多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)

                  多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)

                   上海申弘閥門有限公司

 1多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)概述
      之前介紹 豎式安裝自力式壓力減壓閥注意事項，現(xiàn)在介紹多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥用于控制高溫、高壓、高壓差以及含有固體顆粒流體的流量和壓力。該閥綜合了普通式、多孔式和迷宮式低噪音調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點，能防止液體空化產(chǎn)生汽蝕，減小了高速流體對閥內(nèi)件的沖刷，降低噪音。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，調(diào)節(jié)閥是用于控制系統(tǒng)改變管路中流體流量的裝置，是管系中的終端控制元件，起著分配流體介質(zhì)、調(diào)節(jié)流體流量等重要作用。近年來隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的高溫、高壓等特殊工況對調(diào)節(jié)閥也提出了更高的要求。特別是應(yīng)用于高壓差場合的調(diào)節(jié)閥，由于流速很高，經(jīng)常在內(nèi)部節(jié)流件部位出現(xiàn)沖刷腐蝕，同時還伴有由空化現(xiàn)象引起的汽蝕、噪聲和振動等危害，給安全生產(chǎn)帶來重大隱患。因此，國內(nèi)外一些廠家分別研究開發(fā)了專門應(yīng)用于高壓差條件下的多級降壓結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥。

報價單位（章）：
序號	材料名稱	規(guī)格型號	單位	數(shù)量	單價(元)	金額(元)	到貨期	生產(chǎn)廠家	備注
1	灰渣水調(diào)節(jié)閥	見數(shù)據(jù)表	臺	1					總工辦	17LV-1006	旋風(fēng)分離罐液位調(diào)節(jié)閥
2	灰渣水調(diào)節(jié)閥	見數(shù)據(jù)表	臺	1					總工辦	17LV-2006	旋風(fēng)分離罐液位調(diào)節(jié)閥
3	灰渣水調(diào)節(jié)閥	見數(shù)據(jù)表	臺	1					總工辦	17HV-1008	旋風(fēng)分離罐液位緊急調(diào)節(jié)閥
4	灰渣水調(diào)節(jié)閥	見數(shù)據(jù)表	臺	1					總工辦	17HV-2008	旋風(fēng)分離罐液位緊急調(diào)節(jié)閥
5	灰渣水調(diào)節(jié)閥	見數(shù)據(jù)表	臺	1					總工辦	17HV-1009	旋風(fēng)分離罐液位緊急調(diào)節(jié)閥
6	灰渣水調(diào)節(jié)閥	見數(shù)據(jù)表	臺	1					總工辦	17HV-2009	旋風(fēng)分離罐液位緊急調(diào)節(jié)閥

本文對常見的各類多級降壓調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點分別進(jìn)行介紹。并且針對可壓縮工況，對用戶如何根據(jù)實際要求的流量計算調(diào)節(jié)閥CV值的常用方法進(jìn)行了總結(jié)。為用戶了解多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點并合理選用提供了參考。
      2 多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)和工作原理
      多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥按閥芯結(jié)構(gòu)可分為平衡型和不平衡型2種。
      圖1為不平衡型閥芯結(jié)構(gòu)。由于閥芯受不平衡力作用，因此克服高壓差時需要較大的執(zhí)行機構(gòu)輸出力。該閥內(nèi)件為金屬剛性結(jié)構(gòu)，單個流體通道的流通截面積較大，且多級閥芯每個臺階處的刃口與套筒上的窗口在閥關(guān)閉時有剪切作用，故適合于對高溫流體及含有固體顆粒或結(jié)晶體介質(zhì)的控制。



      圖2為平衡型閥芯結(jié)構(gòu)。多級閥芯上開有平衡孔，利用平衡密封環(huán)阻止平衡孔內(nèi)流體外漏。閥芯上下受均壓作用，閥芯動作時只需克服平衡密封環(huán)及填料等處的摩擦力，因此配較小的執(zhí)行機構(gòu)就能承受很高的壓差。

閥門工作時（圖3），流體沿平行于多級閥芯及套筒軸線方向向上流動，通過多級閥芯的臺階及平均排列在套筒上的矩形窗口多級節(jié)流，使高壓降沿閥芯軸線方向平均分布，有效控制了流體的速度，從而起到降低噪音和防止液體空化的作用。極大地提高了閥門在苛刻工況條件下的使用壽命。

