关于调节阀的工作原理和计算选型探讨(新)

1、调节阀的工作原理及计算选型摘要：人们常把测量仪表称之为生产过程自动化的“眼睛”；把控制器称之为“大脑”；把执行器称之为“手脚”。自动控制系统一切先进的控制理论、巧秒的控制思想、复杂的控制策略都是通过执行器对被控对象进行作用的。调节阀是生产过程自动化控制系统中最常见的一种执行器，是化工生产过程中的重要环节，调节阀的计算选型是否合理是影响阀门寿命的重要因素，本文将从工作原理和计算选型加以介绍。关键词：调节阀 原理 计算 材料 选型正确选取符合某一具体的控制系统要求的调节阀，必须掌握流体力学的基本理论。充分了解各种类型阀的结构型式及其特性，深入了解控制对象和控制系统组成的特征。选取调节阀的重点是阀径

2、选择，而阀径选择在于流通能力的计算。流通能力计算公式已经比较成熟，而且可借助于计算机，然而各种参数的选取很有学问，最后的拍板定案更需要深思熟虑。 一、调节阀工作原理 （一）伯努利方程由水力学观点来看，调节阀是一个具有局部阻力的节流元件。当流体流经调节阀时，由于阀芯、阀座处的流通面积缩小，形成局部阻力，并产生能量损失，通常用阀前后的压差来表示能量损失的大小。根据伯努利方程式，对不可压缩的流体：HK 也可表示为H，式中：H：为单位重量的流体流经调节阀时的能量损失K：为阻力系数V：流体平均流速，（V）Q：流体体积流量：M3/小时S：调节阀流通面积：厘米2g：重力加速度，981厘米秒2r：流体重度：克

3、厘米3P1、P2：调节阀前、后绝对压力，kgf/cm2代入上述公式得出：Q 代入具体数值后得出：Q5.04 米3时 （1-1）令5.04=C,则Q=C米3时,C称为调节阀流通系数或流通能力 C值表示调节阀全开时，其两端压力降P1kgf/cm2，流体重度为1克/cm2时，每小时通过阀门的立方米数。 （二）调节阀的重要地位 调节系统方框图如下所示： 图1：调节系统方框图 二、调节阀的流量特性调节阀是通过行程的变化，改变阀芯与阀座间的节流面积，来达到控制流量的目的。因此阀芯与阀座的节流面积跟着行程怎样变化，对调节阀的工作特性能有很大影响。所谓阀门的相对开度是指调节阀某一开度行程与全开行程之比（角行程

4、与直行程道理相同），用l=L/Lmax来表示。所谓阀门的相对节流面积是指调节阀某一开度下的节流面积与全开时的节流面积之比，用q=Q/Qmax来表示。调节阀流量特性的数学表达式为： q=f（l） (2-1)由公式（1-1）流过调节阀的介质流量不仅与阀门的开度有关，还与阀门两端的压差有关，故流量特性有理想特性和工作特性之分。（一）理想流量特性在阀门两端压差固定的情况下，流量特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得到不同的流量特性。这是调节阀固有的流量特性，称为理想流量特性。（二）调节阀的可调比调节阀的可调比R（可调范围）是指调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比，即R=Qmax/Qmin （

5、2-2）式中，Qmin指的是调节阀可调流量的下限值，一般为最大流量的2%-4%。当调节阀的前后压差不变时得到的是理想可调比，一般为R=30，在实际应用中，管道的阻力随流量增加而增加，使调节阀的最大流量减小，从而降低了实际的可调比。（三）通常流量特性介绍 调节阀的流量特性一般有线性特性，等百分比特性和快开特性，调节阀通常使用等百分比和线性特性。先看看下面这张流量特性图： 图2：调节阀流量特性（R-可调比） 1、线性流量特性Q/Qmax=1/R+（1-1/R）l/L (2-3)式中，R为调节阀的可调比。采用具有线性流量特性的阀芯时，调节阀的放大倍数是常数，在小开度处有较大的流量相对变化值，调节作用

6、强，但容易产生振荡；在大开度处有较小的流量相对变化值，调节作用弱，调节缓慢。这个特点，往住使直线结构特性阀门在小开度情况下的灵敏度过高而导致控制性能变坏。 2、等百分比流量特性（对数流量特性）Q/Qmax= （2-4）采用具有等百分比流量特性的阀芯时，调节阀的放大倍数随流量增大而增大，但流量的相对变化值是相等的，在小开度处放大倍数小，调节作用缓和，平稳；在大开度处放大倍数大，调节作用灵敏，有效。 三、调节阀的流通能力及Kv值计算选型 调节阀的流通能力是指在规定条件下通过一个调节阀的流量。（一）Cv值和Kv值得定义和区别具体衡量调节阀流通能力的指标是流量系数,目前常用的流量系数有两类一是以美国为

