调节阀计算选型使用_明赐东编著pdf

原创 2020-07-03 12:41  阅读

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  调节阀 计算 选型 使用 明赐东 著 成都科技大学出版社 作 者 简 介 明赐东,四川自贡市人,生于1953 年。现任华林公司董事长、华林特种调节阀研制所所 长,高级工程师、中国知名调节阀专家。 1977 年,明赐东从成都工学院(现四川大学)毕业后,一直从事调节阀的研究、设计、制 造和应用工作。先后完成科研项目、国产化项目上百项,解决了高压、强腐蚀、防堵、紧急 动作等疑难问题。申请专利十余项,获专利 5 项,其中近期研发的全功能超轻型调节阀达到 二十世纪 90 年代末国际先进水平,引发了调节阀的一次深刻革命。1999 年底,中央电视台 对该产品做了专题报道;2000 年该产品获得国家创新基金扶持和“国家重点新产品”称号。 该产品的推出,缩短了我国调节阀技术、产品与国外的差距,为中国人争了光。 从 1982 年起,明赐东一直致力于提高我国调节阀应用技术水平,先后举办二十余次调节 阀应用技术学习班;在《化工自动化及仪表》等杂志上举办专题讲座四次;发表论文二十多 万字,出版有《调节阀应用》、《调节阀计算、选型、使用》两本专著;指导开发了国内第一 套调节阀技术三维仿真多媒体教学软件,支持建设了中国调节阀信息网。 为更快、更好的促进我国调节阀技术、产品上一个新台阶,明赐东董事长正带领全体华 林人依靠技术优势,力争成为第一家在深“创业板”上市的调节阀企业,成为中国调节阀技 术的“排头兵”。 前 言 调节阀属自动化仪表中的执行器大类。它作为过程控制中的终端元件,随着 自动化程度的不断提高,已日益广泛地应用于冶金、电力、化工、石油、轻纺、 造纸、建材等工业部门中。 调节阀安装在现场,直接与介质接触,使用条件恶劣,它的质量和可靠性不 仅影响调节品质,而且还涉及到系统的安全、维护人员的安全和环境污染等重大 问题。不少场合迫切需要实现自动控制,却常因调节阀不能满足现场要求而无法 实现。随着调节阀的发展,人们对调节阀的重要性有了新的认识,已回过头来对 它另眼相看了。 要正确可靠地用好调节阀,除产品本身质量外,还与计算、选型、维护、使 用密切相关。为此,相关人员必须了解一些调节阀的应用理论,懂得计算、选型、 安装、维护、故障诊断和处理等一系列应用知识。遗憾的是,介绍这些知识的专 门书籍太少,致使有关人员无从参考,无处遵循。编写本书的目的正是想填补这 一空白,以提高对调节阀的使用质量,更好地发挥其作用。 本书参考了作者1989 年由四川科技出版社出版的《调节阀应用》和华林公司 的《调节阀选型指南》两本书,并结合了作者这十年对调节阀的研究、开发、疑 难问题的处理经验,尤其是举办调节阀学习班经验、现场技术服务经验、新开发 的九十年代末的最新产品成果— 全功能超轻型调节阀的研制和应用经验。本书对 提高调节阀应用质量,提高选型质量,正确指导使用有较好的参考作用,还可作 为调节阀的讲义、教材供有关人员学习和培训用。 本书的对象为仪表工和仪表技术人员、自控系统设计工程师和工艺师、调节 阀的研究和设计人员、自动化及仪表专业的大专院校师生。 由于作者和编者水平有限,本书一定存在不少问题,欢迎广大读者批评指正。 目 录 第一篇 调节阀综述 ………………………………………………………………… (1) 1 调节阀的发展历程 ………………………………………………………………… (1) 2 调节阀在系统中的作用与重要性 ………………………………………………… (1) 3 调节阀的使用功能 ………………………………………………………………… (2) 4 十大类调节阀的优劣比较 ………………………………………………………… (3) 5 调节阀标准与性能 ………………………………………………………………… (4) 6 调节阀泄漏标准的细分 …………………………………………………………… (5) 7 调节阀在使用中存在的主要问题 ………………………………………………… (8) 8 九十年代调节阀的新发展 ………………………………………………………… (9) 9 调节阀三代产品的初步划分 ……………………………………………………… (9) 1 0 电动调节阀的应用前景 ……………………………………………… ( 9 ) 第二篇 调节阀计算 ……………………………………………………………… (10) 1 流量系数 Kv 的来历 ……………………………………………………………… (10) 2 流量系数定义 …………………………………………………………………… (11) 3 原流量系数Kv 计算公式 …………………………………………………………… (12) 4 Kv 值计算新公式 ………………………………………………………………… ( 14) 5 调节阀口径计算 …………………………………………………………………… ( 19) 6 国际电工委员会推荐的新公式简介 ………………………………………………(23) 第三篇 不平衡力计算及其校核 …………………………………………………(27) l 不平衡力和不平衡力计算 …………………………………………………………(27) 2 输出力定义及计算 …………………………………………………………………(28) 3 不平衡力的校核 ……………………………………………………………………( 30) 4 执行机构的刚度与调节阀的稳定性校核 …………………………………………(30) 第四篇 调节阀结构 …………………………………………………………………(32) 1 调节阀的构成 ………………………………………………………………………(32) 2 气动薄膜执行机构 …………………………………………………………………(32) 3 气动活塞执行机构 …………………………………………………………………(34) 4 电动执行机构 ………………………………………………………………………(40) 5 阀盖与填料 …………………………………………………………………………(42) 6 调节阀主要阀型及结构特点 …………………………………………………………(43) 7 特殊阀 …………………………………………………………………………………(50) 第五篇 调节阀选型指南 ……………………………………………………………( 58) 1 调节阀结构型式的选择 ……………………………………………………………( 58) 2 执行机构的选择 ……………………………………………………………………(6 1) 3 材料的选择 …………………………………………………………………………(62) 4 作用方式的选择 ……………………………………………………………………(66) 5 弹簧范围的选择 ……………………………………………………………………( 67) 6 流量特性的选择 ……………………………………………………………………( 69) 7 流向的选择 …………………………………………………………………………(75) 8 填料的选择 …………………………………………………………………………( 78) 9 附件的选择 …………………………………………………………………………( 79) 10 型号决定 …………………………………………………………………………( 81) 11 订货须知 …………………………………………………………………………(83) 12 调节阀选型的详细审定内容(116 问) ……………………………………………(83) 13 调节阀选型咨询表 …………………………………………………………………(86) 14 调节阀选型的简化 …………………………………………………………………(87) 第六篇 调节阀阀型选择及配套件简介 ………………………………………(89) (老式气动调节阀系列) 1 ZM □Y 气动薄膜小流量调节阀 …………………………………………………(90) 2 ZM □P 气动薄膜单座调节阀………………………………………………………(9 1) 3 ZMAN 气动薄膜双座调节阀 ………………………………………………………(92) 4 ZM □M 气动薄膜套筒调节阀 ………………………………………………………(93) 5 ZM □S 气动薄膜角形调节阀 ………………………………………………………(94) 6 ZM □T 气动薄膜隔膜调节阀 ………………………………………………………(95) 7 ZM □Q(X)气动薄膜三通调节阀 ……………………………………………………(96) 8 ZMAW(Wa) 气动薄膜( 椭圆) 蝶阀 …………………………………………………(97) 9 ZSHO(V) 型气动球阀 ……………………………………………………………(99) 10 ZSHR(Z) 型气动偏心旋转阀 ………………………………………………………(100) (气动精小型系列) 11 ZJHP 气动薄膜精小型单座调节阀 ………………………………………………(10 1) 12 ZJHM 气动薄膜精小型套筒调节阀 ……………………………………………(102) 13 ZJHN 精小型气动薄膜双座调节阀 …………………………………………(10 3) 14 ZJHS 气动薄膜精小型角形阀 ………………………………………………………(104) 15 HLS 小口径单座调节阀 ……………………………………………………………(105) 16 HLC 小口径套筒单座调节阀 ……………………………………………………(106) 17 HT S 单座调节阀 …………………………………………………………………( 107) 18 HSC 套筒单座调节阀 ……………………………………………………………(108) 19 HPS 高压单座调节阀 ……………………………………………………………(109) 20 HCB 笼式调节阀 …………………………………………………………………(110) 21 HPC 高压笼式(双座)调节阀 ………………………………………………………(111) 22 HCU 笼式(单座)调节阀 ……………………………………………………………(112) 23 HCN 低噪音笼式(双座)调节阀 ……………………………………………………(113) 24 HPN 高压低噪音笼式(双座)调节阀 ………………………………………………(114) ( 电动执行机构) 25 DKZ 型电动执行机构 ……………………………………………………………(115) 26 SKZ 型电动执行机构 ………………………………………………………………(116) 27 DKJ 型电动执行机构 ………………………………………………………………(117) 28 SKJ 型电动执行机构 ………………………………………………………………(118) 29 CRZ 型直行程电动执行机构 ……………………………………………………(1 19) 30 CR 型直连式角行程电动执行机构 ………………………………………………(120) 31 PS 系列电子式执行机构 ……………………………………………………………(12 1) 32 3610 系列电子式电动执行机构 …………………………………………………(125) 33 Unic 、Nucom 系列电子式电动执行机构 …………………………………………(128) ( 电动阀系列) 34 ZKZP 电动单座调节阀 ZDLP 电子式电动单座调节阀 ………………………(133) 35 ZKZN 电动双座调节阀 ZDLN 电子式电动双座调节阀 ………………………( 134) 36 ZKZM 电动套筒调节阀 ZDLM 电子式电动套筒调节阀 ………………………(135) 37 ZKZS 电动角型调节阀 ZDLS 电子式电动角型调节阀 ………………………(136) 38 ZKZQ(X) 电动三通调节阀 ZDLQ(X) 电子式电动三通调节阀 ………( 1 3 7) 39 ZKJW(Wa) 电动(椭圆)蝶阀 ZDRW(Wa) 电子式电动(椭圆)蝶阀 ………………(138) 40 ZKJ O(V) 电动球阀 ZDRO(V) 电子式电动球阀 …………………………………(139) 41 ZKJR 电动偏心旋转阀 ZDRR 电子式电动偏心旋转阀 ……………………(140) 42 ZJKP 电动精小型单座调节阀 ZDLP 电子式精小型电动单座调节阀 ………(14 1) 43 ZJKM 电动精小型套筒调节阀 ZDLM 电子式精小电动型套筒调节阀 ………(142) (特色产品系列) 44 ZSRH 气动全功能超轻型调节阀 ZDRH 电动( 电子式)全功能超轻型调节阀 ………………………………………(143) 220 45 Z □□S — — 气动、电动、电子式反汽蚀角形高压调节阀 …………………(145) 320 220 46 Z □□P — — 气动、电动、电子式直通高压单座调节阀 ………………………(147) 320 220 47 Z □□H — — 气动、电动、电子式高压全功能超轻型调节阀 …………………(148) 320 48 Z □□PF 气动、电动、电子式全四氟耐蚀单座阀 …………………………………(149) 49 Z □□OF 气动、电动、电子式衬氟球阀 ……………………………………………(150) 50 Z □□WF 气动、电动、电子式衬氟耐蚀蝶阀 ………………………………………(15 1) 51 Z □□WH 气动、电动、电子式球面密封切断蝶阀 ………………………………(152) (常用定位器及自力式压力调节阀) 52 ZPD—0lA 型电—气阀门定位器 ………………………………………………… (153) 53 HEP 系列电—气阀门定位器 ………………………………………………………(154) 54 ZZYP—16K 自力式压力调节阀 …………………………………………………(155) 55 ZMHN 重锤式压力调节阀 ………………………………………………………(1 56) 56 ZPLG 自力式压力调节阀 …………………………………………………………(157) 第七篇 调节阀的安装与维护 ………………………………………………………(158) 1 调节阀的主要性能及测试 ………………………………………………………(1 58) 2 调节阀的安装 ……………………………………………………………………(1 59) 3 调节阀的维护 ……………………………………………………………………(1 67) 4 调节阀常见故障处理60 法 …………………………………………………………(169) 第八篇 调节阀习题集 ………………………………………………………………(179) 1 填空题 ………………………………………………………………………………(179) 2 选择题 ………………………………………………………………………………(1 80) 3 改错题 ………………………………………………………………………………(181) 4 计算题 ………………………………………………………………………………(181) 5 简答题 ………………………………………………………………………………(183) 6 简述题 …………………………………………………………………………………(185) 7 调节阀30 个为什么 …………………………………………………………………(190) 第九篇 华林系列产品 …………………………………………………………………(195) 1 华林公司简介 ……………………………………………………………………(195) 2 第二代调节阀——全功能超轻型调节阀 ……………………………………………(196) 3 华林调节阀系列 ……………………………………………………………………(198) 4 有关技术资料 ………………………………………………………………………(200) 5 编后语 ……………………………………………………………………………(20 1) 第一篇 调节阀综述 1 调节阀的发展历程 调节阀的发展自20 世纪初始至今已有七、八十年的历史,先后产生了十个大类的调节阀 产品、自力式阀和定位器等,其发展历程如下: 20 年代:原始的稳定压力用的调节阀问世。 30 年代:以“V”型缺口的双座阀和单座阀为代表产品问世。 40 年代:出现定位器,调节阀新品种进一步产生,出现隔膜阀、角型阀、蝶阀、球阀等。 50 年代:球阀得到较大的推广使用,三通阀代替两台单座阀投入系统。 60 年代:在国内对上述产品进行了系列化的改进设计和标准化、规范化后,国内才才有 了自己完整系列的产品。