准通过耐压试验，气密封等试验；生产厂家的制造技术 和测试方法必须符合标准，要由主管部门鉴定认可。严禁不具备生产条件的小厂 进行生产。 2确保可靠的操作性。这里不仅指调节阀本身的制造质量，而且包括对操 作人员的培训和素质的提高。为了便于操作，工艺人员一定要注意铭牌所标的注 意事项，根据我国新启动的调节阀新标准，执行机构的铭牌至少要标出制造厂名、 产品性好、额定流量系数、设计位号、产品编号及制造年月日等项；阀体上则要 铸出或冲出表示介质流动方向的箭头或公称通径以及公称压力。也可以标志在与 阀体牢牢固定的铭牌上。重要的阀门都要装有足够的附件，如阀门定位器、限位 开关等。要有足够的安装空间和操作空间，有足够的照明，由严格的操作规程。 3有应急装置。当高压气体设备发生事故时，为防止直接损害其它设备， 必须在连接设备的管路上安装切断装置，必要时安装快速切断阀。对快速切断阀 的泄漏量要有严格规定。在容易发生火灾的场合，要从结构上考虑到调节阀的耐 火性，或者用防火涂料等办法。 二、保护环境 保护自然环境、生活环境的重要性和必要性是众所周知的。调节阀对环境造 成不良影响的因素主要是大气污染和噪音等问题，公众和社会对此都有强烈的要 求。应该有相应的对策。 1防止污染。 “跑、冒、滴、漏”是许多化工厂、炼油厂的常见公害，也是 不易解决的问题。设备泄漏不仅浪费大量宝贵的物料和能源，而且污染环境，诱 发中毒，引起火灾和爆炸。为了防止大气污染，阀座的密封部位不能泄漏。要注 意密封方法和密封材料的选用，当流体有毒性时，例如氯气或一氧化碳等介质， 就要考虑用波纹管密封或更可靠的密封方法。为了防止更可怕的辐射性流体的泄 漏，更要遵照核电站的使用要求和规定，采用特殊的方法。 2防止噪音。在使用调节阀的环境保护问题中，噪声问题十分突出。由于 调节阀的使用必然造成流体的减压、速度变化和振动，噪声的产生是难以避免的， 问题是要控制它的噪声级的大小。在过程装置中，能产生噪声的设备有电动机、 泵、压缩机、锅炉、调节阀等，而调节阀的噪声占有很大比例。调节阀噪声的类 型有机械噪声、液体动力噪声和空气动力噪声。 三、节约能源 第一章 绪论 3 在使用调节阀的过程中要把节能问题和调节阀的结构、使用、安装、维修联 系起来。 1采用低阻抗阀门。使流体流过阀门的阻力最小，减少能耗。 2提高阀芯、阀座的密封性能。阀芯、阀座密封性能不好，阀门就不能完 全关闭，泄漏引起的压力下降造成动力损失。为了提高密封性，可以采用掺有玻 璃纤维的聚四氟乙烯或石墨等材料来代替纯四氟乙烯制造阀座，采用高硬度的密 封垫片，采用迷宫式密封面等办法。还要保护密封面不能损伤。 3尽量使用电动执行机构。采用气动执行机构要始终保持一定的气压才能 动作，这样，一年所消耗的能源很多，如果用电动执行机构，只需在改变开度时 供电，当阀门达到所需的开度就停止供电。虽然电动执行机构造价高，防爆性能 差，但从节能的角度看，有明显的优点。 四、适用于新能源 长期以来，石油是一种主要能源，而近年已经出现了许多新能源，这些新能 源从加工生产到运输、储存、都对调节阀提出特殊的要求。 1液化天然气。液化天然气是一种洁净的能源。它可以解决燃烧石油后产 生污染大气的公害问题。由于生产液化天然气装置的流体温度低达-162，在这 种低温情况下，对低温调节阀及其所用的材料和结构都有新的要求。关键在于解 决材料的强度、脆裂性和变形问题，要求动作部分不能冻结。 2液化煤浆。将煤粉碎后与溶剂混合，在经过一系列处理和脱硫，得到一 种优质燃料液化煤浆。用于这种系统的调节阀受煤浆的高速冲刷，会很快磨蚀 而损坏，材料的硬度、耐磨性、耐热性及韧性都很重要，选用合适的材料非常重 要。 