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調節閥技术解密 - 【02 阀内件】

作者:調節閥厂家 来源:www.11g69g.cn 日期:2018-8-6 16:43:02

 阀内件(Valve Trim)



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,符合标准规定的泄漏率。


 閥芯(Plug) 



閥芯是閥內件中最爲關鍵的部件,同時是控制閥的可動部件,閥芯與閥座配合使用,可緊密關閉切斷流體,可通過改變節流截面積來調節流體通過量,進而達到過程控制的目的。


閥芯的形狀(或籠式閥的套筒開口形狀)決定著控制閥的流量特性,如常見的線性、等百分比、快開特性和抛物線特性等。閥芯閥座的尺寸以及閥內流路決定著控制閥的最大流通能力。


閥芯閥座的選材及其工藝處理決定著控制閥的工況應用和可靠性。閥芯閥座以及閥內件的設計直接反映了控制閥廠家的技術能力。

套筒型閥芯開口形狀和流量特性


为了获得不同的閥門特性,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、套筒型阀芯,以及用于小流量的针形或圆柱铣槽阀芯,还有抗空化气蚀的多级阀芯和特殊设计阀芯。角行程阀芯是通过旋转运动来改变它与阀座间的流通面积。


早期的控制閥主要是單座閥,柱塞型閥芯。爲了克服單座控制閥柱塞型閥芯不平衡力大、較低的流通能力和高噪聲等問題,上世紀六十年代國外一些廠家開始研發不平衡力小、有較大流通能力、低噪聲和便于拆裝閥內件的套筒型控制閥。


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。


鑽孔式籠罩式閥芯專爲高壓降的應用場合而設計,並消除氣蝕、噪音、腐蝕和震動這些常見問題。通過鑽孔的分布來實現流量特性。最小可控Cv由閥塞與閥籠之間的間隙以及密封面到閥籠最底側孔的距離決定。


鑽孔式籠罩式閥芯


 閥芯流量特性 



  • 線性流量特性是指調節閥的相对流量与相对位移(行程)成线性关系。即单位位移变化所引起的流量变化是常数。具有此特性的閥門在开度小时流量相对变化大,灵敏度高,不易控制,甚至发生振荡;而在开度大时,流量相对变化值小,调节缓慢,不够及时。    

  • 等百分比流量特性是指控制閥單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系,即曲線斜率是隨行程的增大而遞增的,也稱爲對數流量特性。在小開度時,流量變化小,調節平穩;在大開度時,流量變化大,調節靈敏有效。

  • 抛物線流量特性是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根爲比例關系。抛物線流量特性主要是爲了彌補線性流量特性在小開度時調節效果差的不足。多數廠家沒有把抛物線流量特性的閥芯作爲標准産品。

  • 快開流量特性在開度較小時就有較大的流量,隨開度的增大,流量很快達到最大;此後再增加開度,流量變化很小。快開流量特性多用于開關型控制閥,在小開度時就可獲得較大的流量。

 非平衡式閥芯和平衡式閥芯 



針對單座閥閥芯所受不平衡力大的問題,也有采用平衡型閥芯的解決方案,可使得現有推力有限的執行器可用。平衡型閥芯是在閥芯開有平衡孔,將流體壓力引到閥芯另一側平衡腔室並與閥出口流路密封隔離,這樣閥芯兩側壓力差的絕大部分被平衡掉,不平衡力只有相當于流體壓力在閥杆截面積上的作用力了。由于平衡孔徑相對小一些,若被堵上則平衡作用全失,平衡閥芯不適宜用于較髒、含較大固體顆粒物或易結晶易固化介質。常見的平衡閥芯都是將平衡腔室的筒體設計爲固定的,密封環嵌裝在平衡閥芯上,平衡閥芯類似活塞作上下提升運動。如下圖所示,左側爲非平衡式閥芯,右側爲平衡式閥芯。


 抗空化氣蝕閥芯 



在調節閥中产生的冲刷、汽蚀空化现象,其根本原因即是由于阀前后的压差过高,流速过快。一般认为当Δp>2.5MPa时,流体介质在阀内部进入节流部位时压力骤然下降,在通流截面面积最小处压力降至最低,当这一压力低于当前温度下流体的饱和蒸汽压时,部分液体会出现汽化,形成大量微小的汽泡,当流体流过节流口压力回升时,这些汽泡又发生破裂回到液态,对阀体和阀芯等部件产生冲击并带来噪声、振动、阀内件或阀体材质的破坏等危害。


