气动调节阀在化工生产中的应用

气动调节阀在化工生产中的应用

姜炳义

中国石油兰州石化公司 甘肃兰州 730060

一、概述

气动调节阀作为自动化控制过程中的执行单元在化工生产中起着很重要的作用，尤其具有执行结构简单、动作可靠、维修方便、性价比高、工作源采用工厂压缩空气解决现场防爆等优点，广泛应用于化工生产装置。

二、气动调节阀的分类及结构特点

   根据国际电工委员会（IEC）对调节阀的定义，调节阀分为执行机构和阀体部件两部分，气动调节阀也由这两部分构成。

1、执行机构部分，也叫推动装置，分为两种：

⑴气动薄膜执行机构，其特点是：结构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉。

⑵气动活塞执行机构，其特点是：输出力大，没有反馈弹簧，适用于大口径，高静压，高压差的阀和蝶阀。

2、阀体部分，也叫调节装置，种类很多，普遍使用的有以下几种：

⑴直通单座阀

特点是流通能力小，许用压差小，泄漏量小；

适用于要求泄漏量小和前后压差小的场合。

⑵直通双座阀

特点是许用压差大，流通能力大，泄漏量大；

适用于泄漏量要求不严和前后压差较大的场合。

⑶角型阀

特点是流路简单，死区和涡流区小，流阻小，流量系数大，借助介质的自身冲刷作用防止堵塞；

适用于高粘度、高压差、含悬浮物和颗粒状流体的场合。

⑷蝶阀

特点是流通能力大，阻力损失小，沉积物不易积存，结构紧凑，安装空间小，但操作转矩大，泄漏量大。

适用于低压差、大口径、大流量的气体或液体。

⑸隔膜阀

特点是抗腐蚀好，流路阻力小，流通能力大，无外泄漏。耐压、耐温低，控制特性差（接近快开阀）；

适用于强酸碱等腐蚀性介质。

⑹球阀

●V型球阀

优点是：流通能力大，比普通阀高两倍以上；控制特性好，为等百分比；可调节范围大可达300：1；具有剪切作用，能严密关闭，适用于浆料，纤维状流体的场合。

缺点是：操作压力受限制，高压降时不适用。

●O型球阀

特点是：流路简单，全开时完全形成直管通道，压力损失最小，密封可靠、泄漏量很小，较密封球阀可达到气泡级密封。

缺点是：价格高于普通球阀，O型球阀可起调节和切断作用，常用于两位式控制，即为开关球阀。

⑺笼式阀

优点：

●稳定性好，该阀的阀塞上设有平衡孔，可以减少介质作用在阀塞上的平衡力，同时套筒与阀塞间导向面大，加之平衡力小，因此不易引起阀芯振动；

●互换性和通用性强，只要更换套筒就可以达到不同的流量系数和不同的流量特性；

●许用压差大，热膨胀影响上，维修方便，使用寿命长，噪音低；

缺点是套筒与阀芯的材质及加工质量要求很高，如果间隙过小，阀芯就会膨胀在套筒里，间隙太大则密封效果降低，同时对介质的要求要干净，广泛用于前后压差大的蒸汽系统。

三、气动调节阀的选择

调节阀选择的依据是根据工艺条件选择合适的调节阀的结构形式和材质：

1、选择气动调节阀的执行机构：

●一般标准组合的调节阀所规定的允许压差是否满足工艺操作时阀上压降的要求，在大压差的情况下，一般要计算阀芯所受的不平衡力和执行机构的输出力，使其满足：

F≥1.1（Ft+Fo）

式中：F--------执行机构的输出力

      Ft--------阀中所受的不平衡力

Fo--------阀座紧压力，一般按阀全关时20kg/cm估算

即：Fo=20πdg kgf

●执行机构的响应速度是否满足工艺操作的要求，一般应优先选用薄膜执行机构，当薄膜执行机构不能满足上述两项要求时，应选用活塞执行机构，比如大口径高压差的情况。

2、调节阀的选择

(1)调节阀前后压差较小，要求泄漏量小，一般选用直通单座阀；

(2)调节阀前后压差较大，泄漏量要求不严，流通能力大，一般选用直通双座阀。

(3)调节低差压大流量气体一般选用蝶阀；

(4)调节阀前后压差较大，噪音较大的场所选用套筒阀；

(5)强腐蚀性介质选用隔膜阀；

(6)高压差，高粘度，含悬浮物、颗粒状介质选用角阀，球阀（差压要小）；

3、流量特性的选择

调节阀的流量特性一般有：等半分比、线性、快开；

（1）线性特性：通过阀的流体的相对流量和它的相对开度成线性关系；