1.3 论文应用背景 论文应用背景 今日的中国蓬勃发展，国家日益富强，各项事业稳步推进。政府在石油天然 气、石化、化工、电力、冶金钢铁、轻工制药、市政等领域投资持续增长，这不 但有效的推动了国民经济的持续发展，同时也为中国控制阀行业带来了前所未有 的机会。 控制阀是最终控制元件的最广泛使用的型式。 其他的最终控制元件包括计量 泵、调节挡板和百叶窗式挡板（一种蝶阀的变型）可变斜度的风扇叶片、电流调 节装置以及不同于阀门的电动机定位装置。 尽管控制阀得到了广泛的使用， 调节系统中的其他单元大概都没有像它那样 少的维护工作量。在许多系统中，控制法经受得工作条件如温度、压力、腐蚀和 污染都要比其它部件更为严重，然而，当它控制工艺流体的流动时，它必须令人 单座调节阀的设计 4 满意的运行至最少的维修量。 控制阀在管道中起可变阻力的作用。 它改变工艺流体的紊流度或者在层流情 况下提供一个压力降，压力降是由改变阀门阻力或摩擦力所引起的。这一压力降 低过程通常称为节流。对于气体，它接近于等温绝热状态，偏差取决于气体的非 理想程度（焦耳-汤姆逊效应） 。在液体的情况下，压力则为紊流或粘滞摩擦所消 耗，这两种情况都把压力转化为热能，导致温度略为升高。 常见的控制回路包括三个主要部分，第一部分是敏感元件，它通常是一个变 送器。它是一个能够用来测量被调工艺参数的装置，这类参数如流量、压力、液 位或温度。变送器的输出被送到调节仪表调节器，它确定并测量给定值与工艺 参数的实际值之间的偏差，并把校正信号送给最终控制元件控制器。阀门改变 了流体的流量，使工艺参数达到了设定值。 在气动调节系统中， 调节器输出的气动信号可以直接驱动薄膜式执行机构或 者活塞式执行机构，使阀门动作。在这种情况下，确定阀位所需的能量是由压缩 空气提供的，压缩空气应当在室外的设备中加以干燥，以防止冻结，并应净化和 过滤。 当一个气动控制阀和电动调节器配套使用时，可使用电-气阀门定位器或电- 气转换器。压缩空气的供气系统可以和用于全气动的调节系统一样考虑。 在控制理论的术语中，控制阀既有静态特性，又有动态特性，因而它影响整 个控制回路性能。静态特性或增益取决于阀门的尺寸、阀芯和阀座的结构以及执 行机构的类型、阀门定位器、阀前和阀后的压力以及流体的性质。 动态特性是由执行机构或有阀门定位器-执行机构组合决定的。对于较慢的 生产过程，如温度控制或液位控制系统，阀的动态特性在可控性方面一般不是限 制因素。对于较快的系统，如液体的流量控制，控制阀可能有明显的滞后，在回 路的可控性方面一定要有所考虑。一般只有控制系统的专家才需要关心控制阀的 动态特性。 1.4 国内外技术发展水平概述 国内外技术发展水平概述 全球阀门市场被 3 个主要经济体瓜分，分别是北美地区（美国、加拿大） 、欧 盟地区（德国、英国、法国、意大利） 、亚太地区（中国、日本） 、韩国、印度） 。 全球阀门市场约为 400 亿美元，其中各类控制阀约占阀门总产值的 40%，而且是 阀门行业中最具竞争力的产品。 工业自动化的发展带来了控制阀行业的巨变，从简单的自力式稳压器一直发 展到全智能化的控制阀经历了约 100 年的时间，如今控制阀在自动化系统中的重 要性已逐步被大家认识，从简单的热交换器温度控制阀到大型的先进控制系统全 第一章 绪论 5 面运行都离不开控制阀的正确选择与正常工作。 自上世纪 80 年代以来，世界各国的阀门工业出现了一些新的发展趋势。在有 利的国际贸易环境下，各主要阀门产出国同时进入景气阶段：美国、德国、英国、 法国、意大利、日本等国，许多国家在个别年份甚至出现高达两位数的增长率。 同时各主要阀门工业国不再以产量来竞争，而注重阀门产品的质量的技术水平， 着眼于产品性能、可靠性和减轻对环境造成的压力。