调节阀的选型设计要点

《自动化与仪器仪表》２００８年第５期（总第１３９期）　调节阀的选型设计要点　谢云山，刘建领，赵忠荣　（重庆工业自动化仪表研究所　重庆，４Ｏ１１２１）　

摘要：主要介绍了调节阀在现代流程工业中的作用及重要性，调节阀的结构、功能，调节阀的类型选择，Ｋｖ值　计算、验证，阀体、阀盖、阀内件和填充材料的选择原则及规范要求：执行机构的推力、转矩计算及验证，调节阀附　件选择等等。　关键词：调节阀；工艺参数；　工艺条件；　工艺流程；　阀内件；Ｋｖ值　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｈａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ　ｆｌｏｗ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｉｔｙ　ｉｎ　ｍｏｄｅｍ　ｔｉｍｅｓ．　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ，ｔｙｐｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ．Ｋｖ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙ　ａｎｄ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｂｏｄｙ　ａｎｄｔｈｅｂｏｎｎｅｔａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｔｒｉｍｐａｒｔｓ　ａｎｄｔｈｅｐａｃｋｉｎｇｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｒｕｓｔａｎｄｔｏｒｑｕｅｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｅｓ．Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ　ｓｅｌｅｃｔｓ　ｅｔｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ；Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｌｏｗ；Ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｔｒｉｍ　ｐａｒｔｓ；Ｋｖ　ｖａｌｕｅ　中图分类号：ＴＰ２１　４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００１－９２２７（２００８）０５－００５３－０３　

０概述　通过参与“神华宁夏煤基烯烃项目”的自动化仪表选型　设计，加深了对调节阀的认识，体会到了调节阀的重要性。　在现代流程工业的自动控制系统中，调节阀起着十分至关重　要的作用，工厂的生产取决于流动着的液体和气体的正确分　配和控制。这些控制无论是能量的交换、压力的降低或者是　简单的容器加料，都需要靠某些最终控制元件去完成。最终　控制元件可以认为是自动控制的“手脚”。在调节器（ＤＣＳ）的　低能量级和执行流动流体控制所需的高能级功能之间，最终　控制元件完成了必要的功率放大作用。　调节阀是最终控制元件的最广泛使用的型式。在“神华　宁夏煤基烯烃项目”中也不例外，所有的调节控制回路中都　是使用调节阀进行流量、液位、压力、温度控制。控制效果　的好坏，调节阀工作寿命的长短，主要取决于调节阀的选型　是否合理。合理的选型不但可实现优化控制、提高生产效　率；还可延长阀门的使用周期，降低维护费用及生产成本。　１　调节阀的结构及功能　要正确使用调节阀，尤其是选择调节阀，必须首先弄清　楚调节阀的结构及使用功能，做到有的放矢，方能选好所需　的调节阀。　１．１调节阀的结构　什么是调节阀？国际电工委员会ＩＥＣ对调节阀做了定　义：“工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元　件，它包括一个阀体部件，内部有一个改变过程流体流率的　收稿日期：２００８一Ｏ６—２４　组件，阀体部件又与一个或多个执行机构相连接。执行机　构用来响应控制元件送来的信号。”