化工控制閥選擇

                      上海申弘閥門有限公司

之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹化工控制閥選擇在化工生產(chǎn)和自動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)工藝控制過(guò)程是否能滿足各項(xiàng)工藝控制指標(biāo)，控制過(guò)程是否平穩(wěn)；超調(diào)量、衰減比是否在規(guī)定的范疇之內(nèi)；是否穩(wěn)、快、準(zhǔn)，除了工藝設(shè)計(jì)合理，設(shè)備*外，重要的一點(diǎn)就是控制閥是否能根據(jù)工藝參數(shù)變化而準(zhǔn)確動(dòng)作。控制閥是終端控制元件，在整個(gè)控制回路中較為重要但又是長(zhǎng)期以來(lái)技術(shù)比較薄弱的環(huán)節(jié)，因此如何選擇安全、適用、可靠、經(jīng)濟(jì)的控制閥，滿足工藝調(diào)節(jié)要求，提高控制水平，是自控設(shè)計(jì)人員、生產(chǎn)廠家和用戶zui為關(guān)注的問(wèn)題。本文主要介紹控制閥的一般選型原則、步驟，并突破嚴(yán)酷工況下硬密封控制閥的頑癥，目的是為用戶提供較為適用的選型手段。
1 化工控制閥選擇控制閥結(jié)構(gòu)形式的選
控制閥一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。控制閥的產(chǎn)品類型很多，結(jié)構(gòu)也多種多樣，選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮調(diào)節(jié)功能、泄漏等級(jí)及切斷壓差、耐壓及耐溫、沖蝕、汽蝕、腐蝕、使用生命周期、維護(hù)及備件、性能價(jià)格比。建議選擇順序：上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥單（雙）座（Globe）控制閥、籠式單（雙）座（Cage）控制閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、蝶閥、角閥、球閥（V.O）、三通閥、特殊控制閥等。詳見(jiàn)表1。

控制閥是組成工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它被稱之為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的“手足”，正確選擇控制閥是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運(yùn)行的關(guān)鍵。控制閥選型內(nèi)容通常包括以下幾個(gè)方面：
①控制閥結(jié)構(gòu)形式選擇
控制閥有單座閥、雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等類產(chǎn)品，用戶應(yīng)根據(jù)被調(diào)介質(zhì)的特性和工藝條件選擇控制閥的結(jié)構(gòu)形式。
②控制閥流量特性選擇
控制閥流量特性是指相對(duì)行程與相對(duì)流量的關(guān)系，通常有直線特性、等百分比特性、快開(kāi)特性，需根據(jù)工藝對(duì)象的特點(diǎn)選擇。
③控制閥口徑計(jì)算
根據(jù)工藝過(guò)程條件計(jì)算出控制閥的流量系數(shù)C，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)形式控制閥的流量系數(shù)C值表選擇口徑。
④控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)三種
氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可用于防火防爆場(chǎng)合，故障率低，但需
建獨(dú)立的儀表氣源；液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可用于推力或力矩特別大的地方，運(yùn)行平穩(wěn)，但體積大，價(jià)格昂貴，用量很少；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源隨地可取，隔爆型產(chǎn)品可用
于防火防爆場(chǎng)合，其可靠性近年來(lái)大幅度提高，目前已成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流產(chǎn)品。
⑤控制閥材質(zhì)選擇
主要根據(jù)閥門受控介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性以及是否產(chǎn)生氣蝕、沖蝕等因素選擇材質(zhì)，這包括閥體、閥蓋、閥芯、閥桿、閥座、墊片、密封填料等材質(zhì)的選擇。
⑥
控制閥不平衡力校核
不平衡力校核是保證控制閥正常工作*的一步。其實(shí)質(zhì)是校核執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力是否大于介質(zhì)的不平衡力、閥門動(dòng)作時(shí)的摩擦力、閥芯的重力等力的總和（校核時(shí)輸出力還要有一定的余量）。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算。閥門生產(chǎn)廠根據(jù)工作條件對(duì)常用閥門計(jì)算出允許壓差，列成表格附在選型樣本上，這樣不平衡力校核就轉(zhuǎn)換成允許壓差校核。
校核有兩種方式，一是根據(jù)所選執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力看允許壓差值是否合乎要求，二是根據(jù)允許壓差值選定合適輸出力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

