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      淺談GP系列先導式控制閥V級泄漏的實現

      調節閥又稱控制閥,它是過程控制系統中用動力操作去改變流體流量的裝置。調節閥由執行機構和閥組成。調節閥在選用時要保證自控系統正常運行,又需要滿足經濟性的要求。近幾年電力、石油、化工等領域已將大修周期由一年至一年半提高到二年至三年甚至四年,為了節約資金和現場空間,很多用戶在非重要場合已取消了調節閥旁路設計,現場使用中也對控制閥的可靠性提出了更高的要求。其中最大閥座泄漏量是用戶最為關注的技術指標之一,尤其在很多高溫、高壓差場合使用的控制閥一般都要求具有調節和切斷功能,由于軟密封結構使用的密封件溫度范圍很小,因此在高溫和高壓差下一般都采用閥芯、閥座硬密封結構,而且要求控制閥硬密封泄漏等級為V級。硬密封V級泄漏是要求閥芯、閥座硬密封時達到的最高等級,尤其在大口徑控制閥上,硬密封達到V級泄漏是十分困難的,因此很多控制閥生產廠家都在閥內件結構上進行設計改進,而我們天津精通控制儀表技術有限公司選擇的方法是根據用戶需求專門設計了GP系列先導式控制閥結構來保證在高壓差的條件下大口徑閥門硬密封泄漏等級為V級。

      一、不同標準的V級泄漏的試驗要求及計算公式

      在GB/T 4213-2008《氣動調節閥》、ANSI FCI 70-2-2006  《control valve seat leakage 》\IEC60534-4-2006標準中分別對V級泄漏的試驗要求及計算公式進行了規定。

      1、試驗介質:

      A、在GB/T 4213-2008《氣動調節閥》標準中規定:測試介質應為5°~40°的清潔氣體(空氣或氮氣)或水。

      B、在ANSI FCI 70-2-2006《control valve seat leakage 》標準中規定:

      測試介質應為10°~52°清潔氣體(空氣或氮氣)或水。

      C、在IEC60534-4-2006《Industrial-process control valve—Part4:inspection and routine testing》標準中規定:測試介質應為5°~50°清潔氣體(空氣或氮氣)或水,水中可以包含可溶解的油或防銹劑。

      2、試驗介質壓力:

      A、在GB/T 4213-2008《氣動調節閥》標準中規定:按試驗程序1時,應取為0.35MPa,當閥門的允許壓差小于0.35MPa時用設計規定的允許壓差;按試驗程序2時,試驗壓差應取為閥的最大工作壓差。試驗程序見表1。

      B、在ANSI FCI 70-2-2006《control valve seat leakage 》標準中規定:按試驗程序B時,試驗入口壓力應為的最大工作壓差;按試驗程序B1時,試驗入口壓力應為3.5bar(50psi)。試驗程序見表1。

      C、在IEC60534-4-2006《Industrial-process control valve—Part4:inspection and routine testing》標準中規定:按試驗程序1時,試驗介質壓力應在300kPa~400 kPa(3bar~4bar)表壓之間,如果壓力低于350 kPa(3.5 bar),則應在買方規定的最大工作壓差 5%范圍內。

      按試驗程序2時,試驗壓差應在買方規定的控制閥前后最大工作壓差5%以內。試驗程序見表1。

      3、V級泄漏的閥座最大泄漏量計算公式見表1

      • 二、Ⅳ級和Ⅴ級泄漏量數值的對比

      在以往的控制閥產品供貨中,用戶一般要求硬密封泄漏等級為Ⅲ級或Ⅳ級的產品,其泄漏量的數值關系:Ⅳ級為Ⅲ級的1/10,近幾年在一些重要場合用戶也提出了要求硬密封泄漏等級為Ⅴ級的產品,可能有部分的工藝人員誤認為Ⅴ級泄漏量的數值也為Ⅳ級的1/10,因此在一些非重要場合也提出了需要硬密封泄漏等級為Ⅴ級的產品,認為這是控制閥廠家產品質量提升的重要標志。但是這只是個誤區,一方面Ⅴ級泄漏量的數值并不是Ⅳ級的1/10,另一方面控制閥要達到硬密封泄漏等級為Ⅴ級時,一般需要特殊設計閥芯和閥座的密封結構或加大執行機構選配等,這樣就增加了同口徑閥門的成本及售價,也為整個工程項目增大了資金的投入。下面以GP系列先導閥Ⅳ級和Ⅴ級的泄漏量數值為例,看一下Ⅳ級和Ⅴ級的泄漏量數值之間的關系,如表2所示:

      由于在試驗介質為水時,計算Ⅳ級和Ⅴ級泄漏量數值所采用的入口壓力有所區別,因此在進行比較時采用試驗介質為空氣或氮氣,此時試驗壓力數值相同。

      表2   GP系列先導閥泄漏量數值

      由上表可以看出Ⅴ級和Ⅳ級泄漏量的比值并不是1/10的關系,而且隨著公稱通徑的增加,這個比值越來越大,因此對于大口徑控制閥在保證硬密封Ⅴ級泄漏也是有一定的難度的,這不僅表現在零件的加工精度上,在整機結構的設計上也需要優化設計才能夠達到。

