關于自力式壓力調(diào)節(jié)閥在特殊工況下的設計應用，這篇論文寫的非常到位，杜伯拉閥門君分享給大家共同學習：

作 者： 楊宏
摘 要： 介紹了自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理及結構特點。重點闡述了彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)既可穩(wěn)壓又可斷閥介質(zhì)的雙重功能，并通過特殊工況下的實際應用來進一步分析彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)實現(xiàn)雙重功能的壓力分配原則、選型計算及設計特點并詳細敘述了彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)閥中關鍵零件的作用及設計計算。
關鍵字： 彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理雙重功能特殊工況設計

 0 概述

    自力式壓力調(diào)節(jié)閥是一種無需外加驅動能源，依靠被調(diào)介質(zhì)自身的壓力為動力源，當被調(diào)介質(zhì)壓力變化時按預定設定值進行自動調(diào)節(jié)的節(jié)能型控制裝置。它集檢測、控制、執(zhí)行諸多功能于一體，自成一個獨立的儀表控制系統(tǒng)。由于自力式壓力調(diào)節(jié)閥是一款使用簡單方便的節(jié)能產(chǎn)品，所以世界各國調(diào)節(jié)閥公司紛紛推出了各種類型的產(chǎn)品，主要分為杠桿式自力式調(diào)節(jié)閥、指揮器式自力式調(diào)節(jié)閥、彈簧式自力式調(diào)節(jié)閥等（以下用彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥為例）。

    1 工作原理及結構特點

    彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理，以常用型閥后式為例（見圖1），閥芯的初始位置為開啟狀態(tài)，閥后壓力P₂經(jīng)導壓管輸入上膜室作用在執(zhí)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(diào)節(jié)閥的閥前式調(diào)節(jié)其閥芯的初始位置為關閉狀態(tài)，其力平衡原理與閥后式相同（見圖2）。

    自力式壓力調(diào)節(jié)閥優(yōu)點在于結構簡單，維護工作量小壓力設定點可調(diào)且范圍寬，便于用戶在設定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)采用壓力平衡機構，使調(diào)節(jié)閥反應靈敏、控制精確、允許壓差大被調(diào)介質(zhì)為腐蝕性低、具有流動性的輕質(zhì)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、高貓度的介質(zhì)需要配置冷凝器、隔離罐等附件。此產(chǎn)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(yè)中介質(zhì)連續(xù)使用工況下的調(diào)節(jié)控制。但此產(chǎn)品在閥后介質(zhì)用量減少、或無用量時、或者間斷用量時的控制又會如何呢據(jù)用戶反應的現(xiàn)象是閥門會出現(xiàn)泄露情況，導致閥的前后差壓完全相等當使用末段關閉后重新開始使用介質(zhì)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。下面以我公司該產(chǎn)品在某企業(yè)的應用實例來闡述彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥（以下簡稱閥）針對這類特殊工況的設計和應用。

    2 特殊工藝參數(shù)

    控制系統(tǒng)為穩(wěn)定閥后壓力的系統(tǒng)，介質(zhì)為氮氣，系統(tǒng)的初始管道壓力為2800KPa，后工段所需要的最大流量為2000NM³/h。工藝要求是后工段使用介質(zhì)10分鐘后停止使用1小時，并按此方式循環(huán)使用；正常使用時閥后壓力穩(wěn)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）。

    3 設計分析

    根據(jù)上述工藝要求，為了保證控制系統(tǒng)介質(zhì)正常使用時的壓力，可選擇一臺閥降壓也可以選擇兩臺，但考慮到后工段完全關閉介質(zhì)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，以最優(yōu)化的方式滿足此工藝要求。

    （1）在閥內(nèi)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(nèi)漏造成的閥后壓力升高。

    （2）兩臺閥需要合理分配設定壓力。第一臺閥的關鍵任務①當系統(tǒng)正常使用介質(zhì)時降低大部分閥前壓力，使閥后壓力穩(wěn)定在一個適中的壓力值上②能夠切斷介質(zhì)且在切斷介質(zhì)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(zhì)的作用，并在第一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(zhì)的作用，最終保證閥后壓力小于田伙幾，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贊承受壓力的變化較大，特別是兩臺閥在關閉介質(zhì)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(jù)系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥距控制系統(tǒng)末端有800～1000米左右的輸送管道，當控制系統(tǒng)末端關閉后重新開啟時產(chǎn)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(chǎn)品的良好性能。

