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      控制閥中套筒與閥塞的設計改進

      文/馬興平、張耀輝、李艷榮 天津精通控制儀表技術有限公司

      • 一、概述

      控制閥是過程控制系統中用動力操作去改變流量的裝置。套筒型控制閥(國外也稱籠式閥)是控制閥中使用最廣泛的品種之一。自上世紀六十年代起,就廣泛應用于工業過程控制中。據不完全統計在直行程控制閥中,套筒型控制閥使用量占到了控制閥使用量的一半以上。套筒型控制閥與原單、雙座控制閥相比具有如下優點:

      1. (1)允許壓差大,穩定性高。

      由于采用平衡式閥塞結構,(見圖一)故作用于閥塞上的不平衡力很小,所以該結構控制閥允許壓差大,閥塞穩定性好,不易產生振動。

      圖一

      1. (2)使用壽命長

      套筒型控制閥采用節流面與密封面分開結構,在介質流動中,先經過節流面后再通過密封面,因此對密封面沖蝕較小,大大提高了整機的使用壽命。

      1. (3)拆裝方便

      由于套筒型控制閥的內部結構沒有螺紋連接,套筒靠上閥蓋壓緊在閥座和閥體上,因此拆裝套筒閥非常方便,不需要特殊工具。

      1. (4)噪音低

      套筒型控制閥的套筒內徑與閥塞外徑采用間隙配合,且全行程導向,介質流經套筒時,由于閥塞沒有振幅產生,不會產生振動,又由于介質通過多個窗口充分分流,所以大大降低了噪音。

      1. (5)對溫度敏感性好

      套筒型控制閥的套筒和閥塞形狀相似,使用的材質熱膨脹系數相當,所以在溫度變化時,閥塞和套筒變形數據基本一致,因此套筒型控制閥使用在溫度變化較大的場合時,它的閥座泄漏量與常溫的閥座泄漏量相差無幾。

      套筒型控制閥主要是由閥體、閥蓋、套筒、閥塞、閥座、閥桿等零件組成。套筒、閥塞與流體直接接觸,在閥內可拆卸。套筒是包容節流元件并能規定流量特性,它也提供了全行程導向、平衡和對中性,常見的套筒型式見圖二

      圖二

      • 二、套筒的設計改進

      一臺套筒型控制閥,當公稱通徑確定之后,總希望它的額定流量系數越大越好。提高套筒型控制閥的額定流量系數的主要方法有兩種:一是加大閥體中部容腔體積,再增加導流翼設計,減少介質在流動過程中的紊亂狀態,減少流動阻力,降低壓力恢復系數。同時加大套筒直徑,使介質比較平穩的流向閥后。此方法需要加大閥體、閥蓋、套筒、閥塞的體積,增大閥體、閥蓋壁厚,增加閥體閥蓋緊固螺栓的直徑和數量,這樣不僅使閥門笨重,而且成本增加較大。二是在閥體、套筒、閥塞尺寸及額定行程確定之后,額定流量系數主要取決于套筒上開窗的形狀和大小尺寸,查閱國內外套筒型控制閥圖紙資料,套筒窗口的高度一般取額定行程的1.1~1.3倍,行程大時取小值,行程小時取大值。如窗口高度大于額定行程的1.1~1.3倍,額定流量系數也不會有任何增加了(本人做過此方面的試驗,驗證了這一觀點,試驗數據略),只有在行程范圍內加寬窗口寬度,才是提高額定流量系數最有效的辦法。套筒上部與閥蓋接觸,下部與閥體接觸,閥體與上閥蓋密封力直接作用在套筒上,如果套筒開口過寬,會造成套筒在閥體、閥蓋緊固后產生嚴重變形,查閱1978年全國聯合設計ZMA BM系列《氣動薄膜套筒調節閥設計計算書》中內容,如下表一

      表一

      從上表可以看出,當公稱通徑較小時,安全系數偏大,而口徑較大時,安全系數偏小,特別是DN200、DN250、DN300三種口徑已經接近安全系數極限值,查閱Cv3000系列HCB系列套筒控制閥和FISHER公司ET系列控制閥的圖紙設計,也與以上安全系數接近,也就是說,大口徑套筒型控制閥開窗寬度已達極限狀態,再加大窗口寬度尺寸就有變形的可能性。

      2008年在北京多國儀器儀表展覽會上,我們看到國外一個控制閥制造商展示的套筒,在底部開有幾個深度為1mm寬度相等的窄槽如圖三所示。

      圖三 套筒窄槽示意圖

      我們分析后認為這種方法是能夠減少套筒與閥座的接觸面積,增大壓強壓緊閥座,使套筒承受的壓應力分散轉移,并能夠使套筒受力趨向均勻。下面用SOLIDWORKS對其進行分析。

      同一口徑普通型套筒與在下端開窄槽的套筒用SOLIDWORKS 中的COSMOSXPRESS受力分析對比如圖四、圖五所示,(受力大小隨著顏色變紅越來越大)

                        圖四 普通閥籠                               圖五 下端開窄槽閥籠

      由以上分析可以看出,在受力相同的情況下,下端開窄槽的閥籠受力分布相對普通閥籠受力比較均勻,沒有局部受力較大的情況,這種方法能夠很好的分布閥籠的承壓,使窗口部分最窄斷面受力均勻,這樣在能夠保證足夠大Cv值的情況下,減少閥籠窗口處的變形可能。在閥體腔體固定的情況下,用戶一般都希望Cv值越大越好,所以我們可以在大口徑閥門的閥籠設計上采用這種方法,即在閥籠下端無窗口位置開出幾個與窗口數量一樣的窄槽,這樣在保證無變形的情況下,就能夠盡量擴大窗口的流量面積,可以使流量系數比普通閥籠增加3~5%左右。

      • 三、套筒與閥塞的更新改進
      1. (1)套筒與閥塞密封的改進

      原來生產的套筒型控制閥都是采用上下雙密封面(硬密封)的套筒與閥塞進行密封,由于加工中的誤差,很難保證兩個密封面的高度完全吻合,就是經過研磨工藝,也只能保證最大閥座泄漏量達到Ⅲ級(10-3×閥的額定容量),而近幾年研制開發的閥塞密封結構不再單純是斜面密封。而是在閥塞上部鑲嵌非金屬材料或彈性金屬材料,主要結構有:鑲嵌支承環和密封環的(使用溫度為-18~+204℃)見圖六a,鑲嵌彈簧加載密封圈的(使用溫度為-40~+232℃)見圖六b,鑲嵌金屬C型環加石墨密封的(使用溫度為-101~+538℃)見圖六c

                                                      a                                                                b                                                                          c

      圖 六

      1. (2)套筒開窗口形狀的改進

      隨著現代化工業的發展,在石油、化工和電力等系統中對控制閥提出了更多的要求,要求控制閥能夠適應高溫、高壓、高壓差、抗氣蝕、降噪音等場合,滿足以上要求主要是靠改變窗口形狀實現的。本公司研制開發的特殊窗口形狀主要有:降噪音的通孔式套筒(見圖七a);抗氣蝕的階梯式套筒(見圖七b)等。

      圖七

      控制閥的研制開發是一項復雜的系統工程,我們必須積極吸收和消化國內外先進技術,與使用單位積極配合,聽取用戶對控制閥的要求和建議,才能夠生產制造出符合中國國情的控制閥產品。

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