目前国内外控制阀厂商纷纷 来到中国，投入到中国的巨大市场中。 活跃的国际阀门贸易成为促进各国阀门生产发展的助推器，几乎每个阀门生 产国家都可以发现以出口的高速增长带动国内阀门生产增长的例证。同时阀门的 国际贸易，特别是发达国家不断增长的阀门贸易不仅促进了技术交流，而且加快 了阀门产品标准的国际化，从而促进了各国阀门技术水平和生产水平的进一步提 高。 美国自然资源丰富，是世界上经济高度发达的国家，生产总值位居世界首位。 美国是传统的阀门强国，在二战后初期制造了全世界近半数的阀门产品，但以后 美国阀门产品在世界上的比重逐年减少。近几年美国阀门行业增长甚微，某些增 长因素被某些行业的萎缩相抵消了，虽然如此，美国阀门公司依然占据了全球阀 门市场的 40%。TYCO 国际公司是美国一家全球五百强企业，现在拥有 25 万名员 工，在全球 100 多个国家经营，年生产值为 340 亿美元，其下属的 TYCO 流体控 制公司是世界最大的阀门、执行器生产企业，它拥有 60 多个独立的品牌，能提供 最完整的阀门系列产品，提供全套的阀门控制解决方案。FLOWSERVE 公司是世 界第一的能独立提供流体控制产品及相关维修和更换服务的公司。 DRWSSER 公司 在控制阀门行业创下了多项世界第一：最先开发了控制阀顶部导向和底部导向技 术；最先研制了第一台通用控制阀以及最先发明了用于控制阀口径计算和实际过 程中能可靠地预测其噪音的方法，大大简化了阀门口径的设计概念。EMERSON 公司是带动工业技术革命方面的全球领袖，所涉及的行业包括过程控制，电气和 电讯，工业自动化，传热，暖通以及家电和工具，现在是世界上控制阀门、控制 仪表、调压阀、软件系统以及过程管理方案最大的供应商。 英国历史悠久，是最早实现工业化的国家，一度成为世界制造业基地，工业 占主导地位。航空、电子、化工、电气等部门在世界上处于领先地位，英国也是 欧盟中能源资源最丰富的国家，生产的石油、天然气位居世界前列。截至 2003 年 英国阀门行业协会共有生产企业 62 家，整个阀门行业从业人员达 8000 人，2002 年阀门产值 5 亿英镑，出口率约 40%，英国的阀门工业虽然历史悠久，但近几年 来的发展远远落后于美国、德国和日本。在阀门的国际贸易中英国阀门在国外市 单座调节阀的设计 6 场一直畅销，当前英国阀门制造厂为提高竞争力，正积极增加阀门制造厂的设备 投资。几乎所有的制造厂在阀门设计和制造方面均采用了自动设计系统和工艺过 程自动化控制系统。早在 20 世纪初就有英国的控制阀随成套设备来到中国，随着 日后中国大量兴建的冶金钢铁及石化项目，越来越多的英国控制阀品牌进入到了 中国市场。其中英国 ABB 公司是设计和生产控制阀门的专业厂家，目前是欧洲最 大的控制阀生产企业之一。HOPKINGSONS 公司经过半世纪的不断进步和发展， 也具有丰富的阀门工程经验。SPIRAX 公司的历史可追溯到 1888 年，目前为全球 最大的蒸汽系统阀门生产和供应上，其产品范围广泛，从锅炉控制系统、自力式 温度和压力控制阀、气动/电动控制阀和控制器、蒸汽疏水阀、凝结水回水泵、流 量计、加湿器、换热器机组、洁净蒸汽产品、截止阀、止回阀等产品。ROTORK 公司已成为世界最大的重型电动执行机构生产厂家，占居世界 30%的电动执行机 构市场份额。这些企业除了给国内阀门市场带来竞争，同时也带来了先进的阀门 生产和制造技术。 德国地处欧洲中部，有欧洲的“十字路口”之称，是著名的工业大国，工业 产值位居世界前列，经济实力居欧洲首位。德国目前有阀门生产企业 170 多家， 2002 年阀门产值 20.6 亿欧元。 SAMSON 公司成立于 1907 年， 于 1909 年首先发明 了在温度控制器中使用无缝金属波纹管的专利。