调节阀的设计选用

石油化工装置调节阀的设计选用
陆德民黄步余
中国石化工程建设公司
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一.调节阀的工作原理
二.调节阀的流量特性
三.调节阀的口径计算
四.调节阀的噪音预估
五.调节阀的设计选用
六.调节阀采购应注意的问题
附录
1)由于阻力系数ξ是随阀门不同结构而异,故不同结构的流路,其K V值是不相同的,如蝶阀,
球阀流路简单，ξ值小，故K
V 值大；套筒阀，高压球心阀流路复杂，ξ值大，K
V
值
就小。

因此，用流量系数C来表征阀门的容量（即流通能力）是很恰当的。

2)该公式仅适用于牛顿流体,不适用于非牛顿流体如泥浆、胶液等雷诺数很低非湍流状的
流体及两相混合物的计算。

3)流量系数
Cv：在每平方英寸1磅的压力降下，每分钟流过阀门60O F（15.6℃)水的加仑数.(英制单位流量系数)
Kv：在0.1MPa压力降下，每小时流过阀门5-40℃水的立方米数（国际单位流量系数）C：在0.1MPa压力降下，每小时流过阀门5-40℃水的立方米数(中国常用流量系数) C=1.16Kv Cv=1.17C Kv=1.01C
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流体流过调节阀在阀内压力分布曲线图- 4 -
当P
1保持不变,逐渐关小调节阀,即降低阀后压力P
2
,流量Q会随着ΔP的增加
而相应的增加.当达到B点后直线变化,到临界点A后,继续增加P
2
压力,流量不会增加,此时状态称为阻塞流(choked folw)。

图1.缩流处是最大压
降ΔP
cr ,为P
2
>P
V
，则产生空化现象。

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二、调节阀的流量特性
流量特性是指阀门的行程与流量之间的关系
流量特性分理想特性和工作特性：¾理想特性是假设流体在湍流和亚临界状态下，阀门的压降、流体温度及密度都保持不变时，行程与流量的关系。

这时流量只与K V 成单一函数关系。

理想特性是由制造厂制造时决定的。

¾理想特性分快开、直线、抛物线、等百分比特性，但抛物线接近等百分比特性，快开只用于开关控制，所以作为节流控制实际上只有
直线和等到百分比特性两种。

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-12 -¾在实际运行时，调节阀的前后压差是变化的，此时流量特性称为工作流量特性
Q min→ΔP min≈C min
Q nor→ΔP nor≈C nor
Q max→ΔP max≈C max
¾流量特性选择
流量调节阀（FCV）优选等百分比特性/直线特性
压力调节阀（PCV）优选等百分比特性/直线特性
温度调节阀（TCV）优选等百分比特性/直线特性
液位调节阀（LCV）优选直线特性/等百分比特性
¾“S”选取
一般工况取S≥0.3
S大，对调节有利，系统能耗加大
S小，对调节不利，可节省系统能耗，如S=0.15，可节能15-22%
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-如初选数据不合适,再更换口径复算开度百分比
-估算噪音等级,如超过允许值,应采取相应措施和改型号
-填写采购规格书
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气体动力学噪音一般解决方法是在阀后安装消音格子板(LO-DB极度),气体通过它时使气体流速减低,但是这种高质合金钢并经过加硬处理的消音器价格十分昂贵。

计算工作完成后,填写采购规格书作为签订合同的技术条件依据.其内容应包括有:
•阀门型号,阀门尺寸,阀体结构,阀芯动作方向(气开式或气关式)
•阀座尺寸(全开式还是节流缩径),阀内件材料,执行机构型式
•上阀盖形式,泄漏等级要求以及附件内容
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五、调节阀的设计选用
1.调节阀结构形式选择
o调节功能
o泄漏等级及切断压差
o耐压及耐温
o冲蚀、汽蚀、腐蚀
o流体介质
o使用生命周期
o维护及备件
o性能价格比
o建议选择顺序：单(双)座(Globe)、笼式单(双)座(Cage)、偏心旋转阀、蝶阀、角阀、球阀(V.O)、三通阀、特殊调节阀
等。

-30 -调节阀结构型式选择时注意的问题
*严密关闭阀（TSO）
o选择顺序为：球阀、单座阀、偏心旋转阀、蝶阀、角型阀
等。

o阀芯阀座密封型式：
–阀芯硬密封/阀座硬密封
用于不干净介质、高温、高压、高压差场合，泄
漏等级5级
–阀芯硬密封/阀座软密封
用于一般场合，泄漏等级5级或6级
o必须提出最大切断压差，是选择阀的关键条件之一
o必要时提出紧急切断动作时间。