二、多級降壓調(diào)節(jié)閥的常見類型及特點
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥在調(diào)節(jié)閥中產(chǎn)生的汽蝕空化現(xiàn)象，其根本原因即是由于閥前后的壓差過高。一般認(rèn)為當(dāng)Δp>2.5MPa時，流體介質(zhì)在閥內(nèi)部進(jìn)入節(jié)流部位時壓力驟然下降，在通流截面面積小處壓力降至低，當(dāng)這一壓力低于當(dāng)前溫度下流體的飽和蒸汽壓時，部分液體會出現(xiàn)汽化，形成大量微小的汽泡，當(dāng)流體流過節(jié)流口壓力回升時，這些汽泡又發(fā)生破裂回到液態(tài)，對閥體和閥芯等部件產(chǎn)生沖擊并帶來噪聲、振動等危害。近年來，國內(nèi)外一些調(diào)節(jié)閥廠商都研發(fā)了各種不同類型的專門應(yīng)用于苛刻工況下的抗汽蝕多級降壓調(diào)節(jié)閥。常見的多級降壓調(diào)節(jié)閥分為三類，雖然在結(jié)構(gòu)上有所不同，但有著共同的工作原理，都是通過改變結(jié)構(gòu)將總的壓差進(jìn)行分段多級降壓，使每一級壓降Δp1小于產(chǎn)生空化的臨界壓差，從而有效避免了汽蝕等危害的發(fā)生。
1、串級式調(diào)節(jié)閥
串級式多級降壓結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)把原本的一個整體的節(jié)流區(qū)域以多個分開的節(jié)流區(qū)域互相串聯(lián)，從而使較大的壓差轉(zhuǎn)換為多個較小的壓差，使每一次的降壓范圍都控制在飽和蒸汽壓以上，使空化現(xiàn)象不再出現(xiàn)。
串級式調(diào)節(jié)閥


圖1 串級式調(diào)節(jié)閥
串級式調(diào)節(jié)閥多用于液體介質(zhì)工作的場合，其特點在于：
1)啟閉過程中能夠減輕持續(xù)壓差，每一級節(jié)流口的動作均滯后于上一級節(jié)流口，可以使在啟閉過程時作用于閥口的持續(xù)高壓逐級減輕，分擔(dān)了*級節(jié)流口的壓力。
2)流阻較小，可以勝任流體清潔度不高，甚至固液兩相流的場合。
3)串級式閥芯一般進(jìn)行碳化鎢噴涂硬化處理，抗沖刷汽蝕性能良好。
4)制造過程與其他多級降壓調(diào)節(jié)閥相比工藝較為簡單，加工方便，制造成本也較為低廉。
5)串級式調(diào)節(jié)閥一般降壓級數(shù)有限，多為3～4級，不能應(yīng)用于壓差過高的場合。
2、多層套筒式調(diào)節(jié)閥
多層套筒式多級降壓結(jié)構(gòu)如圖2所示，經(jīng)常用于電站或化工等行業(yè)中。
多層套筒式調(diào)節(jié)閥


圖2 多層套筒式調(diào)節(jié)閥
多層套筒式調(diào)節(jié)閥典型結(jié)構(gòu)特征是閥芯部分節(jié)流件由數(shù)層加工有小孔的套筒構(gòu)成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經(jīng)套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內(nèi)。
其特點在于：
1)多級套筒式調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)可以設(shè)計得較大，降壓能力與串級式相比較強，能夠勝任高壓差的場合。
2)多層套筒式結(jié)構(gòu)既能滿足較高的壓降要求，同時又能在工作時保證較大的流量。
3)抗汽蝕性能良好，用于液體介質(zhì)時，流體由外側(cè)套筒流向內(nèi)側(cè)，液體介質(zhì)在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并且流體終從內(nèi)側(cè)套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區(qū)域，使汽泡在套筒中心部位破裂，不直接對閥門金屬表面產(chǎn)生傷害。
4)抗噪聲、振動性能良好，用于氣體介質(zhì)時由套筒內(nèi)側(cè)向外流動，靠外側(cè)套筒的孔徑和間隙與內(nèi)側(cè)相比均有所擴大，使氣體介質(zhì)在逐級降壓過程中不斷膨脹，可以有效地降低噪聲及振動帶來的危害。
5)套筒加工過程比較復(fù)雜，成本較高。但安裝與維護簡便，易于更換。
3、迷宮式調(diào)節(jié)閥
迷宮盤片式多級降壓結(jié)構(gòu)如圖3所示，其核心節(jié)流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經(jīng)迷宮流道中經(jīng)過多次碰撞轉(zhuǎn)折，消耗能量，在逐級降壓過程的同時，使流速也得到了控制。
迷宮式調(diào)節(jié)閥


