多級降壓高壓差調節閥技術參數

                  多級降壓高壓差調節閥技術參數

                   上海申弘閥門有限公司

 1多級降壓高壓差調節閥技術參數概述
      之前介紹 豎式安裝自力式壓力減壓閥注意事項，現在介紹多級降壓高壓差調節閥用于控制高溫、高壓、高壓差以及含有固體顆粒流體的流量和壓力。該閥綜合了普通式、多孔式和迷宮式低噪音調節閥的優點，能防止液體空化產生汽蝕，減小了高速流體對閥內件的沖刷，降低噪音。在現代工業生產過程中，調節閥是用于控制系統改變管路中流體流量的裝置，是管系中的終端控制元件，起著分配流體介質、調節流體流量等重要作用。近年來隨著工業技術的不斷進步，實際生產中出現的高溫、高壓等特殊工況對調節閥也提出了更高的要求。特別是應用于高壓差場合的調節閥，由于流速很高，經常在內部節流件部位出現沖刷腐蝕，同時還伴有由空化現象引起的汽蝕、噪聲和振動等危害，給安全生產帶來重大隱患。因此，國內外一些廠家分別研究開發了專門應用于高壓差條件下的多級降壓結構調節閥。

報價單位（章）：
序號	材料名稱	規格型號	單位	數量	單價(元)	金額(元)	到貨期	生產廠家	備注
1	灰渣水調節閥	見數據表	臺	1					總工辦	17LV-1006	旋風分離罐液位調節閥
2	灰渣水調節閥	見數據表	臺	1					總工辦	17LV-2006	旋風分離罐液位調節閥
3	灰渣水調節閥	見數據表	臺	1					總工辦	17HV-1008	旋風分離罐液位緊急調節閥
4	灰渣水調節閥	見數據表	臺	1					總工辦	17HV-2008	旋風分離罐液位緊急調節閥
5	灰渣水調節閥	見數據表	臺	1					總工辦	17HV-1009	旋風分離罐液位緊急調節閥
6	灰渣水調節閥	見數據表	臺	1					總工辦	17HV-2009	旋風分離罐液位緊急調節閥

本文對常見的各類多級降壓調節閥的結構、工作原理及特點分別進行介紹。并且針對可壓縮工況，對用戶如何根據實際要求的流量計算調節閥CV值的常用方法進行了總結。為用戶了解多級降壓調節閥的特點并合理選用提供了參考。
      2 多級降壓高壓差調節閥技術參數結構和工作原理
      多級降壓高壓差調節閥按閥芯結構可分為平衡型和不平衡型2種。
      圖1為不平衡型閥芯結構。由于閥芯受不平衡力作用，因此克服高壓差時需要較大的執行機構輸出力。該閥內件為金屬剛性結構，單個流體通道的流通截面積較大，且多級閥芯每個臺階處的刃口與套筒上的窗口在閥關閉時有剪切作用，故適合于對高溫流體及含有固體顆粒或結晶體介質的控制。



      圖2為平衡型閥芯結構。多級閥芯上開有平衡孔，利用平衡密封環阻止平衡孔內流體外漏。閥芯上下受均壓作用，閥芯動作時只需克服平衡密封環及填料等處的摩擦力，因此配較小的執行機構就能承受很高的壓差。

閥門工作時（圖3），流體沿平行于多級閥芯及套筒軸線方向向上流動，通過多級閥芯的臺階及平均排列在套筒上的矩形窗口多級節流，使高壓降沿閥芯軸線方向平均分布，有效控制了流體的速度，從而起到降低噪音和防止液體空化的作用。極大地提高了閥門在苛刻工況條件下的使用壽命。

二、多級降壓調節閥的常見類型及特點
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,活塞式減壓閥在調節閥中產生的汽蝕空化現象，其根本原因即是由于閥前后的壓差過高。一般認為當Δp>2.5MPa時，流體介質在閥內部進入節流部位時壓力驟然下降，在通流截面面積小處壓力降至低，當這一壓力低于當前溫度下流體的飽和蒸汽壓時，部分液體會出現汽化，形成大量微小的汽泡，當流體流過節流口壓力回升時，這些汽泡又發生破裂回到液態，對閥體和閥芯等部件產生沖擊并帶來噪聲、振動等危害。近年來，國內外一些調節閥廠商都研發了各種不同類型的專門應用于苛刻工況下的抗汽蝕多級降壓調節閥。常見的多級降壓調節閥分為三類，雖然在結構上有所不同，但有著共同的工作原理，都是通過改變結構將總的壓差進行分段多級降壓，使每一級壓降Δp1小于產生空化的臨界壓差，從而有效避免了汽蝕等危害的發生。
1、串級式調節閥
串級式多級降壓結構如圖1所示，這種結構把原本的一個整體的節流區域以多個分開的節流區域互相串聯，從而使較大的壓差轉換為多個較小的壓差，使每一次的降壓范圍都控制在飽和蒸汽壓以上，使空化現象不再出現。
串級式調節閥


