调节阀的调节机构优化设计

时间：2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：调节机构是将执行机构的输出位移转换为调节阀阀芯和阀座间流通面积变化的装置。在一些调节机构中还包括下阀盖，它用于带底导向的调节机构，包括下阀盖、导向套和排放螺塞等。不平衡阀芯的两侧分别是调节阀阀前和阀后的压力，因此阀芯所受不平衡力大，相同公称压力、公称尺寸的控制阀需要更大推力的执行机构才能操作。对于双座阀和需要精确导向的调节机构需采用上部和下部导向。

调节阀的调节机构优化设计

调节机构是将执行机构的输出位移转换为调节阀阀芯和阀座间流通面积变化的装置。通常称调节机构为阀，如直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、角式阀、回转阀等。

1）从结构看，调节机构由承元件（阀体、阀盖）和控压件（阀芯、阀座、阀杆等）组成。阀体是被控流体流过的壳体，它用于连接管道和实现流体的调节，并提供阀座等控压件的支撑。控压件是在阀体内部直接与被控流体接触的零件，包括阀芯、阀座、阀杆、套筒、导向套、密封环等。通常阀盖组件包括阀盖、填料箱、填料、隔环、填料压套、填料压板和活节螺栓等。在一些调节机构中还包括下阀盖，它用于带底导向的调节机构，包括下阀盖、导向套和排放螺塞等。

2）从阀体结构看，可分为带一个阀座和一个阀芯的单阀座阀体、带两个阀座和一个阀芯的双阀座阀体、带一个阀座套筒和一个阀芯的阀体，带一个连接入口和一个连接出口的两通阀体、带三个连接口（一个入口和两个出口的分流或两个入口或一个出口的合流）的三通阀体。

3）从阀芯结构看，调节机构分为直行程位移调节阀和角行程位移调节阀。它们分别与直行程位移执行机构和角行程位移执行机构配合使用。直通阀、角形阀、套筒阀、轴流阀等属于直行程位移阀。蝶阀、球阀、偏心旋转阀等属于角行程位移阀。

4）从阀芯所受不平衡力看，调节机构的阀芯有不平衡和平衡两种类型。平衡式阀芯是在阀芯上开有平衡孔的阀芯（图3-63）。当阀芯上下移动时，阀芯上下部因有平衡孔连接，因此阀芯两侧压力差被抵消，大大减少不平衡力对阀芯的作用。

图3-63 平衡式阀芯结构

a）平衡套筒结构 b）高性能平衡套筒结构

平衡式阀芯需要平衡腔室，因此需安装密封环。根据流向不同，平衡阀芯所受的压力可以是中心向外流（低进高出），也可以是外部向中心流（高进低出）。平衡阀芯可用于套筒结构的阀芯，也可以用柱塞结构的阀芯。不平衡阀芯的两侧分别是调节阀阀前和阀后的压力，因此阀芯所受不平衡力大，相同公称压力、公称尺寸的控制阀需要更大推力的执行机构才能操作。

5）从阀芯导向看，可分为上部导向（图3-64a）、上下导向（图3-64b）、套筒导向、阀杆导向（图3-64c）和阀座导向（图3-64d）等类型。对于流体的控制和截止，阀芯的导向十分重要。阀芯导向影响阀芯和阀座的同轴度。上导向由阀盖或阀体内的一个导向套来实现。上部和下部导向由上阀盖和下阀盖的导向套来实现。对于双座阀和需要精确导向的调节机构需采用上部和下部导向。套筒导向采用阀芯的外圆表面与套筒的内孔表面进行导向，这种导向方法具有自动同轴性能，能够非常精确地实现阀芯和阀座的同轴度。阀杆导向采用上阀盖上的导向套与阀座密封环同轴，用轴套与阀杆实现导向，保证阀芯与阀座的同轴度，有利于控制阀的密封性。阀座导向被广泛地应用小流量控制阀中，它利用阀座孔中用肋支承的导向套来实现。