控制閥廠家都致力于抗空化氣蝕的解決方案,除了在選型計算上應用阻塞流方程和避開産生閃蒸和空化的條件,還從閥內件結構、材料選用等方面入手特殊設計出各種不同的抗空化氣蝕閥芯。特殊設計的抗空化氣蝕閥芯使流體在通過閥芯閥座時每一點的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓,或采用多級降壓級間壓力恢複的多級閥芯,或采用特殊結構改變流動狀態並提前破壞氣泡而減小閃蒸效果使空化難以産生,同時降低噪聲。


国内外一些調節閥厂商都研发了各种不同类型的专门应用于苛刻工况下的抗汽蚀多级降压調節閥。常见的多级降压調節閥分为三类,虽然在结构上有所不同,但有着共同的工作原理,都是通过改变结构将总的压差进行分段多级降压,使每一级压降Δp1小于产生空化的临界压差,从而有效避免了汽蚀等危害的发生。

 1、串级式調節閥 



串級式多級降壓結構如圖所示,這種結構把原本的一個整體的節流區域以多個分開的節流區域互相串聯,從而使較大的壓差轉換爲多個較小的壓差,使每一次的降壓範圍都控制在飽和蒸汽壓以上,使空化現象不再出現。

串级式調節閥多用于液体介质工作的场合,其特點在于:


  • 啓閉過程中能夠減輕持續壓差,每一級節流口的動作均滯後于上一級節流口,可以使在啓閉過程時作用于閥口的持續高壓逐級減輕,分擔了第一級節流口的壓力。

  • 流阻較小,可以勝任流體清潔度不高,甚至固液兩相流的場合。

  • 串級式閥芯一般進行碳化鎢噴塗硬化處理,抗沖刷汽蝕性能良好。

  • 制造过程与其他多级降压調節閥相比工艺较为简单,加工方便,制造成本也较为低廉。

  • 串级式調節閥一般降压级数有限,多为3~4级,不能应用于压差过高的场合。


 2、多层套筒式調節閥 



如图所示,多层套筒式調節閥典型结构特征是阀芯部分节流件由数层加工有小孔的套筒构成,每层套筒之间都留有一定的间隙,使流体流经套筒时得以缓冲,从而将流体速度控制在一定范围内。

其特點在于:


  • 多级套筒式調節閥降压级数可以设计得较大,降压能力与串级式相比较强,能够胜任高压差的场合。

  • 多層套筒式結構既能滿足較高的壓降要求,同時又能在工作時保證較大的流量。

  • 抗汽蝕性能良好,用于液體介質時,流體由最外側套筒流向最內側,液體介質在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現象的發生,並且流體最終從內側套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區域,使汽泡在套筒中心部位破裂,不直接對閥門金屬表面産生傷害。

  • 抗噪聲、振動性能良好,用于氣體介質時由套筒內側向外流動,靠外側套筒的孔徑和間隙與內側相比均有所擴大,使氣體介質在逐級降壓過程中不斷膨脹,可以有效地降低噪聲及振動帶來的危害。

  • 套筒加工過程比較複雜,成本較高。但安裝與維護簡便,易于更換。

     3、迷宫式調節閥 



    迷宮盤片式多級降壓結構如圖所示,其核心節流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經迷宮流道中經過多次碰撞轉折,消耗能量,在逐級降壓過程的同時,使流速也得到了控制。

其特點如下:


  • 迷宫流道的拐弯级数就是迷宫式調節閥的降压级数,一般可达十几到二十几级,所以迷宫式多级降压结构是常见多级降压調節閥中降压能力最强的,国外有产品最高可以达40MPa。

  • 出色的抗汽蝕沖刷及消聲減振性能,多級拐彎迷宮式流道可以有效地控制流體流速,避免空化、噪聲及振動等不良現象的發生。

  • 通过使用不同形式的迷宫盘片进行组合,迷宫式調節閥可以达到不同的流量特性调节曲线。

  • 迷宮式盤片制造精度要求很高,一般由司太立合金堆焊,有較長的使用壽命;

  • 安裝與維護比較簡便,盤片易更換。


 閥座(Seat) 



阀座也称作阀座环(seat ring),装配在阀体上,用于提供阀关闭状态时完全啮合的密封面。阀座密封面一般都作堆焊或涂复钴铬钨等硬质合金加硬处理。


閥座有螺紋式和壓緊式之分。螺紋式結構簡捷,用螺紋擰入閥體,但需要使用專用工具和按廠家規定的扭力矩。考慮到螺紋有隙連接的密封問題,傳統方式是加座環密封平墊片,有的廠家不采用墊片密封而是座環上部外斜面與閥體實現金屬-金屬密封。