可见，调节阀是由执行　机构和阀体部件两部分组成，即：调节阀＝执行机构＋阀体　部件。其中，执行机构是调节阀的推动装置，它按信号压　力的大小产生相应的推力或转矩，使推杆或转轴产生相应　的位移或转角，从而带动调节阀的阀芯动作；阀体部件是　调节阀的调节部份，它直接与介质接触，通过执行机构推　杆的位移或转轴的转角，改变调节阀的节流面积，达到调　节的目的。　调节阀按其能源方式不同主要分为气动调节阀、电动　调节阀、液动调节阀三大类。它们的差别在于所配的执行　机构上。气动调节阀配的是气动执行机构，电动调节阀配　的是电动执行机构，液动调节阀配的是液动执行机构。　１．２调节阀的功能　调节阀的主要功能有：调节功能、克服压差功能、耐　温功能、耐压功能、切断功能、耐蚀功能等。　（１）调节功能　顾名思义，调节阀的首要功能就是调节，其主要表现　在五个方面：　①流量特性　流量特性是反映调节阀的开度与流量的变化关系，以　适应系统的特性要求，如对流量调节系统反应速度快需对　数特性：对温度调节系统反应速度慢，需线性流量特性。流　量特性反映了调节阀的调节品质。　②可调范围Ｒ　

５３　调节阀的选型设计要点　谢云山，等　可调范围反映调节阀可控制的流量范围，用Ｒ＝Ｑｍａｘ：　Ｑ　之比表示。Ｒ越大，调节流量的范围越宽，性能指标就　越好。通常阀的Ｒ＝３０。　③小开度工作性能　有些阀受到结构的限制，小开度工作性能差，产生启　跳、振荡，Ｒ变得很小（即　很大），如双座阀、衬胶蝶阀。　好的阀小开度应有微调功能，既可满足很小流量的调节，且　工作又要求十分平衡，这类阀如Ｖ型球阀、偏心旋转阀、全　功能超轻型调节阀。　④流量系数Ｋｖ　流量系数表示通过流量的能力，同口径Ｋｖ值越大越好。　⑤调节速度　满足系统对阀动作的速度要求。　（２）克服压差功能　它通常用阀关闭时的允许压差来表示，允许压差越大，　此功能也就越好。如果考虑不周到，阀芯就会被压差顶开，　造成阀关不到位，泄漏量超标。因此，保证阀切断就必须克　服阀关闭时的工作压差。　（３）耐温功能　满足不同温度条件下阀的强度和性能，温度的较大变　化会使阀体材质的强度降低，因此阀必须满足介质的温度变　化范围的要求，使阀在工作温度下有较好的强度和安全保　证。　（４）耐压功能　它反映阀的强度和安全指标，即介质不能通过密封处　和阀体缺陷处向外渗漏。出厂时通常用１．５倍公称压力作试　验来检验。对高压介质最好是采用锻件结构：铸铁阀的耐压　强度是最低的，通常选用铸钢阀。　（５）切断功能　切断由阀的泄漏量指标来表示，切断通常指泄漏量小　于０．００１％，它反映阀的内在的质量。　（６）耐蚀功能　抵抗介质的腐蚀和冲蚀，以提高阀的使用寿命。阀的腐　蚀是由介质的化学性能引起的材质腐蚀问题，通常选用耐腐　蚀的材料来解决；冲蚀是由高速流动的介质、含颗粒的介质　和产生闪蒸被空化的介质所致。解决的途径是选用耐磨的材　料，结构上采用反汽蚀、反冲蚀的措施，对高压阀、大压差　作的调节阀、含颗粒介质使用的调节阀需重点考虑此问　题。　２调节阀选型设计要点　首先根据工艺流程的调节需求，选择调节阀类型。其二　根据工艺参数计算阀的Ｋｖ值，然后根据计算出的Ｋｖ值与阀　门系列具有的额定Ｋｖ值比较，从而决定阀门的额定Ｋｖ值与　口径，然后还应进行相关验算，进一步验证所选阀门是否能　满足工作要求。其三是根据工艺条件选择阀体、阀盖、阀内　件及填充材料。其四是根据工艺参数选择执行机构及附件。　２．１调节阀类型选择　阀的类型有：ＧＬＯＢＥ调节阀、蝶形调节阀、旋转偏心调　节阀、球形调节阀等；按执行机构的类型有：气动调节阀、　电动调节阀和液动调节阀。在“神华宁夏煤基烯烃项目”中　选择的是气动调节阀加ＨＡＲＴ智能定位器。　２．２调节阀的Ｋｖ值计算　（１）口径计算原理　在流程工业中，每个工位的调节阀流量、介质、压力、　温度等参数千差万别，而调节阀的流量系数又是在ｌ　ＯＯｋＰａ　压差下，介质为常温水时测试的，怎样结合实际工作情况决　定阀的口径呢？显然，不能以实际流量与阀流量系数比较　（因为压差、介质等条件不同），而必须进行Ｋｖ值计算。把　各种实际参数代入相应的Ｋｖ值计算公式中，算出ｋｖ值，即　把在不同的工作条件下所需要的流量转化为该条件下所需要　的Ｋｖ值，于是根据计算出的ｋｖ值与阀门具有的额定ｋｖ值　比较，从而决定阀门的额定ｋｖ值与口径，最后还应进行有　关验算，进一步验证所选阀是否能满足工作要求。　