摘 要： 介紹了自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。重點(diǎn)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(guò)特殊工況下的實(shí)際應(yīng)用來(lái)進(jìn)一步分析彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙重功能的壓力分配原則、選型計(jì)算及設(shè)計(jì)特點(diǎn)并詳細(xì)敘述了彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)閥中關(guān)鍵零件的作用及設(shè)計(jì)計(jì)算。
關(guān)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(shè)計(jì)

 0 概述

    自力式壓力調(diào)節(jié)閥是一種無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)能源，依靠被調(diào)介質(zhì)自身的壓力為動(dòng)力源，當(dāng)被調(diào)介質(zhì)壓力變化時(shí)按預(yù)定設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的節(jié)能型控制裝置。它集檢測(cè)、控制、執(zhí)行諸多功能于一體，自成一個(gè)獨(dú)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(jiǎn)單方便的節(jié)能產(chǎn)品，所以世界各國(guó)調(diào)節(jié)閥公司紛紛推出了各種類(lèi)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    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(jiàn)圖1），閥芯的初始位置為開(kāi)啟狀態(tài)，閥后壓力P₂經(jīng)導(dǎo)壓管輸入上膜室作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜片上，其作用力與彈簧的作用力相平衡時(shí)的閥芯位置決定了閥的開(kāi)度，從而控制閥后壓力。當(dāng)閥后壓力P₂增加時(shí)，P₂作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時(shí)，膜片上的作用力大于設(shè)定彈簧的作用力，使閥芯向著關(guān)閉的位置運(yùn)動(dòng)，閥的開(kāi)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(shè)定值。同理，當(dāng)閥后壓力P₂降低時(shí)，動(dòng)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(guān)閉狀態(tài)，其力平衡原理與閥后式相同。

自力式壓力調(diào)節(jié)閥優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小壓力設(shè)定點(diǎn)可調(diào)且范圍寬，便于用戶在設(shè)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)采用壓力平衡機(jī)構(gòu)，使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏、控制、允許壓差大被調(diào)介質(zhì)為腐蝕性低、具有流動(dòng)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(duì)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(yīng)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(wú)用量時(shí)、或者間斷用量時(shí)的控制又會(huì)如何呢?fù)?jù)用戶反應(yīng)的現(xiàn)象是閥門(mén)會(huì)出現(xiàn)泄露情況，導(dǎo)致閥的前后差壓*相等當(dāng)使用末段關(guān)閉后重新開(kāi)始使用介質(zhì)時(shí)，閥門(mén)又恢復(fù)了減壓功能，同時(shí)存在憋壓后再開(kāi)啟時(shí)造成瞬間高壓沖擊，極有損壞設(shè)備的可能性。下面以我公司該產(chǎn)品在某企業(yè)的應(yīng)用實(shí)例來(lái)闡述彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥（以下簡(jiǎn)稱閥）針對(duì)這類(lèi)特殊工況的設(shè)計(jì)和應(yīng)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?dú)?，系統(tǒng)的初始管道壓力為2800KPa，后工段所需要的zui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(shí)，并按此方式循環(huán)使用；正常使用時(shí)閥后壓力穩(wěn)定在700KPa，停止使用時(shí)閥后壓力不得高于800KPa。閥后輸送管道長(zhǎng)度為800∼1000米左右

3 設(shè)計(jì)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(shí)的壓力，可選擇一臺(tái)閥降壓也可以選擇兩臺(tái)，但考慮到后工段*關(guān)閉介質(zhì)時(shí)的特殊要求，選擇使用兩臺(tái)閥進(jìn)行雙級(jí)降壓能夠更好的分解設(shè)定壓力，減小單臺(tái)閥過(guò)重的負(fù)載，以*化的方式滿足此工藝要求。

    （1）在閥內(nèi)件設(shè)計(jì)方面，兩臺(tái)閥的密封形式均采用軟密封形式，以提高閥的泄漏等級(jí)，減小因內(nèi)漏造成的閥后壓力升高。

    （2）兩臺(tái)閥需要合理分配設(shè)定壓力。*臺(tái)閥的關(guān)鍵任務(wù)①當(dāng)系統(tǒng)正常使用介質(zhì)時(shí)降低大部分閥前壓力，使閥后壓力穩(wěn)定在一個(gè)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(tái)閥的控制。第二臺(tái)閥的任務(wù)除了正常的減壓外，也應(yīng)能較好起到切斷介質(zhì)的作用，并在*臺(tái)閥因其他未知原因不能正常關(guān)閉的情況下起到二次切斷介質(zhì)的作用，zui終保證閥后壓力小于田伙幾，滿足工藝要求。

    （3）在關(guān)鍵的控制元件一一彈簧的設(shè)計(jì)中，需充分考慮兩臺(tái)閥的作用。相對(duì)來(lái)說(shuō)第二臺(tái)閥的彈贊承受壓力的變化較大，特別是兩臺(tái)閥在關(guān)閉介質(zhì)時(shí)，閥后的壓力都會(huì)有一定的變化，單單對(duì)于第二臺(tái)閥來(lái)說(shuō)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(duì)彈簧的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閥前壓力，所以此時(shí)彈簧所承受的負(fù)載也相對(duì)變大，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算此彈簧時(shí)應(yīng)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(dāng)控制系統(tǒng)末端關(guān)閉后重新開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)慢慢的消耗在輸送過(guò)程中，所以此壓力在這種工況下可以忽略不計(jì)。

    （5）此工藝要求兩臺(tái)閥須頻繁的打開(kāi)和關(guān)閉，所以閥的關(guān)鍵部件所采用的材料也應(yīng)合理捧擇，并建議用戶及時(shí)更新易損件，以保障產(chǎn)品的良好性能。

