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          上海陸貢閥業有限公司
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          閥門知識

          自力式調節閥的結構與原理

          2020-09-07

          自力式調節閥摘要

          自力式調節閥,其本身時一個無須外加能源的完整調節系統。隨著現代精密制造技術、數控加工技術、靜電噴涂技術的發展,不少場合可以可靠應用。以下詳細介紹自力式調節閥的功能、結構、特點和精度以及閥座現狀和趨勢進行介紹。

          自力式調節閥概述

          機械工業部標準JB/T8218-1999執行器術語中對自力式調節閥的定義是,“無需外加動力源,只依靠被控流體的能量自行操作并保持被控變量恒定的閥”。目前自力式調節閥已有大量的實際應用,有些醫藥工廠應用高達700-800臺。由于關于自力式調節閥性能指標、適用場合、制造要求的綜合論述較少,陸貢閥業根據當前產品的發展和應用情況予以論述。

          自力式調節閥的基本分類及原理自力式壓力調節閥結構圖

          自力式調節閥是一種無需外來能源驅動的調節閥,依靠被調介質本身的壓力、溫度、流量變化進行自動調節的節能儀表。它是一類把測量、控制和執行功能合為一體,利用被控對象本身能量帶動其動作的調節閥。

          自力式調節閥按照用途區分,可分為壓力、差壓、溫度和流量控制閥;按照執行機構形式區分,可分為薄膜式和活塞式;按照閥座形式區分,可分為單座、雙座和套筒式。自力式調節閥又分為直接作用式和指揮器作用式兩種。

          直接作用式自力式調節閥利用過程本身的壓力或壓差驅動執行機構動作,然后驅動閥門動作。其特點是結構簡單、操作方便。早期產品的調節精度一般為±8%~±10%。近年來,隨著現代制造技術的發展,可以提高到±5%以內。帶指揮器的自力式調節閥,可大幅提高調節精度。特別是大口徑,大流量的應用場合多為帶指揮器的自力式調節閥產品。

          自力式壓力、差壓和流量調節閥

          自力式壓力調節閥根據取壓點位置分閥前和閥后兩類,取壓點造閥前時,用于調節閥前壓力恒定;取壓點在閥后時,用于調節閥后壓力恒定。對于高溫介質如蒸汽,可采用冷凝器降低介質溫度,以保護執行機構膜片,避免膜片受高溫損壞。取壓方式有閥門本體取壓和管道取壓之分,選用時視實際工況而定。圖1是帶冷凝器管道取壓的自力式壓力調節閥示意圖。

          圖2是自力式差壓調節閥。圖中,“流量設定調整”用于調節流阻?!霸O定調整”用于改變彈簧的初始預緊力,調節差壓的設定值。圖中的差壓是用兩個薄膜執行機構輸出推力的比較來實現的,也可只用一個薄膜執行機構。當將閥前和閥后壓力同時引入執行機構的氣室兩側時,自力式差壓調節閥可以控制調節閥兩端的壓差恒定。自力式差壓調節閥結構圖

          自力式流量調節閥工作原理與其相類似,也可將安裝在管道上孔板兩端的壓差引入薄膜執行機構的氣室兩側,組成自力式流量控制回路,或用其他差壓流量測量方式通過自力式差壓調節閥實現流量控制。

          自力式溫度調節閥:

          自力式溫度調節閥的溫度信號來自溫包,當溫度變化時,溫包內的填充介質膨脹所產生的壓力也發生變化,該壓力信號作為控制信號,使自力式溫度調節閥動作。圖3是自力式溫度調節閥的示意圖。

          帶指揮器的自力式調節閥:

          帶指揮器自力式調節閥除執行機構部分外與直接作用自力式調節閥相同,其設定信號由指揮器的設定彈簧設置。圖3是帶指揮器的自力式壓力調節閥原理圖,用于閥后壓力控制。如果閥后壓力升高,表示膜頭①下面的壓力高于上面壓力,閥芯③上移,調節閥的流通面積減小,使閥后壓力下降。同時,作用在指揮器膜片④的壓力也升高,其作用力大于由設定彈簧⑤提供的作用力,使指揮器組件⑥移動,擋板⑦靠近噴嘴⑧,指揮器輸出壓力隨之減小,即在膜頭①上面壓力減小,使閥芯③上移,直到閥后壓力與設定彈簧的作用力平衡為止。針閥②用于調節放大系數,過濾器⑨用于過濾介質中的顆粒雜質,防止噴嘴被堵塞。