目前在全球 40 多个国家设有 32 个独立的分公司和 79 个销售机构，由 4000 名员工服务于世界各地，公司目前是 全球最主要的阀门与自动化设备供应商。ARCA 公司成立于 1917 年，于 1979 年 首先发明了在喷嘴挡板系统的专利，主要产品有各类气动控制阀、自力式控制阀、 控制阀附件。AUMA 公司是目前世界上最大的电动执行机构生产企业之一，主要 产品：90 度回转、多回转、直行程电动执行机构。 1.5 论文主要内容 论文主要内容 1、 论文分析了调节阀行业的现状，针对调节阀的技术背景和发展趋势进行了 讨论，并与传统单座阀比较，分析其密封性能，适用范围及对实际使用工况的适 用能力，提出单座调节阀的设计理念。 2、 对单座调节阀的结构形式进行分析，选择设计，主要对各个零部件的结构 型式进行比较，结合调节阀的使用工况，分别进行结构设计，力求增加其适用性， 并对关键件的关键设计点建立数学模型，进行理论分析。完成单座调节阀的设计 计算。 3、 对单座调节阀的实验项目，及具体试验方法进行表述，重点针对阀体组件 性能的实验方法壳体试验、上密封试验、整机密封试验和流量试验。在流量试 验中，通过两种流量特性的试验数据的分析计算，绘制流量特性曲线。 第一章 绪论 7 4、 对试验结果进行分析，总结调节阀的实际性能与设计的差距，分析原因， 并提出改进方法。 5、 结合本次设计的结果，对调节阀技术的发展提出几点看法。 单座调节阀的设计 8 第二章 单座调节阀理论分析 随着中国改革开放带来的经济的迅速发展，石油、化工、冶金等行业的振兴， 国内的调节阀行业也发生了前所未有的变化，代表新兴技术的材料、加工工艺、 控制理论不断应用到调节阀技术中，带动了调节阀技术的革新，调节阀的设计也 应时刻关注相关技术的创新及应用，逐步完善产品结构及性能，实现调节阀的更 新换代。 2.1 调节阀技术及发展 调节阀技术及发展 2.1.1 调节阀技术背景 调节阀技术背景 中国调节阀行业的起步可以追溯到上个世纪 50 年代， 之前的调节阀行业几乎 是空白。60 年代气动执行器行业组织开展了统一设计和联合设计工作，自行设计 和生产了直通单座调节阀、直通双座调节阀、三通调节阀、高压调节阀、蝶阀、 长行程执行机构和阀门定位器等多种产品，到 70 年代已经初步建立了我国自行设 计的气动执行器体系。 虽然中国的调节阀行业起步较晚，但发展非常迅速，到目前为止除一些特殊 产品外，比如：电站高压旁路阀、微流量调节阀、DN500 以下直通调节阀、超高 压、气液执行机构等，已基本能够生产国内石化、化工、电力、冶金钢铁、轻工 制药等行业用的各种调节阀门产品。目前，设在上海的执行器协会有会员 68 家， 设在北京的中国阀门协会有会员 167 家，除此外国内还有将近 2000 家各类阀门生 产企业，从业人数将近 20 万人，国内阀门市场需求量约为 200 亿人民币，其中自 动调节阀市场约为 30 亿人民币，国内阀门行业年出口约为 1.5 亿美元，进口约为 2 亿美元。据最新数据显示，由于国内大型石油天然气、石化、电力、钢铁项目的 建设，中国阀门市场每年将有较大增幅，到 2007 年中国将成为全球第五大阀门进 口国，届时中国阀门市场会达到 300 亿人民币的规模，出口与进口分别会达到 3 亿美元和 5 亿美元，调节阀产品用量最大的企业依次为石化，电力，化工，石油 天然气，冶金钢铁，食品制药等行业。国内大量兴建的石化和电力项目为调节阀 行业的发展提供了很好的机会，用 30 万吨乙烯装置举例：该装置上会使用 25000 台各类阀门产品，其中自动调节阀约为 3198 台，而一个 30 万千瓦电站机组会使 用近 2700 台各类阀门，其中自动阀约为 750 台。 