控制阀细节分析之阀体.pdf

控制阀细节分析之阀体控制阀细节分析之阀体 李宝华 萨姆森控制设备（中国）有限公司 摘要摘要阀体是阀门主要部分，用于连接管道和实现流体通路，并可安置阀内件，接触各种介质并 承受流体压力，应符合使用压力、温度、冲蚀、腐蚀条件等各方面要求，并根据工程实践、 安装要求决定阀体形状、结构和连接。阀体的型式、材料是其两大要素。 关键词关键词控制阀；阀体；型式；材料；分析 引言 引言 控制阀又称调节阀（Control valve，国标 GB/T 17213.1-1998 定义为控制阀） ，是自动控制的终端控制 元件，决定着过程控制是否及时有效和系统安全，在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术比较薄 弱的环节。 控制阀是一种根据用户操作条件而量身定制的产品，国内外生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格 多、参数多，质量参差不齐。不同厂家的同类型控制阀的设计差异、技术特点和应用情况如何是大家关注 的问题。针对大多数厂家都能生产的直行程控制阀尤其是直通单座阀型，本文试对其阀体及其技术细节进 行探讨分析。 直行程控制阀阀体 直行程控制阀阀体 阀体是阀门主要部分，用于连接管道和实现流体通路，并可安置阀内件，接触各种介质并承受流体压 力，应符合使用压力、温度、冲蚀、腐蚀条件等各方面要求，并根据工程实践、安装要求决定阀体形状、 结构和连接。阀体型式、材料是其两大要素。 对于直行程控制阀，是与直线位移的执行机构配合使用，其阀杆（阀芯）是上下位移动作，也称为滑 动阀杆阀（Sliding Stem Valve） ，在所有控制阀中是应用数量最多的阀型，且大部分控制阀厂商都能生产， 因而型号系列多、厂商参数杂、质量性能差异大。 直通单座是最常见的直行程控制阀阀体，能够应对大部分工况，可实现紧密关闭，结构相对简单；其 它类型阀体也有很多，主要是满足特殊或特定的工况应用，结构也复杂一些。阀体一般采用铸造（包括压 铸） 、锻造（包括模锻）或棒状材料（参见图 1） ，从热加工到冷加工，对铸造毛坯、锻造料材、棒状型材 进行车制加工成一定尺寸。阀体常见材料有铸铁、球墨铸铁、铸钢、铸不锈钢、锻钢、锻不锈钢、合金材 料以及有色金属、陶瓷、塑料等，选择原则是满足使用性能要求、有良好的工艺性和经济性，要综合考虑、 用料合理恰当。 阀门属于压力管道元件，阀体承受着管道内介质压力，阀体设计必须满足相关的标准要求，要符合规 定的公称压力或磅级并且每件阀体都要经过耐压试验。 图 1 直行程控制阀阀体 （a）待加工的阀体毛坯 （b）铸造阀体 （c）锻造阀体 （d）棒状阀体 阀体型式 阀体型式 直行程控制阀型式多样，有应用最多的单座阀，还有双座阀、套筒（笼式）阀、角型阀、三通阀、隔 膜阀以及管夹阀、角座阀（又称斜座阀、Y 型阀） 、滑板阀等，这些阀体可参见图 2。此外还有一些满足特 殊工况或特殊用户要求的特殊设计阀体，如带热夹套的阀体、用夹具紧固易拆卸的分离阀体、高压角阀锻 造阀体等，参见图 3。 阀体连接 阀体连接 阀体的连接形式有螺纹连接、法兰连接和焊接（参见图 4、图 5） 。 图 4 直行程控制阀阀体连接 （a）螺纹连接 （b）凸面法兰连接 （c）环形结合面法兰连接 （d）焊接连接 图 5 直行程控制阀阀体连接形式 （a）平面法兰 （b）凸面法兰 （c）环形结合面法兰 （d）插接焊连接 （e）对焊连接 图 2 直行程控制阀主要型式 （a）单座阀 （b）双座阀 （c）套筒阀 （d）角型阀 （e）三通阀（分流） 三通阀（合流） （f）隔膜阀 （g）管夹阀 （h）角座阀 （i）滑板阀 （a）卫生级分离阀体 （b）锻材的高压角型阀 （c） 带夹套的阀体 图 3 直行程控制阀特殊设计型式 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 螺纹连接常用于小尺寸控制阀（通径不大于 DN 50/NPS 2） 、内螺纹一般为 G 或 NPT 管螺纹，制造成 本低一些，但在管道上安装拆卸有些不便，而且不适用高温工况。 法兰连接是普遍选择，适于控制阀的各种压力范围，使用温度一般在 800℃以下，具有各种尺寸。常 见法兰型式有平面（FF） 、凸面（RF）和环形结合面（RTJ） 。平面法兰常用于低压场合, 法兰面与垫片完 全接触，螺栓紧固引起的法兰应力较低。凸面法兰经过精加工，上面有密封水线以保证密封性，可与各种 材质垫片一起使用，工作压力可达 40MPa（400bar） ，工作温度可达 800℃。环形结合面法兰用于高压场 合，外形相似凸面法兰，在凸面处加工出 U 形环槽，采用断面为椭圆形或八角形的透镜垫片，当压紧垫 片时形成严密密封，在 100MPa 压力下仍具有较好的密封性能，但不宜用在高温场合。 