现在我们还在大量使用的单座阀、双座阀、角型阀、三通阀、隔膜 阀、蝶阀、球阀七种产品仍然是六十年代水平的产品。这时,国外开始推出了第八种结构调 节阀——套筒阀。 70 年代:又一种新结构的产品— — 偏心旋转阀问世(第九大类结构的调节阀品种)。这 一时期套筒阀在国外被广泛应用。70 年代末,国内联合设计了套筒阀,使中国有了自己的套 筒阀产品系列。 80 年代:80 年代初由于改革开放,中国成功引进了石化装置和调节阀技术,使套筒阀、 偏心旋转阀得到了推广使用,尤其是套筒阀,大有取代单、双座阀之势,其使用越来越广。 80 年代末,调节阀又一重大进展是日本的 Cv3000 和精小型调节阀,它们在结构方面,将单 弹簧的气动薄膜执行机构改为多弹簧式薄膜执行机构,阀的结构只是改进,不是改变。它的 突出特点是使调节阀的重量和高度下降30 %,流量系数提高30 %。 90 年代:90 年代的重点是在可靠性、特殊疑难产品的攻关、改进、提高上。到了90 年 代末,由华林公司推出了第十种结构的产品— — 全功能超轻型阀。它突出的特点是在可靠性 上、功能上和重量上的突破。功能上的突破— — 唯一具备全功能的产品,故此,可由一种产 品代替众多功能上不齐全的产品,使选型简化、使用简化、品种简化;在重量上的突破— — 比主导产品单座阀、双座阀、套筒阀轻70~80 %,比精小型阀还轻40~50 %;可靠性的突破 — — 解决了传统阀一系列不可靠性因素,如密封的可靠性、定位的可靠性、动作的可靠性等。 该产品的问世,使中国的调节阀技术和应用水平达到了九十年代末先进水平;它是对调节阀 的重大突破;尤其是电子式全功能超轻型阀,必将成为下世纪调节阀的主流。 2 调节阀在系统中的作用与重要性 调节阀在调节系统中是必不可少的,它是组成工业自动化系统的重要环节,被称之为生 1 产过程自动化的“手脚” 。如图l- 1 所示。 气动调节阀(又称气动执行器)是以压缩空气 为动力能源的一种自动执行器。它具有结构简单、 动作可靠、性能稳定、价格低廉、维修方便、 防火防爆等特点,不仅能与气动调节仪表、气 动单元组合仪表配用,而且通过电-气转换器 图1-1 自动调节系统的构成 或电-气阀门定位器还能与电动调节仪表、电 动单元组合仪表配套。它广泛地应用于化工、石油、冶金、电站、轻纺等工业部门中。 正由于调节阀结构简单,往往受不到重视,这是值得注意的。调节阀是直接安装在工艺 管道上,使用条件恶劣,如高温高压、深度冷冻、极毒、易燃、易爆、易渗透、易结晶、强 腐蚀和高粘度等,它的好坏直接影响到系统的质量。如果选型不当或维护不善,就会发生问 题。例如,有的调节回路怎样也稳定不好,一直振荡,若在选择上作了改进,将线性特性阀 芯改为对数特性阀芯或改变流向之后,调节品质大有改善。又如,有些调节过程中出现持续 振荡,原因不在于调节器的比例度的过大或过小,而是由于阀门填料函的干摩擦太大,动作 很不灵活。再如,调节阀的泄漏将造成厂区污染,甚至造成事故等。因此,应重视调节阀的 作用,加强维护和保养。 3 调节阀的使用功能 要正确使用调节阀,尤其是选择调节阀,必须首先弄清楚调节阀的使用功能,做到有的 放矢,方能选好所需的调节阀。 3.1 调节功能 顾名思义,调节阀的首要功能就是调节,其主要表现在五个方面: 1) 流量特性 流量特性是反映调节阀的开度与流量的变化关系,以适应不同的系统特性要求,如对流 量调节系统反应速度快需对数特性;对温度调节系统反应速度慢,需直线流量特性。流量特 性反映了调节阀的调节品质。 2) 可调范围R 可调范围反映调节阀可控制的流量范围,用R =Qmax:Qmin 之比表示。R 越大,调节流 量的范围越宽,性能指标就越好。通常阀的R=30,好的阀,如V 型球阀、全功 能超轻型调节阀,R 可达100~200 。 3) 小开度工作性能 有些阀受到结构的限制,小开度工作性能差,产生启跳、振荡,R 变得很小( 即Qmin 很大) , 如双座阀、衬胶蝶阀。好的阀小开度应有微调功能,即可满足很小流量的调节,且工作又要 求十分平衡,这类阀如V 型球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。 4) 流量系数Kv 流量系数表示通过流量的能力,同口径Kv 值越大越好,尤其是球阀、蝶阀、全功能超轻 型阀,它们的Kv 值是单座阀、双座阀、套筒阀的2~3 倍。 5) 调节速度 满足系统对阀动作的速度要求。 3.2 切断功能 2 切断由阀的泄漏量指标来表示,切断通常指泄漏量小于0.001 %,它反映阀的内在的质 量。在阀的使用中,对国产阀泄漏量大的呼声反映很大。 3.3 克服压差功能 它通常用阀关闭时的允许压差来表示,允许压差越大,此功能也就越好。如果考虑不周 到,阀芯就会被压差顶开,造成阀关不到位,泄漏量超标。因此,保证阀切断就必须克服阀 关闭时的工作压差。通常单密封阀的允许压差小,如单座阀、角形阀、隔膜阀、三通阀;双 密封的阀和转动类的阀的允许压差大,如双座阀、套筒阀、球阀、全功能超轻型阀。从泄漏 量与克服压差两者上看:单密封阀泄漏小但允许压差小;双密封阀泄漏大,允许压差大;只 有旋转类阀,泄漏量又小,允许压差又大,这就是旋转类阀使用越来越多的原因。 3.4 防堵功能 对不干净介质的调节或者即使是干净介质,管道中的焊渣等杂物都可能造成阀堵塞或被 卡住,因此要求阀应有较好的防堵功能,使之正常调节。防堵性最好的是流路最简单的旋转 类阀,如球阀、蝶阀、偏心阀、全功能超轻型阀;流路复杂的阀、上下衬套导向的阀易造成 堵卡,如单座阀、双座阀、套筒阀等。旋转类阀不只是防堵功能好,而且泄漏又小,允许压 差又大,因此它的使用将会越来越广泛。 