为适应国内调节阀市场不断增长的要求， 国内调节阀生产企业从 80 年代起开 始引进国外技术， 例如吴忠仪表长引进日本 YAMATAKE 调节阀生产技术， 鞍山自 控股份有限公司分别引进日本 KOSO，德国 IWK 生产技术生产电子式电动执行机 构和自力式调节阀，鞍山电磁阀厂引进德国 HERION 公司电磁阀生产技术，上海 第二章 单座调节阀理论分析 9 自动化仪表七厂引进美国 MASONEILAN 高温高压调节阀生产技术，徐州化工机 械厂引进德国 ARCA 气动执行机构生产技术，天津第二通用机械厂引进美国 LIMITORK 电动执行机构生产技术， 上海自动化仪表十一厂引进英国 ROTORK 电 动执行机构生产技术，扬州电力设备修造厂引进德国 SIMENS 电动执行机构生产 技术，天津自动化仪表七厂引进法国 BERNARD 电动执行机构生产技术等，上述 产品与技术的成功引进部分满足了国内日益增长的调节阀市场需求。 2.1.2 调节阀的发展 调节阀的发展 调节阀的产品可以追溯到最早的自力式调节阀，其最原始的结构是一种带重 锤的球形阀，利用重锤平衡阀芯所受到的流体作用来进行调节。这种调节阀后来 演变成利用阀后压力进行调节的自力式调节阀。 在 30 年代，产品的类型已经很多，阀体形状为球形阀称为代表性产品，40 年代之后，角形阀、蝶阀、隔膜阀和球阀都相继出现，先后在市场上占据主导地 位，各种产品已经比较齐全。 60 年代后出现的套筒阀很快受到重视并成为球形阀的主流产品。 70 年代出现的新产品是凸轮挠曲阀，它容量大，流路简单，不平衡力小，这 些优点使它成为角行程阀门的佼佼者。在这个时期，各种各样的阀门已更为完善 而且形成系列。与此同时，侧装增力式调节阀研制成功，由于其结构独特，安装 高度小，能够增力，因此受到许多工厂和用户的欢迎。 从 80 年代开始，人们又先后制造了各种精小型调节阀，它的主要特点是在气 动执行机构中，用多根弹簧代替原来的一根大弹簧，这样，气动执行机构就以新 的面貌出现，它使调节阀小型化，高容量化，这种执行机构有可能取代老式笨重 的执行机构。 进入 90 年代，由于智能式阀门的出现，为调节阀翻开新的一页。 2.2 调节阀的功能及技术分析调节阀的功能及技术分析 调节阀属于执行器类部件，它与调节器、监测仪表等设备共同构成调节系统。 流体调节系统工作原理见图 2.11。 检测仪表获得实测值，在调节器中与给定值比较，当两者之差达到一定数值 后，调节器向调节阀发出调节信号，而调节阀的执行机构按此信号，产生相应的 操作力使阀杆产生位移，以改变阀门开度，即改变阀芯所处的位置。在工艺系统 中调节阀属节流部件，起一个变阻力元件的作用，其核心是一个可移动的阀芯与 不动阀座之间形成的节流窗口，改变阀芯位置，就可改变调节阀的阻力特性，进 而改变整个工艺系统的阻力特性，从而达到调节流量和压力的目的。 单座调节阀的设计 10 调节器 执行 机构 检测 仪表 对象 给定值 图 2.1 流体调节系统工作原理 调节阀和控制系统是一个整体，使整个控制系统不可分割的一部分，调节阀 是整个控制系统中非常重要的部件。随着现代工业生产的迅速发展，生产工艺条 件变得越来越复杂，对控制系统的要求也越来越高。同时由于被控过程的多样化， 为了满足生产要求，必须对控制元件的性能提出更高的要求，合理的价格，最少 的维护量，使用最少的能源，性能和控制系统相匹配，这样才不至于影响控制系 统的质量。 近年，监测仪表和控制仪表受到数字技术和微处理器技术的影响，发生的变 化已是有目共睹，特别是作为主要产品的调节阀，也有长足的进步。代表新兴技 术的材料、加工工艺、控制理论不断应用到调节阀技术中，带动了调节阀技术的 革新。