彈簧式自力式壓力調節閥工作原理

                            彈簧式自力式壓力調節閥工作原理

                                 上海申弘閥門有限公司

之前介紹平板閘閥的工作原理，現在介紹彈簧式自力式壓力調節閥工作原理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動作的產品。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）。首先是自力式調節閥的壽命



一、彈簧式自力式壓力調節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，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）。閥門的技術規范主要是強度性能、密封性能、流動介質、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壓力的能力。閥門是承受內壓的機械產品，所以為了保證能使用而不發生破裂或產生變形，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漏，它會影響閥門截斷介質的能力。后兩處的泄漏叫做外漏，即介質從閥內泄漏到閥外。外漏會造成物料損失，污染環境，對于易燃易爆、有毒或有放射的介質會造成事故，外漏更不能允許存在。

(3)介質流過閥門后會產生壓力損失，也就是閥門對介質的流動有一定的阻力，介質為克服閥門的阻力就要消耗一定的能量，從節約能源上考慮，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，以防發生事故，有的要求緩慢關閉，以防產生水擊等。

(6)動作靈敏度和可靠性是指閥門對于介質參數變化做出相應反應的敏感程度。對于節流閥、減壓閥、調節閥等用來調節介質參數的閥門以及安全閥、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范必定是在參考的范圍內。



淺談自力式調節閥

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥自力式壓力調節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什么問題。選型方面就不用多說了，比如調節閥是用來控制閥前壓力閥后壓力，介質是常溫高溫，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。自力式壓力調節閥不需要其它外來能源如電源、氣源，僅靠介質自身能量來驅動，既節能又環保，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。到現場一看，大量蒸汽從調節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節閥，安裝時必須執行器和管道之間加一個冷凝罐，不能讓蒸汽進入執行器膜頭，調節閥必須頭朝下安裝，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。看現場安裝方式，詢問現場儀表人員，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續漏水。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，自力式壓力調節閥蒸汽管道上使用時，安裝、維護方面一定要多加注意，為保證調節閥正常運行，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，是自力式壓力調節閥，就是其它自力式調節閥，使用時也需注意維護和保養才行。另外，蒸汽壓力較高，選用活塞式執行器，而不取薄膜式執行器，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。



自力式壓力調節閥的原理及特點

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

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



特點

自力式壓力調節閥無需外加能源，能在無電無氣的場所工作，既方便又節約了能源。

壓力分段范圍細且互相交叉，調節精度高。

壓力設定值在運行期間可連續設定。

對閥后壓力調節，閥前壓力與閥后壓力之比可為10：1～10：8。

橡膠膜片式檢測，執行機構測精度高、動作靈敏。

采用壓力平衡機構，使調節閥反應靈敏、控制。



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、高粘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？根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。下面以我公司該類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。壓縮彈簧，帶動閥芯、使閥門開啟度增大，直至閥前壓、穩壓之目的。如閥前壓力增加，作用于膜片上的力增機構作用于膜片上，使閥芯隨之發生相應的位移，達到泄一路經冷凝器（介質為蒸汽時使用）冷卻后，被引入執行為壓開型。其原理如下：介質由箭頭方向流入閥體，另  圖一b、用于控制閥前壓力的調節閥，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、使閥發生相應的位移，達到減壓、穩壓之目的。如閥后壓力增用)冷卻后，被引入執行機構作用于膜片上，使閥芯隨之芯、閥座節流后輸出。另一路經冷凝器（介質為蒸汽時使為壓閉型。其原理如下：介質由箭頭方向流入閥體，經閥  圖一a、用于控制閥后壓力的調節閥，閥的作用方式接管等四部分組成，其結構詳見圖一。
  調壓閥主要由檢測執行機構、調節閥、冷凝器與閥后二、結構與作用原理 動控制。


（用于閥后調節），或泄壓、穩壓（用于閥前調節）的自群等各種工業設備中用氣體、液體及蒸汽介質減壓、穩壓化工、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整。采用快開流量產品大特點，能在無電、無氣的場所工作，同時又節約用被調介質自身能量而實現自動調節的執行器產品。該  ZZY型自力式壓力調節閥是不需要任何外加能源，



二、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）。



三、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，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。



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，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1000KPa、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。



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。
在許多工藝過程中，壓力是一個重要的參數.分離器，;分餾塔，反應器、水和氣體管網等都借助于壓力調節系統(S1lA-P)來保持壓力為常數。


對于一個液動或氣動系統，從自力式壓力調節閥與變送器的安裝位置看，有兩種可能性：
1)自力式壓力調節閥安置在變送器的前面：
2)自力式壓力調節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。管路系統的終端壓力是Pv。


壓力自動調節系統是為了保持罐VP中的壓力恒定，調節器C的給定值是P：.當P>P真時，調節器C控制自力式壓力調節閥RR關小(如果自力式壓力調節閥R只安裝在下游，閥門將開大)。
自力式壓力調節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或氣動系統。
自力式壓力調節閥安裝在上游的例子：多用戶氣體燃料的壓力調節，輸水管網的壓力調節，蒸汽減壓等等。


自力式壓力調節閥安裝在下游的例子：分餾塔的壓力調節，反應器出壓力調節等等。
自力式壓力調節閥有兩種安裝位置，自力式壓力調節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節系統保持在P1值，是常數。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上產生的壓力降， 僅僅影響通過自力式壓力調節閥的流量。



六、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。與本產品相關論文：超高溫煙道蝶閥閥桿斷裂處理