          自力式調節閥的特點及主要技術性能

          自力式調節閥不需要任何外加能源,它利用被控流體自身能量而實現自動連續調節,具備一般控制回路所包含的檢測、變送、設定、調節、執行等功能。綜合近年來各種資料,現將常用的單座自力式調節閥的性能列于表1。

          自力式調節閥的典型應用帶指揮器自力式調節閥原理圖

          由于自力式調節閥安裝簡單,無需能源,調校維護簡便的特點取得了很好的綜合效益。某大型制藥廠已有大量的自力式調節閥的應用,氮封系統、廢氣排放系統(呼吸閥)和壓縮空氣減壓系統采用了自力式壓力調節閥,換熱冷卻系統采用了自力式溫度調節閥。

          自力式壓力調節閥應用情況

          ①自力式壓力調節閥主要工藝應用

          (1)常壓下罐頂的機械式呼吸閥,并可滿足GMP要求。

          (2)微壓氮封控制,在需要進行惰化反應的設備需要保持微正壓的情況下,應用于進氣和排氣。

          (3)壓縮空氣減壓,對進車間的壓縮空氣進行多級減壓。

          ②自力式壓力調節閥的檢修維護措施

          每兩年對閥門進行一次功能測試,對閥門前端打壓,測量后端輸出。自力式溫度調節閥結構圖

          針對進氣場合,在閥門前端提供高于設定值的恒定氣源,測量后端壓力,如有偏差進行彈簧調整。

          針對排氣場合,通過進口打壓,看進口壓力是否恒定在設定值,如有偏差進行彈簧調整。

          對于物料比較容易堵塞的閥門,每年進行一次拆解調壓。對閥體進行拆解清洗,再重新調壓。

          ③自力式壓力調節閥的投用情況

          在裝置運行比較穩定時,每年檢測需要更換和維修的比較少。一般情況下,膜片破壞概率小于1%,容易被發現,在出現故障以后進行膜片更換。膜片破損的主要原因是由于工藝超壓超溫所致(主要為超溫)。根據具體工況特性選擇耐高溫、耐低溫的膜片,或者通過加冷凝器的方式可以避免介質溫度超限導致的故障。對于壓縮空氣等常溫和較為潔凈的氣體,極少出現問題,只要保證常規的年度功能測試即可。

          自力式溫度調節閥的應用情況:

          ①自力式溫度調節閥的主要工藝應用

          (1)用于換熱器出口溫度控制的溫度自力式調節閥(內部溫感點)。

          (2)用于換熱器出口溫度控制的溫度自力式調節閥(毛細管外部溫感點)。

          ②自力式溫度調節閥發生的應用問題

          (1)閥芯卡死;

          (2)閥門打不開;

          (3)溫包毛細管破裂;

          (4)執行器卡死;

          (5)執行器內部出現冷凝水后生銹;自力式調節閥主要性能表

          (6)執行器頂桿收縮后不彈出;

          (7)閥門內漏大。

          ③自力式溫度調節閥的檢修維護措施

          (1)在沒有做相關的年度檢查之前,故障概率比較大。增加了年度檢查后,相對概率降低。年度檢查內容為:檢查調節功能是否正常,手動調整溫度,看調節閥是否有相應動作;檢查毛細管是否有泄漏。

          (2)因采用發泡劑進行保溫,導致發泡劑進入閥門,使閥門卡死。更改保溫方式后,該問題得到解決。

          (3)因碳鋼彈簧生銹導致執行器卡死的現象。將彈簧換為不銹鋼材質后,問題得以解決。

          (4)對于投用較少的管線,因自力式調節閥長期不工作導致一些部件卡死。經針對這些閥門進行定期檢查調校,大大降低了故障概率。

          提高閥內件質量是優化自力式調節閥的關鍵

          由于大型制藥廠對成品質量控制極嚴,但成品產量和批量并不大,所以工藝的管道較小,而且高溫、高壓的工藝情況不多。這種情況下,采用自力式調節閥不但節省能源,還可省去儀表氣源及信號配管、配線等設計和施工費用。實際上,自力式調節閥如果能達到高調節精度、機械加工精良、產品質量過硬等要求,便可適用于更廣泛的場合。自力式調節閥作為一種機械產品,近年來,國內制造廠優化自力式調節閥的性能和閥內件在質量方面,已接近和達到國際先進水平。下面以我公司的產品為例,著重介紹自力式調節閥的一些優化設計。