3.5 耐蚀功能 抵抗介质的腐蚀和冲蚀,以提高阀的使用寿命。阀的腐蚀是由介质的化学性能引起的材 质腐蚀问题,通常选用耐腐蚀的材料来解决;冲蚀是由高速流动的介质、含颗粒的介质和产 生闪蒸被空化的介质所致。解决的途径是选用耐磨的材料,结构上采用反汽蚀、反冲蚀的措 施,对高压阀、大压差工作的调节阀、含颗粒介质使用的调节阀需重点考虑此问题。 3.6 耐压功能 它反映阀的强度和安全指标,即介质不能通过密封处和阀体缺陷处向外渗漏。出厂时通 常用 1.5 倍公称压力作试验来检验。对高压介质最好是采用锻件结构;铸铁阀的耐压强度是 最低的,通常应选铸钢阀。 3.7 耐温功能 满足不同温度条件下阀的强度和性能,温度的较大变化会使阀体材质的强度降低,因此 阀必须满足介质的温度变化范围的要求,使阀在工作温度下有较好的强度和安全保证。 3.8 外观 反映阀的外观质量且要求仪表化、轻型化、小型化。以往,人们对它不重视,现在正在 改变。至目前,调节阀比较理想的外观是电子式全功能超轻型调节阀(见图4-27) 。 3.9 重量 在满足以上功能的情况下,其重量应越轻越好,以方便使用,如起吊、安装、维护等。 4 十大类调节阀的功能优劣比较 调节阀有十个大类,其九大功能具备的优劣情况如何呢?为了减少幅面,特汇总在下表 中。 3 表1- 1 功 能 最佳 克服 调节 切断 防堵 耐蚀 耐压 耐温 重量 外观 功能 压差 九大类产品 数量 单座阀 √ 0 × × √ √ √ × × 4 双座阀 √ × √ × 0 √ √ × × 4 直 套筒阀 √ × √ × 0 √ √ × × 4 行 角形阀 √ 0 × 0 √ √ √ × × 4 程 三通阀 √ 0 × × × √ √ × × 3 隔膜阀 × √ × √ 0 × × × × 2 蝶阀 √ √ × √ 0 √ √ √ √ 7 角 球阀 √ √ √ √ √ √ √ × × 7 行 偏心旋转阀 √ √ √ √ √ √ √ × × 7 程 全功能超轻 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 9 型调节阀 符号说明:“√”表示最佳;“0 ”表示基本可以;“×”表示差。 从上述比较表中我们可以看出: (1)主导产品单座阀、双座阀、套筒阀的最佳功能仅有4 个,故在使用中常出问题。 (2 )蝶阀是较好的产品,最佳功能有7 个,切断蝶阀会有更多的应用。故此,我们开发 了球面硬密封切断蝶阀,三偏心蝶阀等高性能蝶阀,弥补了普通蝶阀泄漏大的不足。 (3 )全功能超轻型调节阀是唯一在九大功能上都为最佳功能的产品,故冠名为全功能。 由此特点,它使原来上百个品种、上千个系列、上万个规格的调节阀得到大大简化,使设计 院选型更加简化;使工厂管理、维护、维修、备品备件等更加简化。 5 调节阀标准与性能 5.1 调节阀新国标 气动调节阀国标GB4213-84 《气动调节阀通用技术条件》于1984 年3 月21 日发布,于 1985 年 1 月 1 日实施。本标准又于1992 年进行了修改,修改后的标准代号为 GB/T4213-92, 于 1993 年 10 月实施。该标准主要依据IEC 国际标准,并结合我国具体情况而制定。原执行 的部标自新国标实施之日起作废。 新旧标准比较,主要有以下不同: (1) 新国标增加了“寿命”指标,共计 14 个性能指标:1 基本误差;2 回差;3 死区;4 始终点偏差;5 额定行程偏差;6 泄漏量;7 填料函及其它连接处的密封性:8 气室的密封性; 9 耐压强度;10 额定流量系数;11 固有流量特性;12 抗振动性;13 动作寿命;14 外观。 (2) 新国标对基本误差、回差、死区、始终点偏差、额定行程偏差分为 A、B、……H 、 这 8 个等级,以便根据不同阀满足不同功能的要求选择性能成本比最佳的指标等级。旧标准 针对每种阀而确定一个唯一对应的指标,缺乏灵活性。 (3) 新国标对泄漏量规定为A、B……F ,这6 个等级,最高F 级以每分钟气泡数计。旧 4 标准只有一个等级,高压阀规定泄漏量为0 是不符合实际的。 (4) 流量特性误差检验方法,新国标增加了按斜率法检验的方法。 (5) 新国标将旧标准流通能力改称流量系数。其数值旧标准做了统一规定,新国标由制造 厂自行确定,更方便新产品设计定型。 (6) 对基本误差、回差的测试点由旧标准分为 10 个测试点改为5 个测试点。 (7) 新国标对调节阀气源和环境温度的要求。 气源应为清洁、干燥的空气,不含有明显的腐蚀性气体、溶剂或其他液体。带定位器的 3 调节阀,其气源所含固体微粒数量应少于 0.1g/m ,且微粒直径应大于 3 μm ,含油量应小于 1ppm。 调节阀环境温度为-25~+55 ℃或-40~+70 ℃。 调节阀工作时应满足上述要求。定位器气源不干净是造成定位器工作不正常的主要原因, 占故障率的2/3 以上,应特别注意这一点。 6 调节阀泄漏标准的细分 6.1 国标对泄漏量的规定 GB/T4213-92 的国标标准对泄漏规定了六个等级,其具体规定见表1-2 。其中最低级别 为Ⅰ级,不作具体要求;最高级别是Ⅵ级,即为气泡级。当泄漏量大于 0.5%KV 值时,可免 于测试。 表1-2 泄漏等级 试验介质 试验程序 最大阀座泄漏量 Ⅰ 由用户与制造厂商定 Ⅱ L 或G 1 5 ×10-3 ×阀额定容量,1/h Ⅲ L 或G 1 10-3 ×阀额定容量,1/h L 1 或2 -4 Ⅳ 10 ×阀额定容量,1/h G 1 L 1 或2 -4 Ⅳ-S1 5 ×10 ×阀额定容量,1/h G 1 Ⅳ-S2 G 1 2 ×10-4 ×△P ×D ,1/h Ⅴ L 2 1.8×10-7 ×△P ×D ,1/h Ⅵ G 1 3 ×10-3 ×△P ×(表1-3 规定的泄漏量) 注:①△P 以KPa 为单位。 ②D 为阀座直径,以mm 为单位。 ③对于可压缩流体体积流量,绝对压力为101.325KPa 和绝对温度为273K 的标准状态下的测定值。 ④试验程序“1”表示△P =0.35MPa、介质为水;试验程序“2 ”表示△P 等于工作压差、介质为水或气 体。 5 表1-3 阀座直径 泄漏量 mm mL/min 每分钟气泡数 25 0.15 1 40 0.30 2 50 0.45 3 65 0.60 4 80 0.90 6 100 1.70 11 150 4.00 27 200 6.75 45 250 11.1 - 300 16.0 - 350 21.6 - 400 28.4 - 注:①每分钟气泡数是用外径6mm、壁厚1mm 的管子垂直浸入水下5~10mm 深度的条件下测得的, 管端表面应光滑,无倒角和毛刺。 ②如果阀座直径与表列值之一相差2mm 以上,则泄漏系数可假设泄漏量与阀座直径的平方成正比 的情况下通过类推法取得。 表 1-2 中的额定容量按下面表1-4 的公式计算: 表1-4 条件 1 1 △P < ·P1 △P ≥ ·P1 介质 2 2 △p 液体 Q1 0.1Kv r r 0 △P P Q 2.9p Kv G(273 t) 气体 Qg =4.73Kv m g 1 G(273 t) 3 表中: Q 1———液体流量,m /h ; 3 Qg———标准状态下的气体流量,m /h ; KV———额定流量系数; P +P 1 2 Pm = ,KPa; 2 P 1———阀前绝对压力,KPa; P2———阀后绝对压力,KPa; 6 △P———阀前后压差,KPa; t———试验介质温度,取20 ℃; G———气体比重,空气=1; r r 相对密度(规定温度范围内的水r r =1)。 0 0 6.2 美国的泄漏标准 美国ANSI B16 ·104- 1976 调节阀的泄漏量标准见表 1-5 。 表1-5 级别 最小泄漏量 试验介质 压力和温度 2 工作压差△P 或50 磅/英寸 (3.5 巴) Ⅱ级 0.5%额定Cv 空气或水 压差,取其中较小的一个值,温度 10~52℃ 2 工作压差△P 或50 磅/英寸 (3.5 巴) Ⅲ级 0.1%额定Cv 空气或水 压差,取其中较小的一个值,温度 10~52℃ 2 工作压差△P 或50 磅/英寸 (3.5 巴) Ⅳ级 0.01 %额定Cv 空气或水 压差,取其中较小的一个值,温度 10~52℃ -12 3 5 ×10 m /秒/ 巴(压差)/mm Ⅴ级 水 工作压差△P 或,温度 10~52℃ ( 阀座直径)(公制) 阀座直径 汽泡 ml/ (in ) (mm ) /分 分 1 25 1 0.15 1.5 38 2 0.30 2 工作压差△P 或50 磅/英寸 (3.5 巴) 2 51 3 0.45 空气或 Ⅵ级 压差,取其中较小的一个值,温度 氮气 2.5 64 4 0.60 10~52℃ 3 76 6 0.90 4 102 27 1.70 6 152 27 4.00 8 203 45 6.75 6.3 泄漏标准的细分和定量概念 我们认为,上述标准划分还不够细腻,特别是Ⅳ级密封~Ⅴ级密封,其泄漏率由 10-4 突然跳跃到10-7 ,猛增1000 倍。为此,笔者认为应将泄漏标准与切断的关系进一步细分。切 断的等级与泄漏率见表1-6 。同时,为了有一个量的概念,现列举Kv =100 (双座阀DN100 、 单座阀DN80~100、套筒阀DN100 、V 型球阀DN50 、全功能超轻型阀DN50 时的Kv 值 100) 时,试验△P =0.35 MPa、介质为水,每分钟在不同等级时的泄漏量(g/min )也列举在表1-6 中。 7 表1-6 切 断 等 级 一般切断 较严密切断 严密切断 完全切断 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 微气泡级 举例 Kv =100、△P =0.35 标准中的Ⅵ级, MPa、介质为水,每分钟的 310 31 3.1 0.31 0.031 数气泡 泄漏量克/分 转化为:滴水/分 4650 465 46 4.6 0.46 / 注:lg≈15 滴水 7 调节阀在使用中存在的主要问题 调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品,也是更新换代最慢的产品,几十年一 贯制,到现在,还是以五六十年代水平的产品―单座阀、双座阀、套筒阀为主导产品( 占 70 %左右) ,可见,产品陈旧落后;另―方面,使用的问题也很突出。为了寻找调节阀的突破方 向,在“九五”计划的初期,笔者首先对调节阀进行了专门的问卷调查,得到的结论是: (1) 反映调节阀不象仪表、太笨重的占33.3%; (2) 反映品种、规格繁多,选型复杂、工厂管理复杂、维护工作量大的占67.1%; (3) 反映泄漏大的占42.5 %; (4) 反映经常堵卡、动作迟钝的占25.8 %; (5) 反映寿命短的占 13.7%; (6) 反映推力不够、阀关不严的占9.6%; (7) 反映流量系数小、调节范围小的占5.2%; (8) 反映阀外漏的占4.3 %; (9) 反映振动、振荡、啸叫的占 1.7%。 