以前苛刻条件下，要通过复杂的结构和热处理工艺才能保证调节阀的材料 对工艺介质的适用性，但现在，有许多可选择的材料，而且现在的热处理工艺水 品的提高，使得调节阀的应用更加广泛。先进的加工设备、加工工艺使以往不能 实现的结构变为现实，而且现代化的数控加工中心可以实现零件的高速批量生产， 直接降低了制造成本，使调节阀在控制领域的广泛应用更具可能。 2.3 单座调节阀功能及技术分析单座调节阀功能及技术分析 双座调节阀因为使用两个阀芯阀座，所以在节流部分存在两个泄漏点，给调 节阀的密封带来困难。套筒调节阀虽然只有一个阀芯，但阀芯与套筒之间也靠两 道密封线来密封，因为制造精度的影响，同时实现阀芯与套筒之间的上下两道密 封非常困难。所以，双座调节阀和套筒调节阀的泄漏等级较低。单座调节阀只存 在阀芯阀座之间的一道密封，因而泄漏等级高。 传统的单座调节阀已经暴露出许多问题，归纳如下： 1受铸造工艺技术的限制，因铸造尺寸偏差大，壁厚裕量大，传统的单座调 节阀的阀体体积笨重，而且阀体的流道设计流通阻力大，直接影响调节阀的流通 第二章 单座调节阀理论分析 11 能力。 F C50426= （2-1） F流通面积， 2 m 阻力系数 C 为调节阀的流通能力，C 值完全取决于阀门本身的结构，即决定于阀门公 称通径和阻力系数。因此，不同结构形式的调节阀，由于阀体结构不同，具有的 阻力不同，C 值也不相同。如果阀体的流道设计不合理，阻力系数增加，调节阀 的流通能力 C 就降低。 2单座调节阀导向结构复杂，阀杆在导向部件中上下运动实现阀杆上导向， 而导向部件通过上阀盖压紧，因此在上阀盖与导向部件之间，导向部件和阀体之 间形成两个泄漏点，无形中增加了密封的难度。而且导向部件体积大，结构复杂， 经济性差。 3填料采用石棉材料等非环保材料。石棉-聚四氟乙烯填料和石棉-石墨填料 可以用于高温、高压和非腐蚀介质系统。石棉填料耐用，不易损坏，在同样的密 封作用是摩擦力也比较小，但是由于石棉粉尘及石棉加工、制作过程对人体和环 境危害极大。 4因为制造精度不够和加工方法落后，阀芯型面不能保证设计需要的流量特 性变化，致使调节阀调节精度差，调节范围相对较小，一般为 30：1。 5执行机构技术落后，也影响了调节阀的性能。传统的单座调节阀配用单弹 簧气动执行机构和电动执行机构，执行机构的输出特性差，体积笨重，安装空间 受限。 以上不足直接影响调节阀的性能。新型的单座调节阀需要合理的阀体流道设 计，改进阀内件结构，而且先进的加工设备已经能够保证零件的高精度要求，成 熟的电子、数字技术也已经完善了电动执行机构的设计需要，新兴的智能型电动 执行机构的输出力矩、输出特性可以满足所有的现场工况。多弹簧气动执行机构 的结构尺寸更精小。 本次设计的单座调节阀的关键技术有以下几点： 1阀体 S 型流线形流道设计，减少压降损失，阀体流通能力强，流量大。 2阀芯的上导向式设计，将导向套嵌入上阀盖进行导向，减少调节阀泄漏点， 优化结构，降低成本。 3更接近理想的阀芯型面设计，流量特性曲线精度更高，提供更大的可调范 围。 4 上阀盖的设计更利于调节阀配套性能更高的多弹簧气动执行机构和电动执 行机构。 单座调节阀的设计 12 2.4 本章小结本章小结 一 、本章针对调节阀的技术现状，技术发展背景进行分析，结合国内外调节阀市 场，提出近年来的调节阀动态。 二 、分析了调节阀的功能及技术现状，现有的先进的新兴材料、新工艺、新控制 理论带来了调节阀的革新，以后调节阀的发展也必将依赖于相关技术的进步。 三 、分析了单座调节阀的功能及技术现状，提出现有单座阀的技术优势和设计缺 陷，针对目前工艺条件对单座调节阀的要求，增强调节阀的使用性能和适用范围， 提出新的设计理念。 