    4 選型計算

    （1）壓力分配計算

    為確保閥后壓力在設定范圍內(nèi)，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(shù)值見表1：

    兩臺閥對閥前、閥后介質(zhì)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最小減壓比，所以選擇第一臺閥的閥后壓力穩(wěn)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(wěn)定在700KPa。所以兩臺閥的壓力分配如下：
 
    第一臺閥：閥前壓力2800KPa、閥后穩(wěn)壓為1000PKa、調(diào)壓范圍為900-1100PKa：

    第二臺閥：閥前壓力1000KPa、閥后穩(wěn)壓為700KPa、調(diào)壓范圍為600-800KPa。

    （2）口徑計算

    調(diào)節(jié)閥的選型主要是根據(jù)客戶提供的閥前壓力、閥后壓力及最大流量等參數(shù)通過計算來確定閥的流量系數(shù)（K_v值）、口徑等主要參數(shù)。K_v值的計算公式有很多種，表2中的公式是針對介質(zhì)為氣體，涉及物化參數(shù)較少的計算公式。

    由已給的條件計算出兩臺閥的流量系C_v。

    己知系統(tǒng)初始管道壓力為2800KPa，后工段所需要的最大流量為2000NM³/h。設定第一臺閥的流量控制在4000NM³/h，閥后壓力穩(wěn)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(wěn)定在700kpa。介質(zhì)為氮氣，溫度為常溫。第一臺閥：p_1≥2p₂，所以選擇公式（1）計算k_v值，第二臺閥：p₁<2p₂，所以選擇公式（2）計算k_v值：

    代入已知條件計算出kv，再根據(jù)式（3）計算出的C_v大小對應選型，第一臺閥口徑為DN25；第二臺閥口徑為DN40。

    5 設計計算
 
    （1）閥體壁厚的計算

    第一、二臺閥的公稱壓力分別為4.0MPah和1.6MPa，介質(zhì)為氮氣，選擇閥體材質(zhì)為碳素鋼即可滿足要求。根據(jù)如下常用的鋼及合金鋼閥體壁厚計算公式，代入已知參數(shù)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）；

    [O_L]（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S_B≥S'_B即可滿足設計要求，S_B（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）：

    閥桿最大軸向力（N）：取Q₀及Q_K中最大值

    軸向應力（MPa）：

    合成應力O_E（MPa）：取軸向應力中的最大值

    KI～K4：為應力系數(shù)值，查機械設計手冊可得具體數(shù)值

    Q_V（N）：密封面處介質(zhì)作用力；Q_T（N）：密封面上密封力；

    Q₀（N）：閥桿徑向截面上介質(zhì)作用；Q_T（N）：閥桿與填料摩擦力；

    F_S（mm²）：閥桿最小截面積；

    強度校核條件。O_E>[O_E]許用合成應力[Q_E]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(diào)節(jié)閥中的關鍵零件，采用的材料為60Si2MnA優(yōu)質(zhì)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(wěn)壓范圍中最小壓力及最大壓力時，對應彈簧的最小受力及最大受力，F(xiàn)_lim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(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，根據(jù)工藝要求的設定壓力值計算出彈簧受到的最小壓力和最大壓力F1及F2并，將此計算值代入壓縮彈簧計算公式：

    根據(jù)彈簧所選擇的材料確定許用應力T_P，然后在4～14范圍內(nèi)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(shù)n；最后確定彈簧的所有參數(shù)。在設計中應初設幾個旋繞比C值做計算，比較結果選取最優(yōu)的方案。

    6 用結論

    這套自力式壓力調(diào)節(jié)閥通過現(xiàn)場的實際使用證明能及時將閥后壓力控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，具有良好的穩(wěn)壓性能，并當現(xiàn)場后工段工藝介質(zhì)全關閉時充分體現(xiàn)了它的密封性能，很好的滿足了系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥可以具備既穩(wěn)定設定壓力又切斷介質(zhì)的雙重功能，為該類產(chǎn)品拓展了更廣闊的應用領域。

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