阀门行程的分析

阀门行程：值得分析的细节对控制阀细节——阀门行程的分析控制阀（Controlvalve，国标GB/T17213.1-1998定义为控制阀，国内旧称调节阀）是终端控制元件，决定着过程控制是否及时有效，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。控制阀的生产厂家众多，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？是笔者近期关注的问题。笔者自70年代初从事引进装置国外自控仪表工作以来，一直侧重现场仪表的使用和DCS组态、PLC编程以及参与项目工程，而对控制阀有些认识不足。近来整理多年的工作笔记及材料，也开始对控制阀做一些探讨。现以部分知名品牌控制阀为例，着重对目前在用量最大、多数厂家都在生产的单座阀做一些细节分析。本文针对不太为人关注的控制阀行程问题进行探讨。阀门行程是值得分析的技术细节终端控制元件的控制阀，在工业过程中是局部阻力可以改变的节流元件和耗能设备，其最基本功能是调节功能，体现在流量系数及可调范围和流量特性。流量系数是表示在一定条件下的控制阀流通能力，有Kv和英制Cv；流量特性是指阀门的相对开度（阀门行程）与流过阀门的相对流量的关系，与阀内件结构、阀门前后压差有关，理想流量特性有有线性、等百分比和快开等。对于流量系数和流量特性，大家都非常关注，而阀门行程似乎只是控制阀的一个简单指标。在表1中列出了部分厂家控制阀的阀门行程及流量系数，并从中寻找可探讨的细节问题。从表1中可以看到列举的不同厂家7种型号控制阀在相同公称通径相近流量系数的情况下，阀门行程却有较大不同。以DN50（NPS2）控制阀为例，流量系数Cv基本在45左右，而行程却从15mm到25mm不同；DN80（NPS3）控制阀的差异更明显，流量系数Cv基本在100左右，而行程却从15mm到40mm不同。这种情况说明什么？首先，流量系数即流通能力在标准情况下由阀芯阀座间流通截面积决定；其次，阀杆直线运动使阀从全关到开即流通截面积从零到最大与阀杆直行程为一定特性的对应关系。那么，阀门行程短却达到较大的流量系数，就意味着单位阀杆行程的流通截面积变化大，就意味着阀芯的设计和加工要求高、难度大，也可以说在相同流量系数、相同阀门精度要求下的阀门行程短的控制阀，其技术含量高；若移动相同行程，其流量系数即流通能力大。SAMSON3241型控制阀的阀芯在Cv=12以上的均采用V-port型式，3V开口，流体流动状态好，还有着较好的压力恢复系数FL值和临界压差比XT，H/D2性能更好，所以得到DN80（NPS3）口径、15mm行程有Cv=95的良好表现。这也说明，即便是最普通最常见的产品，都有创新改进的课题。这是从阀杆行程的细节分析中认识到的控制阀设计和制造技术问题。阀门行程涉及控制阀的整体优化和使用寿命阀门行程短给控制阀制造厂带来阀芯设计、制造加工的很大难度，那为什么要这样设计呢？答案是阀门行程短有助于控制阀的整体优化以及使用寿命，也是控制阀精小化的发展趋势。1.控制阀所配置的执行机构要适应阀门的行程。对于气动薄膜执行器，阀门行程越大，其波纹膜片（或平膜片）位移量越大、弹簧压缩位移越大，造成的非线性就越大。大的位移量也影响膜片的使用寿命。阀门行程小，气动执行器膜片位移小、弹簧压缩位移小，膜室尺寸/容积相应缩小，膜片延长了使用次数，也改善了非线性和加快响应时间。2.由于阀芯由关到开直线位移趋小，阀体设计也对内部尺寸、流路等进行优化，使阀体整体性能提升。3.据国外拥有金属波纹管专利的某知名品牌厂家对15mm行程的金属波纹管进行压缩伸张位移的耐用试验表明：在9mm全行程动作时使用寿命为160万次、在10mm全行程动作时使用寿命为120万次、在12mm全行程动作时使用寿命为60万次，而在15mm全行程动作时使用寿命就下降到40万次以下。由此可见，阀门行程大小对于阀杆密封用的金属波纹管使用寿命影响非常大。4.在满足流量系数的前提下，阀门行程短要求创新技术的阀内件设计和高精度的机加工能力，这也是国外知名品牌控制阀厂家长期领军控制阀产品的关键，也是国内控制阀厂家产品技术、质量的差距。结语细节决定成败。以整体优化为出发点，多个考虑细致、创新技术、功能优化、质量可靠的细节就能组成应用方便、灵活、安全、用户易于接受并满意的好产品。阀门行程短有助于控制阀的整体优化以及使用寿命，也是控制阀精小化的发展趋势。