第三章 单座调节阀的设计计算 13 第三章 单座调节阀的设计计算 调节阀作为管道系统中的一个重要组成部分，应保证安全可靠的执行管道系 统对阀门提出的使用要求。因此，调节阀的设计必须满足工作介质的压力、温度、 腐蚀、流体特性以及操作、制造、安装、维修等方面对调节阀提出的全部要求。 要求单座调节阀能在以下工况下正常工作： 1工作压力最大能耐 6.4MPa 压力； 2工作温度在-196+566范围内； 3泄漏量小，容易保证密封，泄漏量满足标准 ANSI B16.104要求； 4可调范围广，具有线性、等百分比及快开流量特性； 5耐腐蚀性介质，可在苛刻工况下正常工作。 单座调节阀的设计要实现其适用范围广的要求，需要其口径、压力等级、连 接型式及流通能力都具有多种可选择性。所以本设计工作对整机调节阀不建立数 学模型，而是在调节阀的关键零部件的设计中，建立数学模型，并对其进行分析 计算。但在设计计算过程中，不给出实际数据，只描述具体计算过程，或给出设 计结构图。 3.1 结构形式与设计 结构形式与设计 3.1.1 阀体及其连接型式 阀体及其连接型式 1阀体型式的选择与设计。 调节阀通过改变节流件与阀座之间的节流面积，改变调节阀的阻力特性，进 而改变整个工艺系统的阻力特性，从而达到改变调节流量和压力的目的。根据节 流件动作形式的不同，调节阀阀体型式分为直动式阀体和旋转式阀体。直动式调 节阀有各种各样的形式，按节流件结构型式分为单座阀、双座阀、三通阀等。 单座阀阀体是最常见的阀体类型，结构简单。单座阀被指定用于要求严密关 闭的场合，能够满足大部分的工况要求。通过更换阀内件，单座阀体可以很容易 被修改，以实现减小流通能力、降低噪声、减少或消除气蚀的目的。单座阀阀体 型式有直通式、角形、棒形、铸造和分体式等结构。 角形阀几乎总是单座阀的。他们通常用于锅炉给水、加热器疏水工况、以及 空间有限且阀门也可以被用作弯管的管道连接处。 棒形阀体通常被指定用于化学工业里的腐蚀性应用场合。他们可由任何金属 棒料和塑料机加工而成。因为当抵抗腐蚀需要稀有金属合金时，锻造棒形阀体通 常比一个铸造阀体更便宜。 单座调节阀的设计 14 双座阀阀体结构通常比同口径的单座阀阀体有更大的流通能力，但其金属对 金属阀座的关闭能力只能达到级。双座阀阀体结构典型用于炼油厂里控制高粘 度流体，或者担心有颗粒、污染物、或阀内件有流体积污的场合。 三通阀体通常用于合流或分流场合。 单座调节阀采用直通式单座阀体结构，见图 3.1。阀体有各种各样的材料组 合，口径大至 400mm，公称压力高达 ANSI 2500。阀体结构简单，满足大部分的工 况要求，融入超大尺寸的连接端，具有流线型通道和维修简单的特点。阀体 S 型 流线性流道设计，减少压降损失，阀体流通能力强，流量大。 F C50426= （3-1） F流通面积， 2 m 阻力系数 C 为调节阀的流通能力，C 值完全取决于阀门本身的结构，即决定于阀门公 称通径和阻力系数。因此，不同结构形式的调节阀，由于阀体结构不同，具有的 阻力不同，C 值也不相同。如果阀体的流道设计不合理，阻力系数增加，调节阀 的流通能力 C 就降低。单座调节阀阀体采用 S 型流线形流道设计，减少压降损失， 阀体流通能力强，流量大。 调节阀的阻力损失分两部分，第一是阀体流道的阻力损失，可用下式表示： g v sh vv 2 2 = （3-2） v h阀体流道部分阻力损失； v s阀体流道部分的总的阻力系数； v阀体流道部分的介质平均速度。 第二部分是节流部分的局部阻力损失。 从以上表达式中可知，希望 v h减少，则必然要求阻力系数下降和介质流速降 低，尤其是流速，它与阻力损失成平方关系。