图3-64 控制阀阀芯导向

a）上部导向 b）上下导向 c）阀杆导向 d）阀座导向

6）从阀芯降压来看，阀芯结构有单级降压和多级降压之分。单级降压结构（图3-65）因进出口的压差较大，因此适用公称压力较低、进出口压差较少、噪声要求不严、空化不严重的场合。

在噪声要求在85dB以下、空化严重的场合，进出口压差较大，公称压力较高的情况下应采用如图3-13和图3-14所示的多级降压结构。在多级降压结构中，控制阀进出口墙的压差被分解为几个压差，使各分级的压差都比较小，且不会发生空化和闪蒸现象，从而防止空化和闪蒸的发生。同时使噪声大大降低，应控制其不超过85dB。

7）从流量特性看，根据流通面积的变化不同，可分为线性特性。等百分比特性、快开特性、抛物线特性、双曲线特性及一些修正特性等（如相对开度40%是等百分比，从40%以后的开度为线性）。流量特性表示阀杆的相对位移与流体相对流量之间的关系。通常，采用流量特性来补偿被控对象的非线性特性。直行程阀芯可分为平面型（用于快开）、柱塞型、窗口型和套筒型。图3-66所示为柱塞型阀的流量特性结构。图3-67所示为窗口型阀芯的流量特性结构。图3-68所示为多级套筒降压结构图3-13的内套筒和外套筒。

图3-65 单级降压结构

由柱塞的形状不同，窗口开孔面积变化不同，套筒的钻孔位置不同，阀芯移动时流通面积也不同，从而实现所需流量特性。

图3-66 柱塞型阀芯的流量特性

图3-67 窗口型阀芯的流量特性

角行程阀的阀芯也有不同形状。例如：用于蝶阀的传统蝶板、动态轮廓蝶板、降噪蝶板等；用于球阀的球体O形开孔、球体V形开孔、修正形球体开孔、偏心半球等结构。

8）从阀内件的互换性看，一些调节机构的阀内件可方便地更换和维护，如套筒阀可方便地更换套筒实现不同流量特性。上下导向的阀内件可方便地翻转阀芯和阀座来实现正体阀与反体阀的更换，从而实现气开和气关方式的更换。阀体分离阀可方便地拆卸，用于阀座更换和清洗。

9）从阀盖结构来看，根据不同应用要求，可采用普通阀盖，也可采用长颈型阀盖或散热片的阀盖。另外，还可采用波纹管密封型阀盖。长颈阀盖适用于低温工况的应用，其长颈阀盖的加长高度视冷箱用与非冷箱用有所不同，如图3-69所示。非冷箱用阀盖加长部分最小长度应为250mm。冷箱用阀盖加长部分最小长度见表3-1。阀盖加长的最小长度应保证填料的温度在0℃以上。

图3-68 多级套筒降压结构

a）多纵套筒降压结构外套筒 b）多级套筒降压结构内套筒

当被控流体不允许外漏时，采用GB/T 26481—2011进行逸散性泄漏检验达到A级时，必须采用带波纹管密封的阀盖，如图3-70所示。可使被控流体被密封在阀体内，不与填料接触，防止流体泄漏。在选用波纹管时需考虑波纹管的耐压和温度的影响。

10）调节阀端部的连接。调节阀可用各种形式的端与管道相连接。其中最主要的连接方法有螺纹连接、法兰连接、焊接及对夹连接。

图3-69 低温阀阀盖加长最小长度

图3-70 波纹管密封阀盖的结构

表3-1 冷箱用阀盖加长部分的最小长度（单位：mm）

注：数据来自BS 6364—1998。

①螺纹连接。螺纹连接通常分为内螺纹连接和外螺纹连接两种。内螺纹连接通常是将阀体上加工成锥管或直管的阴螺纹，管子上加工成锥管或直管的外螺纹，使之旋入阀体上。由于这种连接可能会出现较大的泄漏沟道，故可用密封带来填塞这些沟道。如果阀体材料是可焊接的，可在螺纹连接后还可进行密封焊。如果连接部件的材料是允许焊接但膨胀系数差异很大，或者工作温度的幅度范围较大，则螺纹连接部位必须进行密封焊。外螺纹连接是为了便于安装和拆卸螺纹端部的阀门，在阀体的管端用外螺纹与管接头连接，管接头再与管路焊接连接。