●在同一开度下，直线特性流量大，压差改变快，调节速度快；

●直线特性在小开度流量变化大，调节作用太快，易超调，引起振荡，大开度时作用太慢不及时；

（2）等百分比：通过阀的流体的相对流量用它的相对开度是非线性变化的；

●等百分比在流量小开度时流量小，流量变化小，调节平衡，大开度时流量大，流量变化大，调节灵敏。

●等百分比大部分流量集中在后面，容易不易利用，选阀对口径的要求要比直线特性大一档。

4、调节阀口径的计算：反映调节阀的容量的主要参数是流量系数CV。

5、调节阀材质的选择

选择原则：介质的腐蚀性，根据气蚀、冲刷是否严重选材；介质的温度、介质的压力。

⑴对于阀体的选择：

●一般选用铸钢，使用要求不高的可选铸铁。

●高温或低温应选1Cr18Ni9Ti。

●高压应选锻钢1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti。

●强腐蚀性介质应选不锈钢1Cr18Ni9Ti。

●特殊场合超高压，高温高压，特殊强腐蚀性介质可选用其它材料。

⑵对于阀内组件的选择：

●一般选1Cr18Ni9Ti，要求较高时可选用其它不锈钢；

●气蚀、冲刷严重的场合应1Cr18Ni9Ti，并进行表面硬化处理，如喷镀或锥焊或整体硬质合金。

●强腐蚀性介质中，选镍合金钛或非金属材料。

四、气动调节阀在应用中出现的问题及解决的办法

1、调节阀稳定性差，出现振荡

所谓调节阀的稳定性是指阀在信号压力不变时，能否抵抗各种干扰的能力，能够抵抗干扰则稳定，反之则不稳定；出现气动调节阀不稳定、振荡的主要原因和处理方法：

⑴调节器输出信号不稳定，检查调节器P.I.D参数设置及调节控制回路；

⑵管道或基座剧烈振动，处理管线振动，加固基座；

⑶阀门定位器灵敏度过高，调节阀门定位器的阻尼或更换智能阀门定位器；

⑷流通能力C值选的过大，调节阀在小开度状态下工作，此时要重新核算，采取措施选用合适的调节阀；

⑸节流件配合，导向间隙太大；

⑹阀杆摩擦力大，容易产生迟滞性振荡；

⑺执行机构刚度不够，会在全行程中产生振荡，弹簧预紧量不够，会在低行程中发生振荡。此时解决的最常规的简单方法是增大弹簧的刚度，如将20—100kpa的弹簧改成60-180kpa的大刚度弹簧；

⑻避开阀自身的不稳定性，在阀的不平衡力发生方向变化的交变处阀易产生振荡，使用中应加以避开；

⑼降低响应速度，当系统要求阀的响应或调节速度不宜太快，而阀的速度较快时或者系统本身已是快速响应系统，而阀又带定位器来加快动作时，都将会产生超调，产生振荡，对此应降低响应速度，办法是：

●将直线特性改为对数特性；

●带定位器的可改为转换器，继动器。

2、调节阀的闪蒸和空化

所谓闪蒸是指流体流过调节阀，在节流口流速急剧上升，压力下降液体气化形成气液双相流动的现象；空化则是节流后速度下降压力回升，当压力的恢复超过该温度下的饱和蒸汽压力时液体不再气化，同时液体中的气泡将还原为液体，气泡在急剧破灭的过程中形成强大的压力冲击波的过程。如何避免调节阀的气蚀，应从以下几方面考虑：

⑴使调节阀的使用压差低于不产生气蚀的最大压差。一般来说，当阀上压差△P<1.5Mpa时，即使产生气蚀，但对材质的损坏并不严重，如△P较高就要设法避免和解决气蚀问题，如增长节流通道，在阀座密封面上部增设阻力，以增大节流阻力，减小压力恢复程度，削弱气蚀。也可在阀前、阀后装限流孔板吸收一部分压降。

⑵采用分级降压，多级减压的阀内件，合理设计阀体的流体通道，尽量避免流体垂直冲击阀体内件及内腔，主要有多级套筒式、多级阀芯式、多级叠板式三种均根据多级降压原理制成。

⑶采用经硬化处理的阀内件，以提高阀内组件的表面硬度，通常有热处理硬化，堆焊（熔敷）硬化处理；化学硬化处理和喷涂硬化处理等。

    综上所述，气动调节阀在化工生产中应用广泛，只有合理地设计造型，充分考虑化工介质的物理及化学特性才能很好的使用气动调节阀，才能更好地发挥其在自动控制系统中的作用。

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