    4 選型計(jì)算

    （1）壓力分配計(jì)算

    為確保閥后壓力在設(shè)定范圍內(nèi)，其閥前壓力和閥后壓力應(yīng)滿足減壓比（10：1∼10：8）的關(guān)系，詳細(xì)數(shù)值見(jiàn)表1：

兩臺(tái)閥對(duì)閥前、閥后介質(zhì)壓力的合理分段應(yīng)首先保證第二臺(tái)閥關(guān)閉時(shí)閥后壓力不高于800KPa，那么對(duì)于第二臺(tái)閥的閥前壓力應(yīng)該滿足大于zui小減壓比，所以選擇*臺(tái)閥的閥后壓力穩(wěn)定在1000KPa左右較為合適，這個(gè)壓力值作為第二臺(tái)閥的閥前壓力，便于滿足第二臺(tái)閥的閥后壓力穩(wěn)定在700KPa。所以兩臺(tái)閥的壓力分配如下：
 
    *臺(tái)閥：閥前壓力2800KPa、閥后穩(wěn)壓為1000PKa、調(diào)壓范圍為900-1100PKa：

    第二臺(tái)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(jì)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zui大流量等參數(shù)通過(guò)計(jì)算來(lái)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(jì)算公式有很多種，表2中的公式是針對(duì)介質(zhì)為氣體，涉及物化參數(shù)較少的計(jì)算公式。

由已給的條件計(jì)算出兩臺(tái)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zui大流量為2000NM³/h。設(shè)定*臺(tái)閥的流量控制在4000NM³/h，閥后壓力穩(wěn)定在1000kpa；第二臺(tái)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?dú)?，溫度為常溫?臺(tái)閥：p_1≥2p₂，所以選擇公式（1）計(jì)算k_v值，第二臺(tái)閥：p₁<2p₂，所以選擇公式（2）計(jì)算k_v值：

代入已知條件計(jì)算出kv，再根據(jù)式（3）計(jì)算出的C_v大小對(duì)應(yīng)選型，*臺(tái)閥口徑為DN25；第二臺(tái)閥口徑為DN40。

    5 設(shè)計(jì)計(jì)算
 
    （1）閥體壁厚的計(jì)算

    *、二臺(tái)閥的公稱壓力分別為4.0MPah和1.6MPa，介質(zhì)為氮?dú)?，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(jì)算公式，代入已知參數(shù)計(jì)算閥體壁厚。

    式中，P（MPa）：計(jì)算壓力（由設(shè)計(jì)給定）；Dn（mm）：計(jì)算口徑（由設(shè)計(jì)給定）；

    [O_L]（MPa）：許用拉應(yīng)力，可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得出；

    C（mm）：腐蝕余量（由設(shè)計(jì)給定，一般取C=6.3mm）；

    選擇S_B≥S'_B即可滿足設(shè)計(jì)要求，S_B（mm）實(shí)際選用厚度。

    （2）閥桿強(qiáng)度校核計(jì)算

    由于該閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，閥桿只做上下直線運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)閥桿強(qiáng)度核算的計(jì)算采用升降桿明桿強(qiáng)度驗(yàn)算公式

    關(guān)閉時(shí)閥桿總軸向力（N）：

    開(kāi)啟時(shí)閥桿總軸向力（N）：

    閥桿zui大軸向力（N）：取Q₀及Q_K中zui大值

    軸向應(yīng)力（MPa）：

    合成應(yīng)力O_E（MPa）：取軸向應(yīng)力中的zui大值

    KI∼K4：為應(yīng)力系數(shù)值，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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zui小截面積；

    強(qiáng)度校核條件。O_E>[O_E]許用合成應(yīng)力[Q_E]可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得出。

    （3）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

    彈簧是自力式壓力調(diào)節(jié)閥中的關(guān)鍵零件，采用的材料為60Si2MnA硅錳彈簧鋼。圖4為彈簧應(yīng)力及應(yīng)變的關(guān)系圖，圖中F1及F2為閥后穩(wěn)壓范圍中zui小壓力及zui大壓力時(shí)，對(duì)應(yīng)彈簧的zui小受力及zui大受力，F(xiàn)_lim為設(shè)計(jì)彈簧的極限受力?！鱤對(duì)應(yīng)的是彈簧正常的壓縮量同時(shí)也是閥的行程。

    當(dāng)控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)工藝要求的設(shè)定壓力值計(jì)算出彈簧受到的zui小壓力和zui大壓力F1及F2并，將此計(jì)算值代入壓縮彈簧計(jì)算公式：

    根據(jù)彈簧所選擇的材料確定許用應(yīng)力T_P，然后在4∼14范圍內(nèi)初步確定旋繞比，由公式（4）計(jì)算出彈簧的簧絲直徑d，取d的圓整值由D₂=Cd計(jì)算出D₂：再由式（5）計(jì)算有效圈數(shù)n；zui后確定彈簧的所有參數(shù)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)初設(shè)幾個(gè)旋繞比C值做計(jì)算，比較結(jié)果選取*的方案。

    6 用結(jié)論

    這套自力式壓力調(diào)節(jié)閥通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用證明能及時(shí)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(dāng)現(xiàn)場(chǎng)后工段工藝介質(zhì)全關(guān)閉時(shí)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(píng)。通過(guò)這個(gè)應(yīng)用實(shí)例可以得出結(jié)論在一定的條件下通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，自力式壓力調(diào)節(jié)閥可以具備既穩(wěn)定設(shè)定壓力又切斷介質(zhì)的雙重功能，為該類(lèi)產(chǎn)品拓展了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。