7、代表的以英制单位定义的流量系数Cv,二是以德国为代表的以公制单位定义的流量系数Kv。两者的换算关系为Cv1.167Kv。流量系数Cv值定义：一个与调节阀的几何结构有关的、对于一个给定行程的常数，可用来衡量流通能力。它是在每平方英寸1磅(psi)的压力降下，每分钟流过调节阀的 60 水的美国加仑数。 流量系数Kv值定义：一个与调节阀的几何结构有关的、对于一个给定行程的常数，可用来衡量流通能力。它是在1bar压力降下，每小时流过调节阀的 5-40 度水的立方米数。（2） Kv值的计算1、气体（要考虑压缩系数）Kv值计算当P2>0.5P1时 Kv 式中：Q：NM3/hrH：标准状态下气体重度k

8、g/NM3：气体膨胀系数t：介质温度如， 1如， 1-0.46 当P20.5P1时，Kv 2、水蒸汽或其他蒸汽Kv值计算当P2>0.5P1时 Kv当P20.5P1时 Kv式中：W：重量流量 公斤时r1：介质在操作状态下的重度 公斤米3 ：介质膨胀系数，算法同上。 (三)调节阀的Kv值范围 ·等百分比阀门 阀门的额定Kv值通常是正常流量Kv值的2倍，或者最大流量Kv值的1.3倍，或者说，正常流量Kv值是阀门额定Kv值的3070。 ·线性阀门阀门的额定Kv值是正常流量Kv值的1.5倍，或者最大流量Kv值的1.1倍，或者说，正常流量Kv值是阀门额定Kv值的6080。(四)调

9、节阀的Kv值范围在最大流量Kv值下，线性调节阀的行程应90%，等百分比阀的行程应92%，在最小流量Kv值下，调节阀的行程应10%。·蝶阀的最大开度应60°。任何调节阀的全行程时间均应30秒。(五)调节阀的阀体尺寸根据计算出的Kv值，查表，以确定调节阀的阀体尺寸。调节阀的阀体尺寸可比工艺管道直径小1级，最多可以小2级。但是阀体尺寸不应小于其上游管道直径尺寸的一半。 四、调节阀的执行机构选型 调节阀的执行机构，通常首选气动薄膜式执行机构（其弹簧为反作用），对于活塞式执行机构（即气缸式），首选多弹簧双作用型执行机构。对于带电磁阀的调节阀，要求选用带弹簧的执行机构。执行机构的弹簧材

10、质至少应为碳钢，并在出厂时进行了防腐涂层处理。当供气压力为4.15kgf/cm2(60Psig)时，对于薄膜执行机构的膜片盒应采用钢材质，并且其压力等级至少为1.0MPag。 五、调节阀的结构型式及其选择 现将各种型式常用调节阀的特点及适用场合介绍如： 单座调节阀（VP，JP）：泄漏量小（额定Kv值的0.01%）允许压差小，JP型阀并且有体积小、重量轻等特点，适用于一般流体，压差小、要求泄漏量小的场合。 双座调节阀（VN）：不平衡力小，允许压差大，流量系数大，泄漏量大（额定K值的0.1%），适用于要求流通能力大、压差大，对泄漏量要求不严格的场合。 套简阀（VM.JM）：稳定性好、允许压差大，容

11、易更换、维修阀内部件，通用性强，更换套筒阀即可改变流通能力和流量特性，适用于压差大要求工作平稳、噪音低的场合。 角形阀（VS）：流路简单，便于自洁和清洗，受高速流体冲蚀较小，适用于高粘度，含颗粒等物质及闪蒸、汽蚀的介质；特别适用于直角连接的场合。 偏心旋转阀（VZ）：体积小，密封性好，泄漏量小，流通能力大，可调比宽R=100，允许压差大，适用于要求调节范围宽，流通能力大，稳定性好的场合。 V型球阀（VV）：流通能力大、可调比宽R=200300，流量特性近似等百分比，v型口与阀座有剪切作用，适应用于纸浆、污水和含纤维、颗粒物的介质的控制。 O型球阀（VO）：结构紧凑，重量轻，流通能力大，密封性好

12、，泄漏量近似零，调节范围宽R=100200，流量特性为快开，适用于纸浆、污水和高粘度、含纤维、颗粒物的介质，要求严密切断的场合。 隔膜调节阀（VT）：流路简单，阻力小，采用耐腐蚀衬里和隔膜有很好的防腐性能，流量特性近似为快开，适用于常温、低压、高粘度、带悬浮颗粒的介质。 蝶阀（VW）：结构简单，体积小、重量轻，易于制成大口径，流路畅通，有自洁作用，流量特性近似等百分比，适用于大口径、大流量含悬浮颗粒的流体控制。 蝶阀通常用较大口径，最小为4”，最大使用压力Cl600。 六、调节阀的噪音（应符合IEC605348标准） （一）调节阀噪音的来源 调节阀的噪音主要来源于阀内件机械噪音和流体噪音。（二

