控制阀细节分析之5_阀芯阀座

控制阀细节分析之五－阀芯阀座

李宝华

摘要：包含阀芯阀座的阀内件（Valve Trim ）是控制阀的关键核心部件，直接影响控制阀的流量特性、

流体调节和控制质量。阀内件是与流体直接接触的阀内可拆卸的改变流通截面积和截流件导向等作用的零部件总称，包括典型截流件的阀芯(Plug)和阀座(Seat)、套筒(Cage)、阀杆(Stem)，以及减噪器(Flow divider)、抗空化气蚀部件(AC-trim)、导向(Guide)，等等。从单座型控制阀(Globe valve)的阀芯阀座等阀内件的细节分析入手，看部分品牌厂家的阀芯阀座设计。

关键词：控制阀；阀内件；阀芯；阀座；细节分析；区别

引言

控制阀（Control valve ，国标GB/T 17213.1-1998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。

一个控制系统的控制质量受到组成系统各环节的影响，更取决最薄弱环节的影响，控制阀虽然相对控制系统和过程仪表而言略显简单，但在工业生产过程对控制要求及安全性不断提高的情况下，其必要性、重要性以及在回路中较高的故障频次已引起业内注意。

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？应是大家关注的问题。本文着重对目前在用量最大、多数厂家都在生产的单座型控制阀(Globe valve)做一些细节分析。以部分知名品牌控制阀为例，对阀内件的阀芯阀座的技术细节进行分析探讨。

阀内件（Valve Trim）

国标《工业过程控制阀 第1部分：控制阀术语和总则》GB/T17213.1－1998（等效IEC 60534-1）对阀内件（Valve Trim ）的定义是：阀内接触被控流体的部件，例如截流件、阀座、套筒、阀杆、以及连接阀杆与截流件的部件等。阀体、阀盖、底法兰和垫圈不属于阀内件。

阀内件是与流体直接接触的阀内可拆卸的改变流通截面积和截流件导向等作用的零部件总称，包括典型截流件的阀芯(Plug)和阀座(Seat)，还包括套筒(Cage)、阀杆(Stem)以及减噪器(Flow divider)、抗空化气蚀部件(AC-trim)、导向(Guide)、密封件、固定件，等等。阀内件主要功能是使流通截面积按一定规则比例变化，实现流通能力和阀芯/阀杆行程之间的相互关系，其次是保证紧密关闭国内和符合标准规定的泄漏率。

阀芯是阀内件中最为关键的部件，同时是控制阀的可动部件，阀芯与阀座配合使用，可紧密关闭切断流体，可通过改变节流截面积来调节流体通过量，进而达到过程控制的目的。阀芯的形状（或笼式阀的套筒开口形状）决定着控制阀的流量特性，如常见的线性、等百分比、快开特性和抛物线特性等。阀芯阀座的尺寸以及阀内流路决定着控制阀的最大流通能力。阀芯阀座的选材及其工艺处理决定着控制阀的工况应用和可靠性。阀芯阀座以及阀内件的设计直接反映了控制阀厂家的技术能力。

阀芯设计

为了获得不同的阀门特性，阀芯结构设计有多种多样，一般分直行程和角行程两大类。单座型控制阀(Globe valve)一般都是顶部导向的直行程控制阀，采用最多的是柱塞型阀芯、V 开口型阀芯和套筒

形状和流量特性 小流量阀芯柱塞型阀芯V 开口型阀芯 图1 典型的直行程控制阀阀芯

图1为一部分典型的直行程控制阀阀芯。图左侧所示出的是柱塞型阀芯，其阀芯形状不同可有不同的流量特性：

• 快开特性阀芯设计加工成一个略凸起的平台；

• 对柱塞型阀芯设计加工出不同曲面，分别得到线性、抛物线和等百分比流量特性；

• 小流量阀的阀芯一般为针形或在圆柱上铣出小槽。

• V 开口型阀芯有3V 、4V 、6V 开口之分，同样是由V 型开口形状决定流量特性，常见的有线性、等百分比流量特性。

阀芯流量特性

线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对位移（行程）成直线关系。其在小开度时流量相对变化较大，不易控制，而在大开度时流量相对变化小，调节不够及时。

等百分比流量特性是指控制阀单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，也称为对数流量特性。等百分比流量特性在小开度时，控制阀放大系数小，调节平稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏有效。

抛物线流量特性是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根为比例关系。抛物线流量特性主要是为了弥补线性流量特性在小开度时调节效果差的不足。多数厂家没有把抛物线流量特性的阀芯作为标准产品。

快开流量特性多用于开关型控制阀，在小开度时就可获得较大的流量。

阀芯

早期的控制阀主要是单座阀（Globe valve ）,柱塞型阀芯。为了克服单座控制阀柱塞型阀芯不平衡力大、较低的流通能力和高噪声等问题，上世纪六十年代开始，国外一些厂家如Fisher 公司转向重点研发不平衡力小、有较大流通能力、低噪声和便于拆装阀内件的套筒型控制阀（如Fisher 的easy-e ®中的ET 、ED 、ES 系列），在七、八十年代全球风靡一时，目前仍是国内用户大量设计采用以及多数厂家生产的阀型。参见图2。

与柱塞型阀芯相比，套筒型阀芯的紧密关闭切断功能和泄漏等级要差一些。在工业应用中，套筒易磨损，更会关闭不严和使泄漏量增大，造成功能安全不足。此外，套筒阀内件结构和流路也比柱塞型阀复杂，部件数量多，检维修内容多。密封件多也是套筒阀的一大特点，如Fisher 的ED 系列套筒阀的平衡阀芯就有5个专用垫片，而抗挤压密封件或弹簧加载密封环都属易损件和检修更换件，更换频次高及专用垫片备件价格很高也使得维护成本增加。套筒阀的快捷拆卸设计则是应对套筒阀内件耐用性和经常检修的问题。

等百分比 快开 线性 (a) 套筒型阀芯及流量特性 ET 系列 ES 系列 ET 系列 (b) Fisher 套筒型阀 图2 套筒型阀芯图3 SAMSON 公司的V 开口型阀芯