          ①無支架的優化設計自力式調節閥優化結構圖

          如果閥桿的同軸度比較低,可導致閥桿因不同心引起的閥桿卡澀,從而使摩擦力增大。此摩擦力會對設定壓力產生偏差,嚴重的甚至會使閥桿表面拉毛導致密封失效和造成介質向外泄漏。通常的結構是采用帶支架的設計,如圖5所示。這種設計對同軸度的要求很高,一旦略有偏差,很容易造成閥桿卡澀。

          優化后設計結構如圖6所示,它采用無支架設計,因此,只要彈簧兩端面平行,就可保證不發生閥桿偏斜。

          ②無摩擦填料及力平衡閥芯的優化設計

          眾所周知,自力式調節閥按力平衡原理設計,被控流體的介質壓力對閥芯不平衡力越小越好,通過優化設計明顯改善自力式調節閥的動態特性。采用無摩擦填料及力平衡閥芯的自力式調節閥,其顯著的效果是靈敏度獲得了提高,被控對象與設定值的偏差減小。

          ③精密氣動元件的微差壓自力式調節閥微壓差自力式調節閥外形圖

          微差壓自力式調節閥在工業爐、氫冷發電機組、空分裝置、化學品、油品儲罐氮封系統等領域被廣泛應用。微壓差對大型油、液體儲罐為重要的設計指標,壓差越小對密封薄壁儲罐受壓強度越安全。

          通過優化設計,指揮器采用精密氣動元件-噴嘴擋板、主腔采用敏感檢測元件和系統多級降壓后,將原來的自力式調節閥zui小微壓差0.5KPa(50mmH2O水柱壓力)向下延伸一個等級,即zui小微壓差達到0.1MPa(10mmH2O水柱壓力),是目前國內、外壓差zui小的微壓自力式調節閥。其外形如圖7所示。

          ④無切削精密熔模鑄造技術

          近年來,閥內件的毛坯加工工藝先進,采用先進的少切削或無切削精密熔模鑄造技術、加工件經T5熱處理(固溶處理加不完全人工時效)、表面噴丸,使材料的加工余量和材料機械特性得到保證。

          閥內件機械加工采用加工中心精密機床、閥內件加工尺寸偏差可做到0公差,自力式調節閥總裝無需修配,零部件互換性和一次性成品合格率達100%。圖8為產品零部件和整機實物照片。

          自力式調節閥的調節精確度自力式調節閥內部件結構圖

          每一臺自力式調節閥的調節偏差,在機械加工成型后都是固定的,但調節精度目前為止并沒有標準的計算方式。有部分自力式調節閥制造廠會采用固定的壓力調節偏差與調節壓力設定值的百分比作為調節精度。JB/T11049行業標準中規定,中壓型自力式調節閥的壓力P設定范圍為600KPa(P1)<P≤1600KPa(P2),其調節范圍的比為1:2.67。假如有某臺中壓型自力式調節閥調節偏差為80KPa,當壓力設定P=1600KPa,那么調節精度就為80÷1600×100%=5%;當壓力設定P=600KPa時,那么調節精度就為80÷600×100%=13.3%;兩者調節精度相差2.67倍。

          一般來說,在合理的流量范圍內,自力式調節閥的壓力設定值,設定在彈簧壓力范圍的高壓端處比設定在低壓端處的調節精度要高。

          鑒于目前調節精度并沒有規范或行業標準來做明確的定義,故此處調節精度的觀點,希望大家一起予以討論。

          自力式調節閥zui大的特點是可在無電、無氣的場所工作,無需配備氣源管線和電纜,既方便又節約了能源,在合適的場合選用是一種性價比非常高的選擇。目前,我公司在機械加工、材料等方面做出了極大的努力,希望通過改進和提高產品質量和控制精度來達到更好的控制效果和更高的可靠性,以期進一步達到擴大自力式調節閥應用范圍的目的。相信,在適當的工況下選擇使用自力式調節閥,可為用戶節約可觀的投資成本和維修費用。


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