②法兰连接。法兰连接的阀门，安装和拆卸都比较方便。由于法兰连接是用若干条螺栓来紧固的，而单个螺栓所需的紧固力矩要比相应的螺纹连接小，故适用的公称尺寸和公称压力范围广。但是当温度超过370℃（700℉）时，由于螺栓、垫片和法兰蠕变松弛，随时会明显降低螺栓的负荷。这时应选择耐高温的螺栓材料。

各国法兰标准可提供各种法兰的设计结构，并给出相应法兰密封面的形式和表面粗糙度值。根据工作压力高低可以选择法兰密封面的形式。细齿状法兰密封面对软质垫片效果较好。金属垫片需要表面粗糙度值较低的法兰密封面才能获得较好的效果。金属环连接适用较高的工作压力。

③焊接端部连接。焊接连接适用于各种压力和温度。在较高的温度下和较苛刻的条件下使用时，比法兰更为可靠。但是焊接连接阀门的拆卸和重新更换安装是较困难的，所以它的使用仅限于通常长期可靠地运行，或使用条件苛刻和工作温度较高的场合。

在公称尺寸DN50（NPS2）以下的焊接连接的阀门通常具有焊接插口来承接带焊端的管道。由于承插焊接在插口与管道间形成缝隙，因而有可能使缝隙受到某些介质的腐蚀。同时，管道的振动会使连接部疲劳，因此承插焊连接的使用受到规范的限制。

④对夹连接。对夹连接适用于刀闸阀、蝶阀等低压控制阀的连接。采用两管道法兰夹住控制阀，控制阀阀体的最大外径应稍稍小于连接螺栓的内接圆，用螺栓夹紧两法兰完成调节阀与管道的连接。

11）填料密封结构。填料密封是为了防止流体从移动的阀杆和阀盖的间隙中产生泄漏。填料的材质与填料密封结构的选择是保证调节阀在阀杆填料处不产生外漏的重要条件之一。填料密封结构一般由填料压板、填料压套、填料、隔环、填料垫组成。填料密封结构的选择取决于调节阀的工作条件。调节阀填料密封的基本结构，通常有以下几种。

①一般工业用调节阀填料密封的基本结构见表3-2。(www.xing528.com)

表3-2 一般工业用调节阀门填料密封的基本结构

②动力工业用调节阀的填料密封结构。在高温、高压动力工业用调节阀中，填料密封部件的工作条件很复杂，各种成分浸渍过的并用金属丝增强的无石棉填料。柔性石墨编织填料、柔性石墨环、碳纤维编织填料是填料密封的主要材料。

填料压盖通常做成填料压板和填料压套分开结构，填料压套一般采用25、35或12Cr13制造，压紧螺栓采用活节螺栓、填料垫用12Cr13或12Cr19Ni10制造。

填料材料应有材质证明书。柔性石墨填料应在调节阀安装前装入。长期保存时，为了避免阀杆材料受腐蚀，库存调节阀不装柔性石墨填料。

若调节阀安装在难以接近的地方，不能经常拧紧活节螺栓螺母压紧填料，但又必须保证填料密封长期工作，在这种情况下采用两段填料组成的密封结构。两段填料之间安装一个隔环，流体泄漏时沿着专用管从隔环内引到恰当的容器中或大气中。高温流体工作的调节阀，为了降低填料的温度，根据可能把填料移到调节阀上部，远离阀体。填料箱和阀盖之间的圆柱部分，可附加散热片。

动力装置调节阀填料密封结构的基本形式见表3-3。

③高压用调节阀填料密封结构。在流体压力比较高的情况下，为了保证动密封连接的密封性，填料中必须产生较大的压力。这样的情况下如果阀杆直径比较大，将产生比较大的摩擦力矩。为了减小摩擦力矩，阀杆表面可渗氮处理、QPQ处理、镀镍磷（ENP）或磨削。填料高度取得比较大，一般在10圈以上。填料压紧时要装一圈压一圈，不要全装好后再压紧。当控制阀工作温度不太高时，可采用无石棉填料。可是，对于高压调节阀来说，由于制造和维修困难，可使用柔性石墨编织填料和柔性石墨环填料，如图3-71所示。