圖1 串級式調節閥
串級式調節閥多用于液體介質工作的場合，其特點在于：
1)啟閉過程中能夠減輕持續壓差，每一級節流口的動作均滯后于上一級節流口，可以使在啟閉過程時作用于閥口的持續高壓逐級減輕，分擔了*級節流口的壓力。
2)流阻較小，可以勝任流體清潔度不高，甚至固液兩相流的場合。
3)串級式閥芯一般進行碳化鎢噴涂硬化處理，抗沖刷汽蝕性能良好。
4)制造過程與其他多級降壓調節閥相比工藝較為簡單，加工方便，制造成本也較為低廉。
5)串級式調節閥一般降壓級數有限，多為3～4級，不能應用于壓差過高的場合。
2、多層套筒式調節閥
多層套筒式多級降壓結構如圖2所示，經常用于電站或化工等行業中。
多層套筒式調節閥


圖2 多層套筒式調節閥
多層套筒式調節閥典型結構特征是閥芯部分節流件由數層加工有小孔的套筒構成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內。
其特點在于：
1)多級套筒式調節閥降壓級數可以設計得較大，降壓能力與串級式相比較強，能夠勝任高壓差的場合。
2)多層套筒式結構既能滿足較高的壓降要求，同時又能在工作時保證較大的流量。
3)抗汽蝕性能良好，用于液體介質時，流體由外側套筒流向內側，液體介質在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現象的發生，并且流體終從內側套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區域，使汽泡在套筒中心部位破裂，不直接對閥門金屬表面產生傷害。
4)抗噪聲、振動性能良好，用于氣體介質時由套筒內側向外流動，靠外側套筒的孔徑和間隙與內側相比均有所擴大，使氣體介質在逐級降壓過程中不斷膨脹，可以有效地降低噪聲及振動帶來的危害。
5)套筒加工過程比較復雜，成本較高。但安裝與維護簡便，易于更換。
3、迷宮式調節閥
迷宮盤片式多級降壓結構如圖3所示，其核心節流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經迷宮流道中經過多次碰撞轉折，消耗能量，在逐級降壓過程的同時，使流速也得到了控制。
迷宮式調節閥


圖3 迷宮式調節閥
一般多用于核能、電站等行業中高溫高壓降的特殊場合，工作介質多為過熱蒸汽，也能用于液體介質。其特點如下。
1)迷宮流道的拐彎級數就是迷宮式調節閥的降壓級數，一般可達十幾到二十幾級，所以迷宮式多級降壓結構是常見多級降壓調節閥中降壓能力強的，國外有產品高可以達40MPa。
2)出色的抗汽蝕沖刷及消聲減振性能，多級拐彎迷宮式流道可以有效地控制流體流速，避免空化、噪聲及振動等不良現象的發生。
3)通過使用不同形式的迷宮盤片進行組合，迷宮式調節閥可以達到不同的流量特性調節曲線。
4)迷宮式盤片制造精度要求很高，一般由司太立合金堆焊，有較長的使用壽命;安裝與維護比較簡便，盤片易更換。
5)迷宮式流道對流體介質的清潔度要求較高，否則迷宮流道容易發生堵塞。


3 性能分析
      多級降壓高壓差調節閥的公稱壓力為ANSI600Lb、900Lb、1500Lb和2500Lb，其流量特性如圖4所示。在閥行程的0～12%之間，流量近似為0，而后流量直線上升，為標準直線特性。這是考慮到閥門在啟閉和小流量開度時，高壓差全部集中在閥芯和閥座的密封面上，高速流體會對密封面造成嚴重沖刷，甚至產生空化氣蝕。為了保護閥內件不受損壞，提高閥門的使用壽命，特設計12%以下的行程為空行程（圖5），即閥芯和閥座開啟行程低于12%時，套筒上的窗口并未打開，當行程大于12%時，套筒窗口才開始降壓節流，對流體進行平穩地控制。


