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調節閥內部結構工作原理

作者:濟圣閥門 日期:2018-04-12 點擊:3649

閥內件(Valve Trim

閥內件是與流體直接接觸的閥內可拆卸的改變流通截面積和截流件導向等作用的零部件總稱,包括典型截流件的閥芯(Plug)和閥座(Seat),還包括套筒(Cage)、閥桿(Stem)以及減噪器(Flow divider)、抗空化氣蝕部件(AC-trim)、導向(Guide)、密封件、固定件,等等。閥內件主要功能是使流通截面積按一定規則比例變化,實現流通能力和閥芯/閥桿行程之間的相互關系,其次是保證緊密關閉,符合標準規定的泄漏率。

 閥芯(Plug 

閥芯是閥內件中最為關鍵的部件,同時是控制閥的可動部件,閥芯與閥座配合使用,可緊密關閉切斷流體,可通過改變節流截面積來調節流體通過量,進而達到過程控制的目的。

閥芯的形狀(或籠式閥的套筒開口形狀)決定著控制閥的流量特性,如常見的線性、等百分比、快開特性和拋物線特性等。閥芯閥座的尺寸以及閥內流路決定著控制閥的最大流通能力。

閥芯閥座的選材及其工藝處理決定著控制閥的工況應用和可靠性。閥芯閥座以及閥內件的設計直接反映了控制閥廠家的技術能力。

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柱塞閥芯形狀和流量特性

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套筒型閥芯開口形狀和流量特性

為了獲得不同的閥門特性,閥芯結構設計有多種多樣,一般分直行程和角行程兩大類。單座型控制閥(Globe valve)一般都是頂部導向的直行程控制閥,采用最多的是柱塞型閥芯、套筒型閥芯,以及用于小流量的針形或圓柱銑槽閥芯,還有抗空化氣蝕的多級閥芯和特殊設計閥芯。角行程閥芯是通過旋轉運動來改變它與閥座間的流通面積。

早期的控制閥主要是單座閥,柱塞型閥芯。為了克服單座控制閥柱塞型閥芯不平衡力大、較低的流通能力和高噪聲等問題,上世紀六十年代國外一些廠家開始研發不平衡力小、有較大流通能力、低噪聲和便于拆裝閥內件的套筒型控制閥。

與柱塞型閥芯相比,套筒型閥芯的緊密關閉切斷功能和泄漏等級要差一些。在工業應用中,套筒易磨損,更會關閉不嚴和使泄漏量增大,造成功能安全不足。此外,套筒閥內件結構和流路也比柱塞型閥復雜,部件數量多,檢維修內容多。密封件多也是套筒閥的一大特點,如Fisher ED 系列套筒閥的平衡閥芯就有5 個專用墊片,而抗擠壓密封件或彈簧加載密封環都屬易損件和檢修更換件,更換頻次高及專用墊片備件價格很高也使得維護成本增加。套筒閥的快捷拆卸設計則是應對套筒閥內件耐用性和經常檢修的問題。

鉆孔式籠罩式閥芯專為高壓降的應用場合而設計,并消除氣蝕、噪音、腐蝕和震動這些常見問題。通過鉆孔的分布來實現流量特性。最小可控Cv由閥塞與閥籠之間的間隙以及密封面到閥籠最底側孔的距離決定。

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鉆孔式籠罩式閥芯

閥芯流量特性

線性流量特性是指調節閥的相對流量與相對位移(行程)成線性關系。即單位位移變化所引起的流量變化是常數。具有此特性的閥門在開度小時流量相對變化大,靈敏度高,不易控制,甚至發生振蕩;而在開度大時,流量相對變化值小,調節緩慢,不夠及時。

等百分比流量特性是指控制閥單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系,即曲線斜率是隨行程的增大而遞增的,也稱為對數流量特性。在小開度時,流量變化小,調節平穩;在大開度時,流量變化大,調節靈敏有效。

拋物線流量特性是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根為比例關系。拋物線流量特性主要是為了彌補線性流量特性在小開度時調節效果差的不足。多數廠家沒有把拋物線流量特性的閥芯作為標準產品。

快開流量特性在開度較小時就有較大的流量,隨開度的增大,流量很快達到最大;此后再增加開度,流量變化很小??扉_流量特性多用于開關型控制閥,在小開度時就可獲得較大的流量。

非平衡式閥芯和平衡式閥芯

針對單座閥閥芯所受不平衡力大的問題,也有采用平衡型閥芯的解決方案,可使得現有推力有限的執行器可用。平衡型閥芯是在閥芯開有平衡孔,將流體壓力引到閥芯另一側平衡腔室并與閥出口流路密封隔離,這樣閥芯兩側壓力差的絕大部分被平衡掉,不平衡力只有相當于流體壓力在閥桿截面積上的作用力了。由于平衡孔徑相對小一些,若被堵上則平衡作用全失,平衡閥芯不適宜用于較臟、含較大固體顆粒物或易結晶易固化介質。常見的平衡閥芯都是將平衡腔室的筒體設計為固定的,密封環嵌裝在平衡閥芯上,平衡閥芯類似活塞作上下提升運動。如下圖所示,左側為非平衡式閥芯,右側為平衡式閥芯。

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抗空化氣蝕閥芯

在調節閥中產生的沖刷、汽蝕空化現象,其根本原因即是由于閥前后的壓差過高,流速過快。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,在通流截面面積最小處壓力降至最低,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、閥內件或閥體材質的破壞等危害。

控制閥廠家都致力于抗空化氣蝕的解決方案,除了在選型計算上應用阻塞流方程和避開產生閃蒸和空化的條件,還從閥內件結構、材料選用等方面入手特殊設計出各種不同的抗空化氣蝕閥芯。特殊設計的抗空化氣蝕閥芯使流體在通過閥芯閥座時每一點的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓,或采用多級降壓級間壓力恢復的多級閥芯,或采用特殊結構改變流動狀態并提前破壞氣泡而減小閃蒸效果使空化難以產生,同時降低噪聲。

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。

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串級式調節閥多用于液體介質工作的場合,其特點在于:

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,分擔了第一級節流口的壓力。

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。

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。

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。

串級式調節閥一般降壓級數有限,多為34級,不能應用于壓差過高的場合。

 2、多層套筒式調節閥 

如圖所示,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。

多層套筒式調節閥

其特點在于:

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。

多層套筒式結構既能滿足較高的壓降要求,同時又在工作時保證較大的流量。

抗汽蝕性能良好,用于液體介質時,流體由最外側套筒流最內側,液體介質在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現象的發生,并且流體最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。

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。

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。

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迷宮式調節閥

其特點如下;

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最強的,國外有產品最高可以達40MPa。

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。

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。

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。

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