在对上述存在问题作进一步的归纳分析后,得出最突出的问题有四个: (1) 笨重:回头看一下调节阀的重量,一台 DN200 的阀重700~800 公斤,一台 DN300 的阀重900~1000 公斤,对它们的运输、安装、维护都必须要用吊车才能够进行,用户对此 反映极为强烈; (2) 品种规格繁多:单座阀、双座阀、套筒阀等产品加上压力、温度、特性等变型参数总 计达 10000 多个规格,造成调节阀选型、工厂管理复杂化; (3) 泄漏大:一是产品结构缺陷所致;二是没有考虑密封的可靠性;三是执行机构推力不 够; (4) 调节阀堵卡:阀的流路复杂,不干净介质必定造成堵卡。 归纳起来,从阀的结构上找原因,主要是片面地追求出厂性能,忽视了阀的可靠性;从 使用上找原因,阀的选型不全面(也怪阀的品种规格太多,给选型带来了难度)。 对调节阀使用中的问题分析、处理见第七篇。 8 九十年代调节阀的新发展 六十年代调节阀的发展,在国外主要是推出了套筒阀,在国内主要是联合设计了单座阀、 双座阀、角形阀等老产品;七十年代产生了偏心旋转阀;八十年代主要是精小型调节阀;九 8 十年代主要是解决特殊疑难阀的使用问题,以往在使用上的老大难相继被解决,如高压阀的 汽蚀问题、强腐蚀介质的腐蚀问题、不干净介质的堵塞问题、超小流量的调节问题、0.2 秒紧 急动作等,但较长一段时间里,均没有新的调节阀品种问世。直到1998 年,华林公司推出了 新一代产品——全功能超轻型调节阀,它主要针对调节阀使用存在的问题——调节阀功能不 齐全、可靠性差、调节阀笨重,并对此进行立项逐一攻关的结果。它综合了旋转类调节阀的 优点而产生的又一新品种,具有功能齐全(故称全功能) 、重量轻( 比单、双座阀、套筒阀等老 产品轻70 %~80 %,比80 年代的精小型阀还轻40 %~50 %,故称超轻型) 、高可靠性的特点, 对整个调节阀产生了重大突破,它使中国的调节阀水平大大地提高,并缩短了与国外的差距。 作为新的一代产品,它必将取代老一代产品,成为下一世纪调节阀的应用主流。 9 调节阀三代产品的初步划分 从本世纪初到现在的七八十年的时间里,调节阀还处于第一代产品的水平上。其特征是: ①以六、七十年代水平的单座阀、双座阀、套筒阀为主导产品;②这代产品功能不齐全,不 得不依靠扩充产品品种、变型来适应各种不同的场合,造成了品种规格繁多,对调节阀使用、 计算、选型、调校、维护、备件等要求特别高;③可靠性差,使用的问题多;④十分笨重。 第二代产品将从可靠性、功能、重量上得到突破。其特征是:①全功能超轻型阀代替众 多可靠性差、功能不齐全、又十分笨重的产品,即以它代替第一代的主导产品单座阀、双座 阀、套筒阀,成为第二代主导产品;②电子式电动全功能超轻型阀逐步取代传统的因原执行 机构可靠性差,不得不采用的“气动阀+ 电气阀门定位器+气源”的组合方式,从第二代产品 的气动阀使用为主变成以电子式电动阀为主,这代产品预计要10 年时间(2000~2010 年) 。 第三代产品就是智能化。在应用上的特点是:①与计算机接口;②可靠性更加提高,故 障率进一步下降;③调节阀的品种以及对调节阀的使用要求进一步的简化。 10 电动调节阀的应用前景 随着电子产品不断进步,尤其是可靠性的进一步提高,使得九十年代国外电动执行机构 产生了质的飞跃,其突出的表现是:①可靠性极高,可以在5- 10 年内免维修;②重量大幅度 下降,比老式的DKZ 、DKJ 的电动执行机构轻70 %~80 %;③外观也得到了极大的改善;④ 性能提高、调整简化、使用更加方便、简单。值得一提的是,国内的执行机构与之差距太大, 仍处于六七十年代的水平。正由于电动执行机构的可靠性得到了根本上的解决,配上高可靠 性的全功能超轻型调节阀,使得调节阀成为了真正意义上的第二代产品,到下世纪初,这种 高可靠性电子式全功能超轻型调节阀必将逐步取代传统的“气动阀+ 电气阀门定位器+气源” 的组合方式。除上述高可靠、全功能、超轻型的特点外,还将带来如下好处: (1) 用电源既方便又节约,省去了建立气源站的一系列费用; (2) 用“气动阀+ 电气阀门定位器+气源”的复杂方式,它不只是增加了费用,反而带来 了可靠性的下降(环节越多,可靠性差的因素增加) ; (3) 从经济性上看,除省去气源站的费用外,还省去电气阀门定位器的费用:现在一台好 的进口的电气阀门定位器,通常在5000~6000 元以上,更好的在 8000~10000 的价位上,而 这个价位基本上可购回上述高可靠的电子式执行机构; (4) 环节减少了,相应减少了维修工作量。 9 第二篇 调节阀计算 1 流量系数KV的来历 调节阀同孔板一样,是一个局部阻力元件。前者,由于节流面积可以由阀芯的移动来改 变,因此是一个可变的节流元件;后者只不过孔径不能改变而已。可是,我们把调节阀模拟 成孔板节流形式,见图2 -1。对不可压流体,代入伯努利方程为: P V 2 P V 2 1 1 2 2 (1) r 2g r 2g 2 2 P P 解出 V V 2g 1 2 2 1 r 命 V 2 V 2 xV 2 2 1 再根据连续方程Q = A·V,与上面公式连解可得: 图2-1 调节阀节流模拟 1 2 2 Q A ·V A V V 2 1 x A P P Q 2g 1 2 x r (2 ) 这就是调节阀的流量方程,推导中代号及单位为: V1 、V2 —— 节流前后速度; V —— 平均流速; P 1 、P2 —— 节流前后压力,100KPa; 2 A —— 节流面积,cm ; Q —— 流量,cm3 /S; x —— 阻力系数; 3 r —— 重度,Kgf /cm ; g —— 加速度,g = 981cm/s2 ; 3 如果将上述Q、P 、P 、r采用工程单位,即:Q ——m / h ;P 、P —— 100KPa ; 1 2 1 2 3 r——gf/cm 。