表3-3 动力装置调节阀填料密封结构的基本形式

④一般调节阀的填料密封结构。对于调节阀来说最常用的一种填料密封结构如图3-72所示。在设计调节阀的填料密封结构时，除了保证密封性能以外，主要考虑摩擦力矩要小。为了达到此目的，阀杆直径要尽可能选得小些，填料选用要恰当，并保证经常有润滑，在选择填料时要考虑流体的成分和温度。填料密封结构中通常装有隔环和注油器，调节阀中应用较广的填料是各种类型的橡胶密封圈。

⑤波纹管密封结构。随着石油、天然气、化工、核工业等现代工业的迅速发展，易燃、易燥、剧毒和带放射性流体的管道日益增多，用于这些管道和装置上的调节阀，对它们的外漏密封有特殊严格要求，要达到GB/T26481—2011逸散性检漏标准的A级。使用一般的填料密封装置已满足不了要求。因此，需要采用带波纹管的阀杆密封结构，如图3-73所示。波纹管一般采用滚焊或氩弧焊与阀盖上的凸缘或其他零件连接在一起。波纹管连接的结构设计一般如下所述。

图3-71 高压调节阀填料密封结构

a）压套螺母式 b）组合填料压盖中间带隔环

图3-72 带有润滑的调节阀填料密封结构

图3-73 波纹管的阀杆密封结构

a.单层波纹管。波纹管的结构应该设计成压缩后仍能保证长期工作的能力。波纹管与调节阀的连接应该绝对密封。波纹管使用长久以后可能会损坏，在更换波纹管时最好结构不作重大改变。为了安装方便，波纹管常带有尾套。单层波纹管不需要尾套既可以安装。

含锌20%（质量分数）的铜锌合金波纹管使用温度和压力都比较低，因此它与控制阀零件的连接可以采用软质铅锡为焊材的钎焊。对于重要的连接，通常采用硬质焊剂（银）的钎焊。

含锌约20%（质量分数）的铜锌合金波纹管与调节阀零件的连接形式如图3-90所示。不用附加固定而沿零件内圆柱面钎焊固定波纹管的方法如图3-74a所示，这种固定方法连接寿命不高。图3-74b和图3-74c所示的连接方式比较牢固，即在连接件周围滚压或扩展波纹管金属，然后钎焊。

图3-74 含锌20%（质量分数）的铜锌合金波纹管与调节阀零件的连接

a）零件内圆柱面钎焊固定波纹管 b）凸肩内圆插入波纹管钎焊固定 c）凸肩外圆插入波纹管钎焊固定

06Cr19Ni10波纹管使用温度可达425℃，它适用于腐蚀性流体的调节阀。这种波纹管带有焊接的法兰，如图3-75所示。利用电弧焊将法兰焊接在调节阀的零件（阀盖或阀杆）上。这种固定方法比较牢固。

单层奥氏体不锈钢制波纹管的连接可以采用图3-76所示的方法。波纹管的圆柱套在连接件的恰当位置并用绝缘短脉冲焊焊上。由于电流脉冲短，其中一个零件壁厚很薄（厚度0.05～0.5mm）也可以焊上。为了保证焊缝质量，波纹管应完全套在被焊接件上。

b.多层波纹管。奥氏体不锈钢制多层波纹管带有连接螺纹套筒，利用螺纹套筒可以与其他零件相连接。通常在螺纹套筒上做出一个很薄的接头，沿管接头圆柱面用电脉冲焊（图3-77）或沿管接头边缘氩弧焊（图3-78）把管接头焊在连接件或接缝上。采用电脉冲焊时，波纹管的更换比较困难。如图3-79所示，采用机械固定，这种方法检修费用较少。

当一个波纹管的行程不够大时，可采用两个或多个波纹管串联，如图3-80所示。