*高温高压、高压差阀
o选择顺序为：角型阀、单座阀、套筒阀
-31 -o特别注意“空化（cavitation，气蚀、空蚀）”、“阻塞流（闪点）”
导致阀芯、阀座损坏，带来噪音和振动的危害；锅炉主给水调节阀、给水旁路调节阀、给水再循环调节阀、减温水调节阀、凝结水再循环调节阀、锅炉连续排污调节阀、高压蒸汽压力调节阀、合成氨高压差调节阀等。

o高压、高压差调节阀阀体选用锻钢件
o高压、高压差调节阀应选用带多级套筒式、多级阀芯式、多级叠板式等防空化组件。

o高压、高压差调节阀选用举例
工艺条件：流体SHP蒸汽
温度540℃
P1 10MPa(g)
ΔP 9MPa
管径10“
选型：单座Globe. class 2500. RTJ 法兰.
-32 -阀体材料：WC9 ASTM A217 铸造铬钼钢(Cr-Mo)
套筒材料：WC9 ION-Nitrided
密封环材料：316/CoCr-A Seat
阀芯材料：316/CoCr-A S&G 平衡型
导向：套筒
流量特性：%
带whisper内件降噪音。

-33 -2.调节阀的作用方式选择
o根据工艺生产安全确定气开阀(FC-气源故障时阀关)，气关阀(FO-气源故障时阀开)，由工艺决定并在PID表示。

o执行机构作用方式的选择
正作用：信号增加，推杆向下运动；
反作用：信号增加，推杆向上运动；
o建议单导向阀（FO）配正作用执行机构；
单导向阀（FC）配反作用执行机构；
双导向阀（FC/FO）配正作用执行机构；
-34 -3.调节阀执行机构选择
o可靠性
o经济性
o动作平稳、足够的输出力
o结构简单
o维护方便
o重量轻
o建议选择顺序：
¾气动薄膜执行机构（直行程用）
¾气缸执行机构（单气缸弹簧复位、双气缸）直行程、角
行程均适用；
¾电动执行机构（包括马达驱动阀MOV）
¾液动执行机构
-35-4.调节阀的材料选择
o流体介质温度、压力
例如碳钢（CS）T max450℃P max14.4MPa
(随着压力升高、温度降低P=32MPa时
T max=120℃）
不锈钢（SS）T max625℃P max40MPa P=15.2MPa T=520 ℃
o耐腐蚀材料Monel. Hastelloy B.C Ti. Ta
钴基合金-b 双向钢.
o耐磨材料440CSS. 17-4PH. Stellited
o建议选择阀体材料CS. SUS. 特殊材料
阀芯材料316SST. 特殊材料
阀座材料316SST. 特殊材料
-36 -5.调节阀的执行机构弹簧范围选择
o弹簧硬，调节阀的稳定性好
o弹簧软，输出力大
o建议综合考虑选择60-180kPa（通常20-100kPa，40-200kPa两种）
-37 -6.调节阀流向的选择
*流向的要求
o单座阀、角型阀、小流量阀、高压阀等流向可选择。

o三通阀、文丘里角阀、笼式阀、双座阀、V球型阀、偏心旋转阀、三偏心蝶阀等流向不能选择。

o球阀、蝶阀等流向没有要求。

*流向选择
o稳定性流开、流闭均可
o寿命流闭
o自洁流闭
o密封流闭
o输出力流闭
o动作速度流开
-38 -o闪蒸流开
高压阀、高压差阀≤20mm 压力高、压差大，汽蚀冲刷严重选
流闭
角形阀：高粘度、悬浮物、含固体介质、自洁性好
单座阀（Globe），通常选流开
小流量阀通常选流开
防喘振阀通常选流开
开-关阀通常选流闭
选择流闭阀时应注意：最小开度>20-30%，等百分比特性
-39 -7.调节阀的填料选择
*“V”型聚四氟乙烯填料
-40℃-250 ℃（实际应用时-40℃-100℃）
*“O”型石墨填料
-200℃-600℃
耐磨、耐蚀、耐温、使用寿命长
旋转型调节阀、高温调节阀均采用柔性O型石墨填料。