压紧式结构又称作快换式阀内件(quick-change trim),阀座便于拆卸,附加有压紧套筒等部件,利用上阀盖施加压紧力。传统设计是使用座环垫片密封,为了弥补垫片密封不足,有的厂家采用垫片和座环下部外斜面与阀体金属密封的方法。


 閥芯閥座密封和泄漏率 



密封和泄漏是控制閥的重要指標,緊密關閉和低泄漏率是控制閥功能安全的要求。


密封與閥芯閥座的對准和接觸及載荷有關,還與閥內件結構設計和金屬精加工有關。閥芯閥座密封面一般都作堆焊或塗複鎢鉻钴(司太萊合金)等硬質合金加硬處理,抗重載接觸和防沖刷磨損,提高泄漏等級。


泄漏是根据密封设计、参数和试验得出的泄漏量,标准化组织都规定有泄漏等级和严格的试验程序。各国基本上是执行IEC 标准,国标《工业过程控制阀 第4 部分:检验和例行检查》GB/T 17213.4-2005就等同于IEC 60534-4:1999;德国DIN EN 1349 即等同欧洲标准也基本同于IEC 60534-4。


閥芯密封一般有:金屬密封、經研磨的金屬密封、彈性(軟)密封。


金屬密封將閥芯斜面和閥座接合面設計爲不同角度,通常是閥芯密封的斜面角度爲30°、閥座密封接合面角度爲45°,金屬-金屬密封的泄漏等級可達Ⅳ級(≤10-4Kv);經研磨的金屬密封的泄漏等級可達Ⅴ級(≤1.8×10-7×△p×D)。


软密封一般选用有弹性的聚四氟乙烯PTFE 作密封材料,嵌入在阀芯或阀座上,其泄漏等级可达Ⅵ级(≤3×10-3×△p×泄漏率系数)。


对于平衡型阀芯,其泄漏等级依选用密封环材料而有所不同,加石墨密封环的可达Ⅲ级(≤10-3Kv),加PTFE 密封环的可达Ⅳ级(≤10-4Kv)。


 閥門密封面的工作條件 



由于閥門用途十分廣泛,因此閥門密封面的工作條件差異很大。壓力可以從真空到超高壓,溫度可以從-269到816℃,有些工作溫度可達1200℃。工作介質從非腐蝕介質到各種酸堿、等強腐蝕性介質。從密封面的受力情況來看它受擠壓、剪切。從磨擦學的角度來看有磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、沖蝕等等。因此,應該根據不同的工作條件選擇相適應的密封面材料。


  1. 磨粒磨損:這是粗糙的硬表面在軟表面上滑動時出現的磨損。硬材料壓入較軟的材料表面,在接觸表面就會劃出一條微小的溝槽,此溝槽所脫落的材料以碎屑或疏松粒子的形式被推離物體的表面。

  2. 腐蝕磨損:金屬表面腐蝕時産生一層氧化物,這層氧化物通常覆蓋在受到腐蝕作用的部位上,這樣就能減慢對金屬的進一步腐蝕。但是,如果發生滑動的話,就會清除掉表面的氧化物,使裸露出來的金屬表面受到進一步的腐蝕。

