彈簧型自力式壓力調節閥計算選型

                                 上海申弘閥門有限公司

之前介紹HTDQ96P1W電動超高溫蝶閥技術參數，現在介紹彈簧型自力式壓力調節閥計算選型摘要：介紹了自力式壓力調節閥工作原理及結構特點。重點闡述了彈簧型自力式壓力調節既可穩壓又可斷閥介質的雙重功能，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節實現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節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節閥工作原理雙重功能特殊工況設計

0彈簧型自力式壓力調節閥計算選型概述

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥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，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）。所謂自力便是無需外加能源源,只寄托被控流體的能量自行操縱并連結被控變量恒定的閥。它是按照主動化體系中的節制旌旗燈號,主動調節閥門的開度,從而完成介質流量、壓力、溫度和液位的調理。這便是自力式調節閥zui大的特色。自力式調節閥用于調理產業主動化進程節制范疇中的介質流量、壓力、溫度、液位等工藝參數。

1工作原理及結構特點

彈簧式自力式壓力調節閥工作原理，以常用型閥后式為例（見圖1），閥芯的初始位置為開啟狀態，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。

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、高貓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據用戶反應的現象是閥門會出現泄露情況，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。

故障之一，閥門不通。原因有：
①控制通道被雜物堵塞(通道細小，容易堵塞)；
②活塞因銹漬卡在zui高位置；雖上部受力，但不能向下移動，打不開主通道。所以，活塞減壓閥前必須安裝過濾器；對于新安裝或長期停用的減壓閥，一定要拆開檢查和清洗。
故障之二，閥門直通，不起減壓作用。原因有：
①活塞在某一位置(不是zui高位置)卡住；
②主閥閥柄在汽缸盤導向孔某一位置(不是密合位置)卡??；
③主閥閥瓣下部彈簧斷裂或失效；
④脈沖閥閥柄在閥座孔內某一位置(不是密合位置)卡住，使活塞總是受壓力；
⑤主閥瓣與主閥座兩密封面之間，有污物卡住或有刻痕；
⑥膜片因疲勞或損壞而失靈。對于減壓閥，特別要強調定期檢查。如發現污物、銹漬要及時除去；活塞環損壞應更新；彈簧失效要換成可用的；密封面如不密合，應重新研磨；膜片不靈要更換；經使用如確認閥柄較粗，應用砂紙打磨。

三，閥后壓力不能調節。除上述各種原因外，還有：
①調節彈簧失靈；
②帽蓋接縫泄漏，不能保持壓力。

這也要靠及時檢查處理來預防。此外，還有一種現象，就是閥后壓力脈沖波動，極不穩定。這是輸入介質與輸出介質差量太大之故，應重新選擇閥徑相當的閥門。還有一個造成閥后壓力不穩的原因是，調節彈簧選擇不當；一種公稱壓力的減壓閥，調節彈簧有幾種，例如公稱壓力為16公斤/平方厘米，調節彈簧就有1-3公斤/平方厘米、2-8公斤/平方厘米、7-11公斤/平方厘米三種，假如閥后壓力只需1-3公斤/平方厘米，而彈簧卻是7-11公斤/平方厘米的那種，閥后壓力就調不準了。

2、彈簧式安全閥故障之一，密封面滲漏。

原因有：①密封面之間夾有雜物；②密封面損壞。這種故障要靠定期檢修來預防。

故障之二，靈敏度不高。原因有：①彈簧疲勞；②彈簧使用不當。彈簧疲勞，無疑應該更換。彈簧使用不當，是使用者不注意一種公稱壓力的彈簧式安全閥，有幾個壓力段，每一個壓力段有一種對應的彈簧。如公稱壓力為16公斤/平方厘米的安全閥，使用壓力是2.5-4公斤/平方厘米的壓力段，安裝了10-16公斤/平方厘米的彈簧，雖也能夠湊合開啟，但忽高忽低，很不靈敏。

6.2.3逆止閥或止回閥常見故障有：

①閥瓣打碎；②介質倒流。引起閥瓣打碎的原因是：止回閥前后介質壓力處于接近平衡而又互相"拉鋸"的狀態，閥瓣經常與閥座拍打，某些脆性材料(如鑄鐵、黃銅等)做成的閥瓣就被打碎。預防的辦法是采用閥瓣為韌性材料的止回閥。

介質倒流的原因有：①密封面破壞；②夾入雜質。修復密封面和清洗雜質，就能防止倒流。以上關于常見故障及預防方法的敘述，只能起啟發作用，實際使用中，還會遇到其他故障，要做到主動靈活地預防閥門故障的發生，zui根本的一條是熟悉它的結構、材質和動作原理。

2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zui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

一、自力式溫度調節閥事情原理(冷卻型)

冷卻用自力式溫度調節閥事情原理可參照加熱用自力式溫度調節閥,只是當閥芯部件在實行器與彈簧力感化下關上和封閉與溫關閥相同,閥體內經由過程冷介質,重要利用于冷卻裝配中的溫度節制。

2、自力式溫度調節閥事情原理(加熱型)

溫度調節閥是按照液體的不可緊縮和熱脹冷縮原理進行事情的。加熱用自力式溫度調理閥,當被控工具溫度低于設定溫度時,溫包內液體緊縮,感化在實行器推桿上的力減小,閥芯部件在彈簧力的感化下使閥門關上,增長蒸汽和熱油等加熱介質的流量,使被控工具溫度回升,直到被控工具溫度到了設定值時,閥封閉,閥封閉后,被控工具溫度降低,閥又關上,加熱介質又進入熱互換器,又使溫度回升,如許使被控工具溫度為恒定值。閥開度巨細與被控工具實際溫度和設定溫度的差值有關。

3、自力式流量調節閥事情原理

被控介質輸出閥后,閥前壓力P1經由過程節制管線輸出下膜室,經節省閥節省后的壓力Ps輸出上膜室,P1與Ps的差即△Ps=P1-Ps稱為有用壓力。P1感化在膜片上發生的推力與Ps感化在膜片上發生的推力差與彈簧反力相均衡確定了閥芯與閥座的相對地位,從而確定了流經閥的流量。當流經閥的流量增長時,即△Ps增長,結果P1、Ps分別感化鄙人、上膜室,使閥芯向閥座標的目的挪動,從而改變了閥芯與閥座之間的流暢面積,使Ps增長,增長后的Ps感化在膜片上的推力加之彈簧反力與P1感化在膜片上的推力在新的地位發生均衡到達節制流量的目的。

3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，zui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。

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，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zui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1000PKa、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zui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zui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。

5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zui大軸向力（N）：取Q0及QK中zui大值

軸向應力（MPa）：

合成應力OE（MPa）：取軸向應力中的zui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zui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zui小壓力及zui大壓力時，對應彈簧的zui小受力及zui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zui小壓力和zui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；zui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。

6用結論

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。與本文相關的產品有：加長桿蝶閥安裝注意事項