（２）口径计算及验算步骤　工艺提供的工艺数据表已经确认了计算口径所需的最　大工作流量、正常工作流量和最小工作流量；入口压力、压　差、入口温度等参数，按以下步骤进行计算：　①Ｋｖ值计算。由专门的计算软件进行计算，把工艺数　据表确认的流量、入口压力、压差、入口温度及其它有关参　数输入计算机，就可计算出最大工作流量时的Ｋｖｍａｘ；　②初步决定调节阀口径，根据已计算的Ｋｖｍａｘ，在所　选用的产品型式系列中，选取大于Ｋｖｍａｘ并与其接近的一档　Ｋｖ值，得出口径；　③开度验算；　④实际可调比验算，一般要求实际可调比应大于ｌＯ；　⑤压差校核（仅从开度、可调比上验算还不行，这样　可能造成阀关不死，启不动，故增加此项）；　⑥上述验算合格，所选阀口径合格。若不合格，需重　定口径（及ｌ（ｖ值），或另选其它阀，再验算至合格。　２．３阀体、阀盖、阀内件及填料的选择　（１）阀体材料选择　阀体材料选择要考虑三个因素：介质的腐蚀成分、温　度、压力。介质的腐蚀性是选择阀体材料的关键，在《石油　化工自动控制设计手册》和《石油化工自动化仪表选型设计　规范》中对于各种介质工况下，适合用什么样的材料已列出　了表格，在设计时可对照查阅；如果有管道等级和管道材料　等级表，也可从管道材料等级表中查找。温度是影响材料性　（下转第７８页）　快装锅炉仪表系统的常见故障处理　杨松柏，等　（上接第５４页）　能的又一关键因素；设计温度在一１０￣４００℃的范围内，介质　无腐蚀性工况下选用炭钢就可以。设计温度在一２００￣５３０℃　的范围内，材料选用３０４（０Ｃｒｌ８Ｎｉ９）或３１６（０Ｃｒｌ７Ｎｉ１２Ｍｏ２）　不锈钢，并且能耐腐蚀性介质。压力的高低主要影响法兰的　压力等级；但对于高压阀体要考虑材料的性能。因此，阀体　材料选择主要是综合考虑介质的腐蚀性、温度与压力条件而　定。　（２）阀内件材料选择　阀内件材料的选择除了要考虑介质的腐蚀成分、温度、　压力外，还要考虑在液体条件下的闪蒸和汽蚀。选材方式跟　阀体材料选择是一样的，但最低要求是不锈钢；在有闪蒸、　汽蚀的条件下，要做特别考虑，表面需要堆焊耐闪蒸和汽蚀　的材料（司太莱或合金６）或硬化处理。下面是闪蒸和气蚀　的概念与产生条件。流体流经调节阀时，由于节流处流速增　大，压力下降，当压力低于饱和蒸汽压（ＰＶ）后，液体就会　分裂出气体来，形成气液双相流动，这就是所谓的闪蒸。引　起闪蒸的压差条件是：Ａ　Ｐ≥ＦＬ２（Ｐ１一ＰＶ），其中ＦＬ为压　力恢复系数，Ｐｌ为阀前压力，ＰＶ为入口温度下饱和蒸汽压。　当介质流经节流口后，节流速度开始逐渐下降，压力开始逐　步恢复，当压力恢复到大于饱和蒸气压时，汽泡破裂回到液　态，就在破裂的瞬间，产生强大的压力冲击波，使作用的阀　芯、阀座表面的材料冲击成蜂窝状的小孔，并引起振动和噪　音，这就是所谓的气蚀。另外，在气体工况下，压差大、流　速高，就会产生噪音，噪音小于８５ｄＢ属于正常工况；大于　８５ｄＢ就要加降噪处理，像降噪板或者套筒式打孔阀心；如果　噪音过大，要ａｎ－级降噪或三级降噪，直到噪音小于８５ｄＢ为　止。　（３）上阀盖选择　上阀盖的材料与阀体材料一一致。主要是上阀盖的形式选　择与设计温度有关：设计温度范围在一４６￣２００￣Ｃ选用标准型　上阀盖；设计温度范围在一１９６￣－４６￣Ｃ选用长颈型上阀盖；　设计温度范围在２００￣５３０￣Ｃ选用散热片型上阀盖。　（４）填料选择　填料选择主要考虑温度条件：设计温度范围在一２５～　２００℃选用ＰＴＦＥ（聚四氟乙烯）Ｖ型填料；设计温度范围在一　７８　２５￣４００℃选用石墨＋因科镍填料：设计温度范围在一１９６～　５３０℃选用纯石墨填料（密度１．２）；设计温度范围在－１９６￣　２００℃选用石墨＋ＰＴＦＥ填料。如果有真空，填料要选用双向　填充形式或石墨。　２．４执行机构及附件选择　执行机构选择主要是考虑调节阀受流体作用力影响，　产生使阀芯上下移动的轴向力或使阀芯旋转的切向力。对　于直行程的调节阀，轴向力影响信号与位移的关系，这一　轴向力称为不平衡力。对角位移的调节阀，如蝶阀、球阀、　偏心旋转阀等，影响其角位移的切向合力矩称为不平衡力　矩。影响不平衡力（矩）的因素很多，主要是阀的结构型　式、压差、流向因素。阀的结构型式中又包括阀的类型、节　流形式、阀芯（塞）形状、阀芯正装或反装、阀杆直径与　阀座直径大小等关系。综合考虑各种因素将计算出的推力　或转矩乘以１．５～２．０的安全系数就是执行机构的实际推力　或转矩。　附件选择主要是根据工艺条件要求选配，例如定　位器、手轮、限位开关、电磁阀等。