13、）允许范围 应85dB（在距阀1米处），有些场合要求75db，任何场合都不允许105db。 七、调节阀的密封填料函（参见API608规范）40以下，采用聚四氟乙烯合成体或石墨纤维。40230之间，采用聚四氟乙烯和石墨。230以上采用石墨填料。对于高压气体介质，可以采用双填料。一般不用石棉或封装石棉作填料。石墨填料，不应含有氯离子。要求石墨填料中的可滤出氯离子<100ppm。 八、调节阀阀体及阀芯材质的选择阀体、阀盖材质的选择是以流动介质的温度、压力、腐蚀性和冲刷性为依据的，宜选择与连接管道上的阀门材质相同，至少为碳钢，一般口径小于等于DN40的阀门采用锻钢。采用ASTM标准的调节阀其材料

14、选择应在ASME B16.34所列范围之内，阀常用的阀体材质及温度限制如下，（根据ASME B16.34温度压力等级规定）。锻钢铸钢下限,上限,碳钢ASTM A105碳钢ASTM A216 Grade WCB-30425碳钢ASTM 352 Grade LCB-45340不锈钢Type 304ASTM A182 Grade F304ASTM A351 Grade CF8-200810Type 316ASTM A182 Grade F316ASTM A351 Grade CF8M-200810Type 347ASTM A182 Grade F347ASTM A351 Grade CF8C-200

15、810Type 321ASTM A182 Grade F321（321 铸钢）-200810合金钢1Cr-MoASTM A182 Grade F1ASTM A217 Grade WC1-304501Cr-MoASTM A182 Grade F11ASTM A217 Grade WC6-305902Cr-1MoASTM A182 Grade F22ASTM A217 Grade WC9-305905Cr-MoASTM A182 Grade F5ASTM A217 Grade C5-306489Cr-1MoASTM A182 Grade F9ASTM A217 Grade C12-306483Ni

16、ASTM A350 Grade LF3ASTM A352 Grade LC3-100310表1：常用的阀体材质及温度限制由上表可知，常用材料的温度范围为：ASTM A216/WCB（碳钢）：-30425ASTM A217WC9（CrMo合金钢），-30590ASTM A351 CF8（304不锈钢），-200810ASTM A351 CF8M（316不锈钢），-200810ASTM A182 F321（锻钢不锈钢），-200810。对于有腐蚀性的介质，或者有阀蒸、气蚀的场合、或者对于高差压调节阀 (P35kgf/cm2或500Psig)时，均应采用经过硬化处理的阀芯（如316+Stellite

17、，或316+钨铬钴合金）。 九、关于闪蒸、空化及气蚀在调节阀内流动的液体，常常出现闪蒸和空化两种现象。它们的发生不但影响口径的选择和计算，而且将导致严重的噪声、振动、材质的破坏等，直接影响调节阀的使用寿命。因此在阀门的计算和选择过程中是不可忽视的问题。 （一）闪蒸当液体流经调节阀节流孔时，流速突然增加，而静压力骤然下降，当节流孔后压力降到等于或小于该液体在入口温度下的饱和蒸汽压（Pv）时，部分液体就汽化成为气体，（即产生许多小气泡，）形成汽液两相混合流共存的现象，这种现象称为闪蒸。 （二）空化如上所述，产生闪蒸时，对阀芯、阀座材质已开始有侵蚀破坏作用。如果产生闪蒸之后，阀后压力（P2）不是保持

18、在饱和蒸汽压Pv以下，而是在离开节流孔之后又急剧上升，致使气泡产生破裂并转化为液态，这个过程即为空化作用。可见，空化作用是一种两个阶段现象，第一阶段是液体内部形成气泡，即闪蒸现象；第二阶段是这些气泡的破裂，即空化阶段。 （三）气蚀闪蒸和空化只产生在液体介质。空化作用的第一阶段是闪蒸，阀门的出口压力保持在液体的饱和蒸气压之下，但对阀门内件已经产生了侵蚀作用，由于在阀芯和阀座环的接触线附近流体的速度最高，因此破坏也发生在这里。闪蒸破坏后的阀芯外表面有一道道磨痕。在空化的第二阶段，阀后压力升高到饱和蒸气压以上，由于气泡的突然破裂，所有的能量集中在破裂点，产生极大的冲击力，可高达几千牛顿，因此严重的冲撞和破坏阀芯、阀座和阀体，这种破坏作用称为气蚀。这种作用如同砂子喷在阀芯表面，把固体表层撕裂，形成一个粗糙的、渣孔般的外表面。气蚀产生的破坏作用是十分严重的，在高压差恶劣条件的空化情况下，极硬的阀芯和阀座也只能使用很短的时间。在这种情况下，选择阀门应该有适当的方法和措施。 十、小结调节阀设计选型计算是一