以往的阀体流道，内部流道截面积 比公称通径的截面积还小，可以想象介质进入阀体后平均流速反而增加，在流线 上的各点流速时增时减，流向也无规则地变化，还有部分介质在死角里形成涡流。 当介质接近节流口-阀芯和阀座之间环隙时，流道面积又不够宽敞，这样不仅使局 部阻力系数 s 较大，而且流速也高，当然阻力损失就大。新设计的阀体，进口段 是渐扩管形式，流道面积按一定比例增加，到了出口段呈渐缩管形式，这样介质 第三章 单座调节阀的设计计算 15 一进入阀体就减速。在到达节流口以前，使流道面积比公称通径的截面积大 20% 以上，这为增大节流截面积提供条件，这些设计使局部阻力系数和流速都下降， 从而减少阀体的阻力损失。 图 3.1 单座阀阀体 2阀体连接型式的选择与设计。 把调节阀安装在管道里的三种常用方法是旋入式管螺纹、螺栓紧固带垫片法 兰和焊接连接端。旋入式管螺纹连接端常用于小型调节阀，具有比法兰连接端更 好的经济性。通常指定的螺纹是阀体上的锥管内螺纹 NPT（美国国家管道螺纹） 。 它们通过与管道端上配对的外螺纹相结合形成金属对金属的密封。这种连接形式 通常限制于不大于 DN50 的阀门，不推荐用于高温工况。如果必须把阀体从管线拆 下，阀门的维护可能很复杂，因为不断开法兰结合或联结处使阀体旋出管道，就 不能把阀门取走。 螺栓紧固带垫片法兰连接形式是所有钢和合金钢阀体的标准连接方式。阀门 很容易从管道上拆下， 用于较广泛的工作压力范围。 法兰连接端可以用于-273 +515的温度范围的所有口径的调节阀。最常见的法兰连接端包括平面、凸面和 凹凸面法兰连接。平面型允许配对法兰与夹持在法兰之间的垫片全面地接触。这 种结构常用于低压、铸铁和铜体阀门，可以减少由初始螺栓连接力引起的法兰应 力。凸面法兰有一个圆形凸面，其内部直径与阀门开口相等，其外径略小于螺孔 中心圆直径。凸面上加工有同心圆槽，以获得良好的密封并防止垫片被吹出。这 种法兰配合各种各样的垫片材料和法兰材质，用于最高达 414bar 的压力和最高至 515的温度。凹凸面法兰是在法兰凸面上切出一个与阀门开口同心的 U 形槽，垫 单座调节阀的设计 16 片是一个带椭圆形或八边形界面的金属环。当法兰螺栓旋紧时，垫片被压入配对 法兰的 U 形槽，保证法兰面密封。垫片通常是软铁或蒙乃尔，但几乎可以使用任 何金属。这是一种在高压力下的优良连接，可用于高达 1034bar 的压力，但通常 不可用于高温工况。只有钢或合金阀体在指定时才提供这种连接形式。 焊接连接形式在所有压力和温度下都是严密防泄漏的，而且初始成本低廉。 采用焊连接的阀门从管线上拆卸比较困难，并且明显的局限于可焊接的材料。焊 连接由两种形式：承插焊和对焊。承插焊常用于 DN65 以下的阀门，而对焊通常用 于 DN65 及以上的阀门。把阀门焊入管线时必须小心谨慎，防止过热传导给阀门内 部零件。采用复合材料的阀内件在焊接前必须取走。 采用螺栓紧固带垫片法兰的标准连接形式，但在要求严密防漏场合，可选焊 连接形式。 3阀体材料的选择。 阀体材料的选择一般要高于管道材料，或者根据以下几点因素选择： 1）流体的压力和温度对材料的影响。 2）流体腐蚀性对材料的影响。 3）流体的空化现象或泥浆流体对材料的影响。 4）成本（材料价格与市场供应、加工性能等） 。 5）从结构上考虑，材料组配是否有问题。 高温材料的选择。金属在高温下长期承受载荷，会发生蠕变现象，同时氧化 及晶间腐蚀作用都将加剧，所以选用高温材料时，必须考虑材料的热强性及高温 耐腐蚀性。另外，在高温高压下，钢受到氢气的侵蚀，一般会造成脱碳现象，引 起脆化。钢中加入铬、镍、钼等金属元素后，它与碳元素结合，可提高钢的抗氢 腐蚀性。 低温材料的选择。选择阀体的低温材料时，要充分考虑材料的低