  3. 表面疲勞磨損:反複循環加載和卸載會使表面或表面下層産生疲勞裂紋,在表面形成碎片和凹坑,最終導致表面的破壞。

  4. 沖蝕:材料損環是由銳利的粒子沖撞物體而産生的。它與磨粒磨損相似,但表面很粗糙。

  5. 擦傷:擦傷是指密封面相對運動的過程中,材料因摩擦引起的破壞。


 對密封面材料的要求 



理想的密封面要耐腐蝕、抗擦傷、耐沖蝕、有足夠的擠壓強度、在高溫下有足夠的抗氧化性和抗熱疲勞性,密封面材料與本體有相近似的線膨脹系數,有良好的焊接性能,加工性能。


上述的這些要求是理想狀態,不可能有這樣十全十美的材料,因此,選材是要視具體情況解決主要矛盾。


常用密封面材料分爲兩大類,軟質材料和硬質材料。


軟質材料爲各種橡膠、尼龍、氟塑料等。

硬質材料的密封面主要是各種金屬如銅合金、不鏽鋼、硬質合金等。


(1)銅合金


JB/T 5300《通用閥門材料》中规定的灰铸铁阀、可锻铸铁阀,球墨铸钢阀的铜合金密封面材料牌号有:铸铝黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3,铸锰黄铜ZCuZn38Mn2Pb2,铸铝青铜ZCuAl9Mn2、ZuAl9Fe4Ni4Mn2。当然还有其它牌号如H62、巴氏合金(ZChPbSb16-16-2铅锑轴承合金)等。铜合金在水或蒸汽中的耐腐蚀性和耐磨性都较好,但强度低,不耐氨和氨水腐蚀,适用介质温度≤250℃。但巴氏合金耐氨及氨水腐蚀、熔点低,强度低适用于温度≤70℃PN1.6MPa氨阀。


(2)鉻不鏽鋼


铬不锈钢有较好的耐腐蚀性,常用于水、蒸汽、油品等非腐蚀性介质,温度≤425℃的碳素钢閥門。但耐擦性能较差,特别是在大比压的情况下使用很易擦伤。试验表明比压在20MPa下耐擦伤较好。对于高压小口径閥門常采用棒材或锻件其牌号为1Cr13、2Cr13、3Cr13制作的整体阀瓣,密封面经表面淬火(或整体淬火)其硬度值对2Cr13 HRC41~47、3Cr13 46~52为宜。国外标准中如API 600 BS 1873中对Cr13型密封面的硬度要求为最小HB 250硬度差HB 50材料牌号为ASTM A182 F6a。


對于大口徑閥門其密封面往往采用堆焊下面介紹幾種堆焊焊條。


① 堆507符合GB EDCr-A1-15  堆焊金属为1铬13半铁素体高铬钢。焊层有空淬特性,一般不需热处理,硬度均匀,亦可在750~800℃退火软化。当加热至900~1000℃空冷或油淬后可重新硬化。焊前须将工件予热至300℃以上(也有资料介绍不需予热(閥門堆焊技术))焊后空冷HRC≥40,焊后如进行不同热处理可获得相应硬度。

② 堆507钼  符合GB EDCrA2-15堆焊金属为1铬13半铁素体高铬钢,有空淬特性,焊前不予热,焊后不处理,焊后空冷HRC≥37。

③ 堆577铬锰型閥門堆焊焊条符合GB EDCrMn-C-15焊前不予热焊后不处理抗裂性好HRC≥28与堆507钼配合使用。


說明:

(Ⅰ)D507Mo和D577兩種焊條是爲代替Cr13型焊條堆焊有硬度差的閥門密封面而配套研制的。D507Mo堆焊金屬硬度較高,用于閘板;D577堆焊金屬硬度較低,用于堆焊閥體或閥座密封面。兩者組成的密封面可獲得良好的抗擦傷性能。

(Ⅱ)堆焊層的高度加工後應在5mm以上以保證硬度和成份穩定。

(Ⅲ)堆焊要按焊接工藝規定操作,焊接電流不可過大以防止焊條成份發生變化影響焊接質量。


(3)硬質合金


硬質合金中最常用的是钴基硬質合金也稱钴鉻錫硬質合金。它的特點是耐腐蝕、耐磨、抗擦傷,特別是紅硬性好,即在高溫下也能保持足夠的硬度,此外加工工藝性適中,其許用比壓80~100MPa國外資料介紹155MPa。適用溫度範圍-196℃~650℃特殊場合可達816℃。但是,它在硫酸、高溫鹽酸中不耐腐蝕。在一些氯化物中也不耐蝕。


常用牌號:


STELL1TE N0.6  符合AWS ECoCr-A GB EDCoCr-A-03也相当D802(堆802)焊前根据工件大小进行250~400℃予热焊时控制层间温度250℃,焊后600~750℃保温1~2小时后随炉缓冷或将工件置于干燥和预热的沙缸或草灰中缓冷。

其它牌号还有STELL1TE N0.12  符合AWS ECoCr-B GB EDCr-B-03也相当堆812,焊后HRC≥41。


以上两种是钴基硬质合金电焊条,钴基硬质合金还有焊丝可以进行氧—乙炔堆焊或鸽极氩弧焊。  

牌號:

STELL1TE N0.6焊丝符合AWS:RCoCr-A也相当HS 112 常温硬度HRC 40~46;

STELL1TE N0.12符合AWS:RCoCr-B也相当HS 112 常温硬度HRC 44~50。

硬質合金(钴基)焊接都要對工件予熱,焊時控制層間溫度焊後處理,要根據焊接工藝或焊條說明書施焊。


常用內件材料組合:

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