圖3 迷宮式調(diào)節(jié)閥
一般多用于核能、電站等行業(yè)中高溫高壓降的特殊場合，工作介質(zhì)多為過熱蒸汽，也能用于液體介質(zhì)。其特點如下。
1)迷宮流道的拐彎級數(shù)就是迷宮式調(diào)節(jié)閥的降壓級數(shù)，一般可達(dá)十幾到二十幾級，所以迷宮式多級降壓結(jié)構(gòu)是常見多級降壓調(diào)節(jié)閥中降壓能力強的，國外有產(chǎn)品高可以達(dá)40MPa。
2)出色的抗汽蝕沖刷及消聲減振性能，多級拐彎迷宮式流道可以有效地控制流體流速，避免空化、噪聲及振動等不良現(xiàn)象的發(fā)生。
3)通過使用不同形式的迷宮盤片進(jìn)行組合，迷宮式調(diào)節(jié)閥可以達(dá)到不同的流量特性調(diào)節(jié)曲線。
4)迷宮式盤片制造精度要求很高，一般由司太立合金堆焊，有較長的使用壽命;安裝與維護比較簡便，盤片易更換。
5)迷宮式流道對流體介質(zhì)的清潔度要求較高，否則迷宮流道容易發(fā)生堵塞。


3 性能分析
      多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥的公稱壓力為ANSI600Lb、900Lb、1500Lb和2500Lb，其流量特性如圖4所示。在閥行程的0～12%之間，流量近似為0，而后流量直線上升，為標(biāo)準(zhǔn)直線特性。這是考慮到閥門在啟閉和小流量開度時，高壓差全部集中在閥芯和閥座的密封面上，高速流體會對密封面造成嚴(yán)重沖刷，甚至產(chǎn)生空化氣蝕。為了保護閥內(nèi)件不受損壞，提高閥門的使用壽命，特設(shè)計12%以下的行程為空行程（圖5），即閥芯和閥座開啟行程低于12%時，套筒上的窗口并未打開，當(dāng)行程大于12%時，套筒窗口才開始降壓節(jié)流，對流體進(jìn)行平穩(wěn)地控制。


4 材料選擇
材料選擇主要考慮到強度、接觸硬度和熱膨脹系數(shù)，閥內(nèi)件應(yīng)抗沖刷，耐腐蝕，并防止在高溫高壓下變形和咬死（表1）。閥體宜采用鍛件，粗加工后必須經(jīng)過超聲波探傷檢驗。閥門填料可使用碳纖維聚四氟乙烯編織填料或帶金屬網(wǎng)填充柔性石墨等高強度填料。為防止高壓流體經(jīng)填料函外泄，故填料必須壓得很緊，這就加大了填料與閥桿的摩擦力，結(jié)果會導(dǎo)致閥桿磨損，并且填料還可能會對閥桿表面造成點狀侵蝕。所以閥桿表面必須進(jìn)行硬化處理，以提高閥桿的壽命。

三、多級降壓調(diào)節(jié)閥CV值的計算
流量系數(shù)(CV)一般用來表示閥門的流通能力，為了選用合適的調(diào)節(jié)閥，必須根據(jù)所使用條件計算出必要的CV值，然后根據(jù)額定流量系數(shù)選擇合適的調(diào)節(jié)閥型號。在可壓縮工況下，流體在節(jié)流過程中壓力降低，體積膨脹，密度減小，閥內(nèi)的流動情況與不可壓縮相比復(fù)雜很多。因此對于一般多用于可壓縮工況下的多級降壓調(diào)節(jié)閥，其流量系數(shù)的計算方法也較為特殊，典型的可壓縮工況下CV值的計算主要有壓縮系數(shù)法及膨脹系數(shù)法兩類常用方法。