4 材料選擇
材料選擇主要考慮到強度、接觸硬度和熱膨脹系數，閥內件應抗沖刷，耐腐蝕，并防止在高溫高壓下變形和咬死（表1）。閥體宜采用鍛件，粗加工后必須經過超聲波探傷檢驗。閥門填料可使用碳纖維聚四氟乙烯編織填料或帶金屬網填充柔性石墨等高強度填料。為防止高壓流體經填料函外泄，故填料必須壓得很緊，這就加大了填料與閥桿的摩擦力，結果會導致閥桿磨損，并且填料還可能會對閥桿表面造成點狀侵蝕。所以閥桿表面必須進行硬化處理，以提高閥桿的壽命。

三、多級降壓調節閥CV值的計算
流量系數(CV)一般用來表示閥門的流通能力，為了選用合適的調節閥，必須根據所使用條件計算出必要的CV值，然后根據額定流量系數選擇合適的調節閥型號。在可壓縮工況下，流體在節流過程中壓力降低，體積膨脹，密度減小，閥內的流動情況與不可壓縮相比復雜很多。因此對于一般多用于可壓縮工況下的多級降壓調節閥，其流量系數的計算方法也較為特殊，典型的可壓縮工況下CV值的計算主要有壓縮系數法及膨脹系數法兩類常用方法。


1、壓縮系數法
壓縮系數法在20世紀50年代由蘇聯提出，是計算可壓縮工況下流量系數的早期公式之一。壓縮系數法考慮到氣體的可壓縮性，在一般的液體計算公式中添加一個氣體壓縮系數ε，對液體計算公式進行校正。此種方法對計算模型做了很大簡化，把不同形式的調節閥都簡化為同樣的流量噴嘴，然后認為在噴嘴中氣體介質流動的過程是一個絕熱過程，再用能量平衡方程導出計算公式，即：
各類多級降壓調節閥的特點及選用(1)
式中 γN——標況下的氣體重度，單位為kgf/m3(1kgf=9.8N);
Q——標況下的體積流量，單位為m3/h;
T——氣體溫度，單位為K;
p1——閥前壓力，單位為kgf/m2(1kgf=9.8N);
?p——閥前后壓差，單位為kgf/m2。
壓縮系數ε可用試驗確定，一般對空氣試驗可得：
各類多級降壓調節閥的特點及選用(2)
除了壓縮系數法，早期還有閥前密度法、閥后密度法及平均密度法等方法。早期公式只能適用于壓力恢復程度不高的場合，在非臨界流區間內能夠保證較好的計算精度。但由于公式對計算模型的簡化，隨著?p/p1增大到臨界壓差比時就會產生較大的誤差，在過渡區和臨界區內無法滿足要求。
2、膨脹系數法
針對早期計算公式均未考慮閥門的壓力恢復特性對計算的影響，在20世紀70年代一些國外廠商提出了以膨脹系數法、多項式法和正弦法為代表的一系列后期公式，對早期公式進行了改良，能較好滿足非臨界區到臨界區的計算精度。與早期公式相比較，以膨脹系數法為代表的后期公式的計算結果更加經濟，可以減少不必要的浪費。其中膨脹系數法以其計算的簡便性被IEC為標準公式。膨脹系數法由用于液體情況下的計算公式引入膨脹系數Y進行修正而得出，當Y=1時，膨脹系數法也適用于不可壓縮的液體工況。
各類多級降壓調節閥的特點及選用(3)
式中ρN——標況下的氣體密度，單位為kg/m3;
Q——標況下的體積流量，單位為m3/h;
T1——氣體入口溫度，單位為K;
p1——閥前壓力，單位為kPa;
X——壓差比，X=?p/p1;
Z——壓縮系數。
膨脹系數Y指在相同雷諾數下，可壓縮性介質的流量系數與不可壓縮介質的流量系數之比。它表示了流體從閥入口流到節流孔下游流通面積小的縮流斷面處時的密度變化，以及壓差變化時縮流斷面面積的變化。
各類多級降壓調節閥的特點及選用(4)
式中FK——比熱比系數，FK=K/1.4。
由于計算公式本身不包含上游條件時流體的實際密度，膨脹系數法引入了壓縮系數Z來補償某些條件下實際氣體和理想氣體的偏差。膨脹系數Y用來校正從閥入口處到喉管處氣體密度的變化，Y和喉管處面積與入口面積之比、通道形狀、壓差比X、雷諾數以及比熱比系數FK等因素有關。膨脹系數法對影響可壓縮流體流動的諸多因素都進行了全面的考慮，所以能在全部的流動范圍內保證較高的計算精度，且適用于各種類型的閥門，應用比較廣泛。 
5 設計及CV計算
多級降壓高壓差調節閥流向采用底進側出，通過多級閥芯和套筒來控制液體的壓力和流量。由于液體為不可壓縮性流體，因此設計多級閥芯和套筒窗口時，要求各級流道的流通截面積相等。
      設A1為閥芯臺階環形流通截面積（mm2），A2為套筒窗口徑向流通總截面積（mm2），A3為套筒窗口軸向流通總截面積（mm2），S為閥行程（mm），參見圖3和圖5。則