-40 -8.调节阀的附件选择
*阀门定位器（智能型-HART）（Exd. Exi. IP65)
-提高执行机构输出力
-可使阀门的供气速度快、阀的动作速度加快
*数字阀门定位器（现场总线）（Exd Exi IP65）
除上述功能外
-带PID控制功能
-带现场总线诊断功能
-带阀门特性曲线记录功能
*电磁阀（Exd IP65）
-三通电磁阀长期带电
-四通电磁阀长期带电
-优先选用24VDC 3W低功率
*限位开关（Exd. Exi. IP65)
-优先选用接近开关（无触点）
-行程开关（有触点）
-41 -*手轮机构
根据工艺要求选择
-侧装
-顶装
*空气过滤减压阀
空气贮罐、继动器、止回阀、自锁阀
阀位变送器、阀位限制器
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六、调节阀采购应注意的问题
o调节阀的规格表、工艺条件及技术要求应准确、详细
o根据调节阀的规格表确认制造厂提供文件
o当工艺介质是特殊介质，应要求制造厂对阀门可能与介质接触部件进行处理
o尽可能计算最大流量、最小流量、正常流量对应的阀开度
o工艺条件使用单位为SI制，P1或P2均为绝压
o应注意空化、阻塞流腐蚀、噪音的要求
o应提出最大切断压差
o应注意调节阀气源、电源、信号发生故障时，阀门应处于安全位置
o应注意调节阀应用场合，电/气阀门定位器、电磁阀、限位开关防爆、防护要求
-43 -o应注意调节阀所带附件（电/气阀门定位器、电磁阀、限位开关、空气过滤减压阀、空气贮罐等）
o必要时，要求制造厂提供关键部件材料分析报告，泄露量测试报告，性能测试报告等。

附录2. 常用术语(摘自GB9223-88执行器术语定义)
1.压力恢复系数（Pressure recovery factor）:
阀门内部由于结构复杂不同,流路复杂会引起流体高度湍动,损失能量大；流路简单引起流体低度湍动,能量损失小,因此经过缩流处后压力恢复不同，前者称为低压力恢复阀,后者称为高压力恢复阀。

2.阀内件（Trim）:
阀内件是阀体内组件的总称,包括阀芯、阀杆、套筒导向套等零件。

它们与流体接触,起改变节流孔面积和导向的作用。

3.关闭件（Closure member）:
关闭件是处于阀流道中,用来调整流体通过面积的可动部件,如柱塞、球、档板、
阀板等。

4.顶导向（Top Guilding）:
在阀体上部或上阀盖中的单个导向套，它是来保证阀芯与阀座同轴的一种结构。

5.套筒导向（Cage Guilding）:
套筒是阀内件,在其壁上开有不同形状的孔,它可对阀芯进行导向，保证阀芯和阀座处于同轴的一种结构。

6.可调比（Rangeabtity）:
在安装条件下可控的Q
max 与Q
main
之比。

7关闭压力（Shut off pressure）:
-03 -
-05 -附录3.有关调节阀的标准规范
1.API 598:有关阀门检验和测试方法
2.API 607:软座,1/4转阀门的防火测试
3.API 609:有关蝶阀方面
4.ANSI/FCI 70-2-1-1991:阀座泄漏等级划分
5. EU 60534-2-1:非压缩性流体在安装条件下口径计算
6.EU 60534-2-2:可压缩性流体在安装条件下口径计算
7.EU 60534-8-3:调节阀空气动力学噪音预估法
8.EU 60534-8-2:调节阀液体动力学噪音预估法
9.ISA S75.01-1985 (R1995):调节阀口径计算
10.IEC 60534-2-1(1978) 非压缩性流体在安装条件下口径计算
11.IEC 60534-2-2(1980) 可压缩性流体在安装条件下口径计算
12.GB-9223-88:执行器术语定义
测试题
流体名：天然气
Q max ：800Nm3/h Q
min
：300Nm3/h Q
nor
：500Nm3/h P
1
：1000kpa（绝）
P 2：800Kpa（绝）ΔP：200kpa t：45℃标准状况下密度ρ：1.24
等熵指数：1.26
工艺管径：89x4mm
空气切断时要求阀门开启
请选择合适的调节阀类型，阀体材料，阀内件材料，流量特性，阀门口径，阀座口径，上阀盖形式，噪音估算
答案：
初选球心型套筒阀，阀体材料216WCB（碳钢），阀内体304不锈钢，阀内口径11/2”（或者阀门口径3”，阀座口径11/2”），气闭式。

上阀盖形式选普通型，等百分比特性，泄漏量特性：ANSI/FCI V级
口径计算：
查找附录1，C
V F
K
=35.8，X
T
F
K
=0.68，F
L
F
K
=0.84
-06 -。