注：“√”表示*選擇；“○”表示可用選擇；“╳”表示較差選擇
針對(duì)高壓、高壓差工況，控制閥閥體應(yīng)選用鍛鋼件，控制閥應(yīng)選用帶多級(jí)套筒式、多級(jí)閥芯式、多級(jí)疊板式等防空化組件。
閥門的泄露等級(jí)應(yīng)根據(jù)ANSIB16。14標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，絕大多數(shù)金屬密封控制閥的泄漏等級(jí)是四級(jí)（ANSICLASSIV），更嚴(yán)格的泄漏等級(jí)是六級(jí)（ANSICLASSVI）可采用軟閥座形式。對(duì)于溫度較高，不能使用軟閥座的場(chǎng)合，可采用五級(jí)（ANSICLASSV）泄漏標(biāo)準(zhǔn)。
2 控制閥口徑的選擇
根據(jù)初步的工藝條件和參數(shù)確定了控制閥的結(jié)構(gòu)和類型后，一項(xiàng)主要的工作就是計(jì)算確定控制閥的流量系數(shù)。英制單位的流量系數(shù)Cv是指在每平方英寸1磅的壓力降下，每分鐘流過(guò)閥門6OF（15.6℃）水的加侖數(shù)。單位的流量系數(shù)Kv是指在0.1MPa壓力降下，每小時(shí)流過(guò)閥門5～40℃水的立方米數(shù)。
二者之間的關(guān)系：Cv=1.16kV
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠計(jì)算流量系數(shù)通常采用Cv，Cv是表示控制閥容量大小、結(jié)構(gòu)及流路形式對(duì)流通能力的影響等綜合因素的固有參數(shù)，它與控制閥的形式及口徑有直接的，因此控制閥口徑的選定，實(shí)際上就是根據(jù)工藝條件確定控制閥閥體類型，進(jìn)行流量系數(shù)的計(jì)算，使按此流量系數(shù)選定的控制閥口徑，能保證工藝對(duì)象要求的流量，同時(shí)控制閥的行程又能在合適的范圍。
Cv值的計(jì)算有相應(yīng)的專業(yè)計(jì)算軟件，根據(jù)計(jì)算的Cv值和已確定的閥體類型，就可以從生產(chǎn)廠家獲取相應(yīng)系列的控制閥選型資料，從對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)系列中選取額定流量系數(shù)不小于并接近于此Cv的一個(gè)數(shù)值，作為zui終選定的流量系數(shù)C100，與此C100相對(duì)應(yīng)的控制閥口徑，即為zui終選擇的控制閥口徑。
3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
為使控制閥正常工作，所選執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來(lái)克服各種阻力，保證高度的密封和閥門的開(kāi)啟。執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型有三種，即氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直行程用薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，彈簧復(fù)位的單氣缸及雙氣缸采用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)）；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥MOV）；液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。可根據(jù)輸出力、調(diào)節(jié)速度、線性度、滯后性、靈敏度、故障位置、尺寸與重量來(lái)選擇。通常選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在沒(méi)有氣源的場(chǎng)合選擇電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧壓力范圍建議綜合考慮選擇60～180kPa（通常20～100kPa，40～200kPa兩種），彈簧硬，控制閥的穩(wěn)定性好；彈簧軟，輸出力大。
4 閥體材質(zhì)選擇
選擇合適的閥體材料能延長(zhǎng)閥門的使用壽命。選擇材料一般應(yīng)根據(jù)工藝介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性、沖刷、氣蝕等幾個(gè)方面來(lái)確定，同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。一般工況下選擇碳鋼或不銹鋼材料；在腐蝕場(chǎng)合必須選擇特殊合金材料，如：Mo2nel、HasloyB，C、Ti、雙向鋼等；對(duì)于嚴(yán)重沖刷的場(chǎng)合，采用閥內(nèi)件硬化處理或硬度較高材料有利于延長(zhǎng)閥門的使用壽命，如：17～4PH、Slited
等。閥體的材質(zhì)應(yīng)在使用介質(zhì)、耐壓等級(jí)、使用溫度范圍、耐腐蝕等方面進(jìn)行選擇，其原則是不應(yīng)低于工藝管道材質(zhì)的要求，優(yōu)先在控制閥定型產(chǎn)品中選取。

5 閥芯材質(zhì)選擇
控制閥的閥芯一般都由316不銹鋼材料制造，具體閥芯材料的選擇還要考慮閥芯硬化處理；抗腐蝕性；抗沖刷性；抗磨損性；高溫高壓等嚴(yán)酷工況。
（1）嚴(yán)酷工況指高壓降、高流速、深冷或高溫、強(qiáng)噪音、沖刷、氣蝕、閃蒸。嚴(yán)酷工況會(huì)損壞控制閥，往往使其不能正常工作，如高壓差對(duì)密封面產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕，影響壽命；深冷或高溫使閥產(chǎn)生嚴(yán)重的熱脹冷縮，造成嚴(yán)重堵卡，影響密封。因此選擇控制閥時(shí)要特別重視嚴(yán)酷工況使用條件下的閥門，一般采用外硬內(nèi)軟閥芯表面超硬化處理，解決了沖蝕、堵卡等問(wèn)題，提高密封面壽命。
（2）當(dāng)流進(jìn)控制閥的液體壓力降到低于入口溫度下液體的飽和蒸氣壓時(shí)，往往會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)壓力為P1的流體流過(guò)控制閥經(jīng)過(guò)截流孔時(shí)，流速急劇增加，同時(shí)流體靜壓力驟然下降，當(dāng)節(jié)流孔后壓力Pvc達(dá)到或低于該流體的飽和蒸氣壓Pv時(shí)，部分液體就會(huì)氣化成為氣體產(chǎn)生大量氣泡，形成氣液兩相共存的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為空化。當(dāng)離開(kāi)節(jié)流孔后壓力又逐漸上升，當(dāng)上升至高于閥門出口壓力P2時(shí)氣泡破裂并產(chǎn)生液體，這個(gè)過(guò)程為空化作用。若P2小于Pv則稱為閃蒸。空化作用發(fā)生時(shí)，氣體液化，氣泡破裂釋放出巨大能量，對(duì)閥內(nèi)件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用，同時(shí)產(chǎn)生噪音或震動(dòng)。氣蝕、閃蒸產(chǎn)生的后果也是如此，對(duì)控制閥內(nèi)件及管道產(chǎn)生很大的破壞作用，導(dǎo)致閥門故障。
對(duì)于氣蝕、空化、閃蒸工況，通常采用分級(jí)降壓、多級(jí)減壓的特殊閥內(nèi)件或采用經(jīng)硬化處理的閥內(nèi)件來(lái)保護(hù)控制閥。