1、壓縮系數(shù)法
壓縮系數(shù)法在20世紀(jì)50年代由蘇聯(lián)提出，是計算可壓縮工況下流量系數(shù)的早期公式之一。壓縮系數(shù)法考慮到氣體的可壓縮性，在一般的液體計算公式中添加一個氣體壓縮系數(shù)ε，對液體計算公式進(jìn)行校正。此種方法對計算模型做了很大簡化，把不同形式的調(diào)節(jié)閥都簡化為同樣的流量噴嘴，然后認(rèn)為在噴嘴中氣體介質(zhì)流動的過程是一個絕熱過程，再用能量平衡方程導(dǎo)出計算公式，即：
各類多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點及選用(1)
式中 γN——標(biāo)況下的氣體重度，單位為kgf/m3(1kgf=9.8N);
Q——標(biāo)況下的體積流量，單位為m3/h;
T——氣體溫度，單位為K;
p1——閥前壓力，單位為kgf/m2(1kgf=9.8N);
?p——閥前后壓差，單位為kgf/m2。
壓縮系數(shù)ε可用試驗確定，一般對空氣試驗可得：
各類多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點及選用(2)
除了壓縮系數(shù)法，早期還有閥前密度法、閥后密度法及平均密度法等方法。早期公式只能適用于壓力恢復(fù)程度不高的場合，在非臨界流區(qū)間內(nèi)能夠保證較好的計算精度。但由于公式對計算模型的簡化，隨著?p/p1增大到臨界壓差比時就會產(chǎn)生較大的誤差，在過渡區(qū)和臨界區(qū)內(nèi)無法滿足要求。
2、膨脹系數(shù)法
針對早期計算公式均未考慮閥門的壓力恢復(fù)特性對計算的影響，在20世紀(jì)70年代一些國外廠商提出了以膨脹系數(shù)法、多項式法和正弦法為代表的一系列后期公式，對早期公式進(jìn)行了改良，能較好滿足非臨界區(qū)到臨界區(qū)的計算精度。與早期公式相比較，以膨脹系數(shù)法為代表的后期公式的計算結(jié)果更加經(jīng)濟，可以減少不必要的浪費。其中膨脹系數(shù)法以其計算的簡便性被IEC為標(biāo)準(zhǔn)公式。膨脹系數(shù)法由用于液體情況下的計算公式引入膨脹系數(shù)Y進(jìn)行修正而得出，當(dāng)Y=1時，膨脹系數(shù)法也適用于不可壓縮的液體工況。
各類多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點及選用(3)
式中ρN——標(biāo)況下的氣體密度，單位為kg/m3;
Q——標(biāo)況下的體積流量，單位為m3/h;
T1——氣體入口溫度，單位為K;
p1——閥前壓力，單位為kPa;
X——壓差比，X=?p/p1;
Z——壓縮系數(shù)。
膨脹系數(shù)Y指在相同雷諾數(shù)下，可壓縮性介質(zhì)的流量系數(shù)與不可壓縮介質(zhì)的流量系數(shù)之比。它表示了流體從閥入口流到節(jié)流孔下游流通面積小的縮流斷面處時的密度變化，以及壓差變化時縮流斷面面積的變化。
各類多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點及選用(4)
式中FK——比熱比系數(shù)，F(xiàn)K=K/1.4。
由于計算公式本身不包含上游條件時流體的實際密度，膨脹系數(shù)法引入了壓縮系數(shù)Z來補償某些條件下實際氣體和理想氣體的偏差。膨脹系數(shù)Y用來校正從閥入口處到喉管處氣體密度的變化，Y和喉管處面積與入口面積之比、通道形狀、壓差比X、雷諾數(shù)以及比熱比系數(shù)FK等因素有關(guān)。膨脹系數(shù)法對影響可壓縮流體流動的諸多因素都進(jìn)行了全面的考慮，所以能在全部的流動范圍內(nèi)保證較高的計算精度，且適用于各種類型的閥門，應(yīng)用比較廣泛。 
5 設(shè)計及CV計算
多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥流向采用底進(jìn)側(cè)出，通過多級閥芯和套筒來控制液體的壓力和流量。由于液體為不可壓縮性流體，因此設(shè)計多級閥芯和套筒窗口時，要求各級流道的流通截面積相等。
      設(shè)A1為閥芯臺階環(huán)形流通截面積（mm2），A2為套筒窗口徑向流通總截面積（mm2），A3為套筒窗口軸向流通總截面積（mm2），S為閥行程（mm），參見圖3和圖5。則