于是公式(2 )变为: A 1000P 3600 Q = 2 981 x r 106 10 A P =5.04 (3 ) x r 再令流量Q的系数5.04A x 为Kv ,即:Kv = 5.04A x P r Q Kv 或Kv Q (4) r P 这就是流量系数Kv 的来历。 从流量系数Kv 的来历及含义中,我们可以推论出: r (1)Kv值有两个表达式:Kv =5.04A x 和Kv Q ; P (2 )用Kv公式可求阀的阻力系数x 5.04A Kv2 ; (3 )Kv 1 x ,可见阀阻力越大Kv值越小; p 2 (4 )Kv A DN ;所以,口径越大Kv越大。 4 2 流量系数定义 在前面不可压流体的流量方程(3 )中,令流量Q的系数5.04A x 为Kv ,故Kv 称流量 系数;另一方面,从公式(4 )中知道:KvQ ,即Kv 的大小反映调节阀流量Q的大小。流 量系数Kv 国内习惯称为流通能力,现新国际已改称为流量系数。 2.1 流量系数定义 对不可压流体,Kv是Q、△P 的函数。不同△P 、r 时Kv值不同。为反映不同调节阀结构, 不同口径流量系数的大小,需要跟调节阀统一一个试验条件,在相同试验条件下,Kv 的大小 就反映了该调节阀的流量系数的大小。于是调节阀流量系数Kv 的定义为:当调节阀全开,阀 3 两端压差△P为100KPa,流体重度r为lgf/cm ( 即常温水) 时,每小时流经调节阀的流量数(因 为此时Kv Q r P Q 1 1 1 ),以m 3 h 或 t /h计。 例如:有一台Kv =50的调节阀,则表示当阀两端压差为100KPa时,每小时的水量是 50m3 /h 。 2.2 Kv与Cv值的换算 国外,流量系数常以Cv表示,其定义的条件与国内不同。Cv的定义为:当调节阀全开, 2 阀两端压差△P为1磅/英寸 ,介质为60 °F清水时每分钟流经调节阀的流量数,以加仑/分 计。 由于Kv与Cv定义不同,试验所测得的数值不同,它们之间的换算关系; Cv = 1.167Kv (5 ) 2.3 推论 11 从定义中我们可以明确在应用中需要注意的两个问题: (1)流量系数Kv不完全表示为阀的流量,唯一在当介质为常温水,压差为100KPa时, Kv才为流量Q;同样Kv 值下,r 、△P不同,通过阀的流量不同。 (2 )Kv是流量系数,故没单位。但是许多资料、说明书都错误地带上单位,值得改正。 3 原流量系数Kv计算公式 3.1 不可压流体的流量系数公式 公式(4 )是以不可压流体来推导的,此公式即为不可压流体的流量系数公式。 3.2 可压流体的流量系数公式 可压流体由于考虑的角度不同,有不同的计算公式,主要采用的是压缩系数法和平均重 度法两种。 压缩系数法是在不可压流体流量系数公式(4 )基础上乘上一个压缩系数e 而来,即 P 1 r Q e Kv 或Kv Q r e P 并将r换算成标准状态(0℃、760mmHg )的气体重度: 760 r r 273P 273 t N 1 730 于是得出 QN rN 273 t Kv (6 ) 514e P P 1 式中,e——压缩系数,由试验确定为e = 1 -0.46△P /P ,在 1 饱和状态时, △P /P1 = 0.5,此时流量不再随△P的 增加而增加,即产生了阻塞流(阻塞流的定义为: 流体通过调节阀时,所达到的最大极限流量状态), 见图2 -2 。e =1-0.46 ×0.5 = 0.76 ; t——介质温度,℃; N——在标准状态下的参数。 用于蒸气计算时,计算公式略有不同,见表2 -1。 图2-2 Q ~ P 曲线 平均重度法 平均重度法公式推导要复杂得多。在推导中将调节阀相当长度为L、断面为A 的管道来代 替,并假定介质为理想流体,当介质稳定地流过管道时,采用可压缩流体流量方程式: dp V 2 d dL 0 (2-11) f r 2g 式中,L ——摩擦功; f g ——加速度。 12 在上式基础上,再引入三个辅助方程: 理想气体多变热力过程的变化规律方程 P V m = 常数 1 1 状态方程 P V = RT 1 1 1 连续方程 VA /v =常数 以上三式中:v—— 比容; m—— 多变指数; R——气体常数; T——绝对温度; V——流速。 由上述4个方程通过一系列纯数学推导(略),得到其流量方程为: (m 1) / m 2 rv 1 P P P 1 2 1 m Q Kv m 1 RT 1 为简化公式,把实际流动简化为等温度变化来处理,故取m =1。同时,把物理常数代入, 即可整理得: QN rN 273 t Kv (7 ) 380 PP P 1 2 当 △P /P1 ≥0.5时,流量饱和,故以 △P = 0.5P 1 代入上式得: Q r 273 t Kv N N (8 ) 330 P 1 同样,蒸气的计算公式也是在公式(7 )、(8 )基础上推导出来的。 综合上述,把原各种介质的Kv值计算公式汇总在表2 -1中。 表2- 1 原调节阀流量系数Kv值计算公式 流体 压差条件 计 算 公 式 液 Q r Kv 或Kv G p r P 体 G——重量流量(t /h) 压缩系数法 平均重度法 气 一般气体 P 0.5P QN rN (273 t) Q r 273 t 2 1 Kv Kv N N 514e P P 380 PP P 1 1 2 13 体 一般气体 P 0.5P Q r (273 t) Q r (273 t) 2 1 Kv N N Kv N N 280 P

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