（3）控制閥噪音主要來(lái)自液體動(dòng)力學(xué)噪音和氣體動(dòng)力學(xué)噪音。液體學(xué)噪音是當(dāng)液體流過(guò)閥時(shí)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，氣泡破裂而產(chǎn)生巨大噪音。噪音頻率約在15～10000Hz很寬范圍。氣體動(dòng)力學(xué)噪音包括氣體和水蒸氣產(chǎn)生的噪音。
由于計(jì)算比較復(fù)雜繁瑣，許多用戶或設(shè)計(jì)單位都由制造廠負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)計(jì)算，噪音應(yīng)符合我國(guó)環(huán)保要求，詳見(jiàn)表2。

一般噪音上限均不能大于105dB。氣體動(dòng)力學(xué)噪音一般解決方法是在閥后安裝消音格子板（LO～DB極度），氣體通過(guò)它時(shí)使氣體流速減低，但是這種高質(zhì)合金鋼并經(jīng)過(guò)加硬處理的消音器價(jià)格十分昂貴。噪音的控制通過(guò)分級(jí)降壓、多級(jí)減壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。有效地控制介質(zhì)的流速，是避免產(chǎn)生高噪音的主要手段。
6 控制閥的填料選擇
控制閥的填料裝于上閥蓋填料室內(nèi)，其作用是防止因閥桿移動(dòng)而閥內(nèi)介質(zhì)向外泄漏。zui常用的填料是聚四氟乙烯填料，它具有摩擦系數(shù)小，密封性能好和耐腐蝕性能好的優(yōu)點(diǎn)，但耐溫差，壽命較短，不能用于熔融狀堿金屬、高溫的氟化氯和含有氟元素的介質(zhì)。同時(shí)柔性石墨填料也是一種新型填料，它具有密封性、自潤(rùn)滑性好，耐腐蝕、耐高溫（-200℃～600℃）和溫度變化影響較小等特點(diǎn)。但對(duì)閥桿摩擦力大，通常要使用定位器才能很好工作。旋轉(zhuǎn)型控制閥、高溫控制閥均采用柔性O(shè)型石墨填料。
7 控制閥的附件選擇
控制閥的附件主要有閥門定位器、電磁閥、手輪機(jī)構(gòu)、空氣過(guò)濾減壓器、閥位變送器和行程開(kāi)關(guān)等。
（1）閥門定位器是控制閥的主要輔助儀表，可分為氣動(dòng)閥門定位器和電氣閥門定位器。
閥門定位器能夠提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力，可使閥門的供氣速度快、閥的動(dòng)作速度加快。在使用現(xiàn)場(chǎng)總線的場(chǎng)所采用數(shù)字閥門定位器，除上述功能外，帶PID控制功能、現(xiàn)場(chǎng)總線診斷功能、閥門特性曲線記錄功能。
（2）電磁閥選用時(shí)主要考慮用幾個(gè)位置、幾個(gè)通道；電源電壓、是否防爆；線圈通電后使控制閥關(guān)閉還是打開(kāi)等。
（3）根據(jù)工藝要求確定是否選擇手輪機(jī)構(gòu)。
（4）空氣過(guò)濾減壓器是常用的輔助儀表，選擇時(shí)注意它的輸出壓力、流量。
（5）行程開(kāi)關(guān)應(yīng)優(yōu)先選用接近開(kāi)關(guān)（無(wú)觸點(diǎn)）。
（6）根據(jù)需要選擇閥位變送器、空氣貯罐、繼動(dòng)器、止回閥、自鎖閥、閥位限制器等。

8 結(jié)論
控制閥的選擇是非常細(xì)致的工作，不僅要有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，還要有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。控制閥的選擇要在實(shí)踐的過(guò)程中不斷總結(jié)和創(chuàng)新，特別隨著機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和數(shù)字信息技術(shù)的應(yīng)用，控制閥的結(jié)構(gòu)功能變得更好、更全面，為選擇控制閥提供了極大的方便。上述控制閥選型的原則，可作為化工裝置一般工況用控制閥選擇的指導(dǎo)。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設(shè)計(jì)說(shuō)明