A2=2W（L-E）
A3=4Wt
由于A1=A2=A3，則
t=S·δ
L=2（S·δ）+E
      套筒窗口上方4-Φh孔只起流通作用，而不作節流用。為不影響套筒的流通能力，4-Φh孔的總流通截面積A3≥1.1。
      套筒流通能力CVC為

      閥座流通能力CVb為

      閥的總流通能力CV為

      式中 k——套筒流通系數
              r——閥座半徑，mm
              K——閥總流通系數，可取31
      多級降壓高壓差調節閥也可用于氣體、蒸汽及氣液兩相流的場合。由于氣體是可壓縮性流體，壓力降低時體積急劇膨脹，因此進行流道設計時要將套筒窗口流通截面a、b、c、d（圖3）按一定的系數逐級放大。
6 強度校驗
強度校驗主要是閥桿（圖6）的撓曲強度計算以及套筒的壓應力校驗。

閥桿撓曲強度計算包括閥桿柔度λ和材料柔度λp，及閥桿臨界載荷Per和許用載荷PA等。


      當λ≥λp時，采用歐拉公式


      式中 μ——壓桿長度系數，取μ=1
           E——材料彈性模量，MPa
           δp——材料比例極限強度，MPa
           A——閥桿橫截面積，mm2
             N——安全系數，取1.6
若閥桿的許用載荷PA不能滿足設計要求，可通過更換材料提高強度。比如SUS316的屈服極限σs=205MPa，而17-4PH/沉淀硬化處理后其屈服極限σs=863MPa。如果閥桿材料一定，而許用載荷PA不能滿足設計要求，則可以把閥桿設計成階梯軸（圖6b）。閥桿結構尺寸L1應盡量短，以保證閥門行程為準。L2盡量設計長，這樣有利于提高閥桿的剛度。
      套筒的壓應力校驗（圖7）為

      式中σ——套筒承受的壓應力，MPa
      Nmax——套筒承受的軸向壓力，N

    σs——材料的屈服極限，MPa
 對多級降壓調節閥的常見結構類型及其特點進行了系統的介紹。對用戶如何根據可壓縮介質工況下的具體要求計算調節閥CV值的常用方法進行了總結，為用戶了解多級降壓調節閥的特點并合理選用提供了參考。



7 結語
多級降壓高壓差調節閥設計結構*，控制效果好，使用壽命長，性能價格比高。該閥主要應用于電站、石油、化工和化肥等行業。應用于高壓差條件下的多級降壓調節閥作為管路系統之中的關鍵設備，在控制過程中發揮著至關重要的作用。本文對常見的三種不同類型的多級降壓調節閥產品的工作原理、核心結構、特點以及分別適用的場合進行了系統的介紹，為用戶了解多級降壓調節閥的基本類型和特點提供了參考。此外，由于多級降壓調節閥經常應用于可壓縮工況，本文還對可壓縮工況下流量系數的典型計算方法進行了歸納和總結，使用戶能夠依據正確的計算方法對調節閥的具體型號進行選擇。總之，本文對于用戶了解專門應用于高壓差場合下多級降壓調節閥的特點并合理地選用提供了一定的參考。與本產品相關論文：Y42X-600LB美標彈簧薄膜式減壓閥