焊接连接是将控制阀阀体直接焊接在管道上，采用套焊或对接焊，可实现严密密封，缺点是阀体材料 必须是可焊接材料，一旦焊接就使日后拆卸困难。还有一种法兰连接带唇焊垫片的办法，法兰螺栓紧固和 唇焊垫片焊接相结合，便于多次拆卸，常用在高真空管道。 阀体端距 工业过程控制阀标准都对直行程阀体在给定公称通径和公称压力时的端面间距有明确规定，大多数法 兰连接或对焊连接的控制阀符合标准化的端面间距。对于直通阀体的平面法兰和凸面法兰，尺寸从法兰端 面到法兰端面（FTF） ；对于角型阀体的平面法兰和凸面法兰，尺寸从法兰中心线到法兰端面（CTF） ，见 图 6，这与一般的法兰标准表示方法相同，若是凸面法兰，则 FTF、CTF 尺寸内包含凸面。单座阀直通和 角型法兰端距可查 IEC 60534-3-1 （GB/T 17213.3） ， 单座阀对焊式端距可查 IEC 60534-3-3 （GB/T 17213.12） , 角行程阀法兰端距可查 IEC 60534-3-2（GB/T 17213.11） 。美标可查 ANSI/ISA 75.8.01 至 75.8.09，九个标准 对不同阀型不同磅级的端距做了详尽的规定。 阀体流路 阀体结构中的流路设计涉及到对流体流动的影响，阀体内部结构形状（几何形状系数）影响到压力恢 复系数 FL。不同阀体因结构的差异，其压力恢复能力和压力恢复系数也不相同，关切流动阻力和压力损失 的大小。阀体流路好，流动阻力小，压力恢复能力好一些；流路复杂，流动阻力大，摩擦损失大，压力恢 复能力也差一些。压力恢复系数 FL直接影响不可压缩液体是否阻塞紊流的计算、影响流体雷诺数的计算。 是否阻塞紊流又与最大流量系数、空化气蚀、噪声有关。 压力恢复系数 FL由厂商型式测试时确定出具体的数值， 不同阀型不同开度都有具体的数值， 这些自有 数据一般情况下只存在于各厂商各自专用的控制阀计算软件中。若使用通用控制阀计算软件，选用 IEC 60534 标准内推荐的阀型典型压力恢复系数 FL数值进行计算时，得出的结果可能会与厂商计算数据、实际 产品规格相差甚远。由于同样阀型不同厂商产品有其阀体流路的设计区别，造成具体阀型的压力恢复系数 FL与标准推荐的典型值有所不同，再加上阀内件的不同设计，也就出现同类阀型同样公称通径相近流量系 数情况下但是行程有较大区别的现象。如 DN50（NPS 2）控制阀流量系数 Cv 基本在 45 左右，SAMSON 的 3240 系列的行程为 15mm，其它厂商多为 20-25mm；DN80（NPS 3）控制阀流量系数 Cv 基本在 100 左 右，SAMSON 的 3240 系列的行程仍为 15mm，其它厂商多为 30-40mm；单位行程的流量系数差异很大， 阀的灵敏度差异较大，其中也有阀体流路设计的因素。 单座阀是低压力恢复阀型，阀体内为 S 形流路，压力恢复系数 FL较大，在 0.8 到 0.9 之间，压力恢复 图 6 阀体法兰间距 w w w . b z f x w . c o m 能力低，其中流关型的控制阀要比流开型的同类阀的压力恢复系数 FL要略小一些。如何使压力恢复系数 FL降低一些，使压力恢复得好一些，改善阻塞流条件，让流通能力增加一些，是很多厂商的研发重点，也 不断有阀体流路设计方面的改进和创新。 如 CV3000 系列是国内普遍生产的阀型，技术已显落后。CV3000 Alphaplus 系列是在 CV3000 系列基 础上应用新技术的优化改进，虽然还不是模块化设计，但在整体性能上也有很大提升。CV3000 Alphaplus 系列对于阀体的流路采用流线型式，改进流路空间，并在流路中创新设置了一个水平尾翼，见图 7b（图中 举例为流关型阀体流路） 。对比图 7a 的原 CV3000 阀体流路，可看到 CV3000 Alphaplus 明显改善了流体在 阀体内流动过程中的紊乱状态，最终使流动阻力减少，从而降低了压力恢复系数 FL，增加了流通能力，测 试结果也表明此改进可使流量系数得到明显提升。这个改进简单易行，国内控制阀制造厂纷纷仿效。 结束语 控制阀在过程控制中扮演重要角色，阀体直接与过程流路相接，保障各种介质流通并承受流体压力及 适应工况要求，同时形状、结构和连接要满足用户需求。正确选择阀体型式、合理设计阀体流路、经济使 用阀体材料是生产和定制控制阀的基本要求，探讨不同阀体细节特点，以整体优化出发，使工业过程控制 阀能够应用在各种工况以及满足安全、环保要求。 参考文献 1. Fisher. 控制阀手册 第四版 cvh99. 2005. 2. SAMSON.240/250/280 系列控制阀产品资料 3. azbil（山武）产品资料 4. IEC 60534-3-12000（GB/T 17213.3-2005） （a）原有 CV3000 系列的阀体流路 （b）CV3000 Alphaplus 系列的阀体流路 图 6 CV3000 系列的流路改进 水平尾翼 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载