A2=2W（L-E）
A3=4Wt
由于A1=A2=A3，則
t=S·δ
L=2（S·δ）+E
      套筒窗口上方4-Φh孔只起流通作用，而不作節(jié)流用。為不影響套筒的流通能力，4-Φh孔的總流通截面積A3≥1.1。
      套筒流通能力CVC為

      閥座流通能力CVb為

      閥的總流通能力CV為

      式中 k——套筒流通系數(shù)
              r——閥座半徑，mm
              K——閥總流通系數(shù)，可取31
      多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥也可用于氣體、蒸汽及氣液兩相流的場合。由于氣體是可壓縮性流體，壓力降低時體積急劇膨脹，因此進(jìn)行流道設(shè)計時要將套筒窗口流通截面a、b、c、d（圖3）按一定的系數(shù)逐級放大。
6 強度校驗
強度校驗主要是閥桿（圖6）的撓曲強度計算以及套筒的壓應(yīng)力校驗。

閥桿撓曲強度計算包括閥桿柔度λ和材料柔度λp，及閥桿臨界載荷Per和許用載荷PA等。


      當(dāng)λ≥λp時，采用歐拉公式


      式中 μ——壓桿長度系數(shù)，取μ=1
           E——材料彈性模量，MPa
           δp——材料比例極限強度，MPa
           A——閥桿橫截面積，mm2
             N——安全系數(shù)，取1.6
若閥桿的許用載荷PA不能滿足設(shè)計要求，可通過更換材料提高強度。比如SUS316的屈服極限σs=205MPa，而17-4PH/沉淀硬化處理后其屈服極限σs=863MPa。如果閥桿材料一定，而許用載荷PA不能滿足設(shè)計要求，則可以把閥桿設(shè)計成階梯軸（圖6b）。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L1應(yīng)盡量短，以保證閥門行程為準(zhǔn)。L2盡量設(shè)計長，這樣有利于提高閥桿的剛度。
      套筒的壓應(yīng)力校驗（圖7）為

      式中σ——套筒承受的壓應(yīng)力，MPa
      Nmax——套筒承受的軸向壓力，N

    σs——材料的屈服極限，MPa
 對多級降壓調(diào)節(jié)閥的常見結(jié)構(gòu)類型及其特點進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。對用戶如何根據(jù)可壓縮介質(zhì)工況下的具體要求計算調(diào)節(jié)閥CV值的常用方法進(jìn)行了總結(jié)，為用戶了解多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點并合理選用提供了參考。



7 結(jié)語
多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計結(jié)構(gòu)*，控制效果好，使用壽命長，性能價格比高。該閥主要應(yīng)用于電站、石油、化工和化肥等行業(yè)。應(yīng)用于高壓差條件下的多級降壓調(diào)節(jié)閥作為管路系統(tǒng)之中的關(guān)鍵設(shè)備，在控制過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文對常見的三種不同類型的多級降壓調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的工作原理、核心結(jié)構(gòu)、特點以及分別適用的場合進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，為用戶了解多級降壓調(diào)節(jié)閥的基本類型和特點提供了參考。此外，由于多級降壓調(diào)節(jié)閥經(jīng)常應(yīng)用于可壓縮工況，本文還對可壓縮工況下流量系數(shù)的典型計算方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)，使用戶能夠依據(jù)正確的計算方法對調(diào)節(jié)閥的具體型號進(jìn)行選擇。總之，本文對于用戶了解專門應(yīng)用于高壓差場合下多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點并合理地選用提供了一定的參考。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：Y42X-600LB美標(biāo)彈簧薄膜式減壓閥