      三、GP系列先導式控制閥

      GP系列先導控制閥是我們天津精通控制儀表技術有限公司專門針對溫度高、壓差大、公

      稱通徑較大又要求保證硬密封Ⅴ級泄漏的場合而設計的控制閥產品,除了材料選用及零件的加工精度保證以外,合理的設計結構也是很重要的,下面本文主要針對GP系列先導閥的工作原理、設計結構分析、受力分析等方面來進行說明。

      GP系列先導閥具有體積小,結構緊湊,泄漏等級高,使用壽命長等特點,近幾年在自動控制系統中得到了廣泛的應用,該閥一般應用在高溫、高壓差、可調節及要求切斷的場合。

      GP系列先導閥的工作原理:如圖1、圖2所示,GP系列先導控制閥主要是采用先導閥芯、

      主閥芯、閥籠及閥座作為主要截流元件,在閥門關閉時,主閥芯首先在執行機構作用下關閉于閥座環上,然后先導閥芯也在執行機構的作用下關閉于主閥芯上,此時閥前壓力可以通過主閥芯與閥籠的間隙進入閥籠上腔壓在主閥芯上,使主閥芯關閉時產生背壓,這樣更有利于閥座環密封。介質壓力越高,閥門密封越嚴密。當打開閥門時,執行機構提升閥桿,首先打開先導閥芯,由于先導閥芯與主閥芯的間隙和主閥芯與閥籠之間的間隙相比具有更大的流通能力,使主閥芯很快建立平衡,這樣就能夠使用較小的力便可以打開主閥芯。

          這個設計中的亮點主要有:一組壓縮彈簧和石墨密封環。

      其中彈簧的作用是;利用彈簧剛度抵抗介質壓力的變化,用于解決由于壓力變化原因引起主閥芯和先導閥芯之間產生的振動問題。石墨密封環的作用是:為了保證主閥芯和閥籠之間由于溫度變化,引起間隙變大,避免由于主閥芯和閥籠間隙原因造成主閥芯和閥籠之間的流通能力與先導閥閥座的流通能力不匹配的問題,這樣就不會出現閥門關閉后不能打開的情況。

          

      圖1 GP系列先導閥

       

      圖2   閥籠閥芯組件

      GP系列先導式控制閥的受力分析

       

       

       

      (說明:P1—閥前壓力MPa;P2—閥后壓力MPa)

       

      圖3   GP系列先導式控制閥關閉時壓力分布圖

       

      如圖3所示,關閉GP系列先導式控制閥所需的關閉力包括:

      1、主閥芯的密封力(保證泄漏等級為Ⅴ級時的密封比壓值)

      2、先導閥芯的密封力(保證泄漏等級為Ⅴ級時的密封比壓值)

      3、主閥芯的不平衡力(在閥前后壓差作用下)

      4、先導閥芯的不平衡力(在閥前后壓差作用下)

      5、填料的摩擦力

      6、一組彈簧力

       

      (說明:P1—閥前壓力MPa;P2—閥后壓力MPa)

      圖4   GP系列先導式控制閥打開先導閥芯時壓力分布圖

      如圖4所示,打開GP系列先導式控制閥閥芯所需克服的力包括:

      1、先導閥芯的不平衡力(在閥前后壓差作用下)

      2、填料的摩擦力

      3、一組彈簧力

      當打開先導閥芯后,此設計結構也就成為了普通的平衡式籠式閥,不平衡面積很小,運行平穩。

      因此在應用GP系列先導閥門的時候一定要分析以上各個力的方向,然后進行計算,分別計算出關閉主閥芯和先導閥芯所需的關閉力以及打開先導閥芯所需克服的力,然后按照這個數值取一個安全系數來選配正確執行機構,才能夠達到硬密封泄漏等級為Ⅴ級。

      綜上所述,在高溫、高壓差的情況下大口徑控制閥要達到硬密封Ⅴ級也是需要一定的技術含量的,需要選用適合的材料、恰當的熱處理工藝、較高的加工精度以外,還需要有合理的結構設計,因此也就提高了產品的銷售價格。因此本人認為控制閥生產廠家的技術人員和現場應用的工藝人員都應該更多的認識和理解國家標準、行業標準和國際標準,根據現場需要提出合適的閥座泄漏等級,也可以根據工況要求提出閥座泄漏等級為Ⅳ級的1/10、Ⅳ級的1/20或Ⅳ級的1/50等,降低控制閥的設計難度,同時也降低了整個項目的采購成本。

       

      參考資料:

      《GB/T-4213-2008《氣動調節閥》最大閥座泄漏量解析》

      《先導式調節閥密封結構分析》

       

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