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關(guān)于自力式壓力調(diào)節(jié)閥在特殊工況下的設(shè)計應(yīng)用,這篇論文寫的非常到位,杜伯拉閥門君分享給大家共同學(xué)習(xí):
作 者: 楊宏
摘 要: 介紹了自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。重點(diǎn)闡述了彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)既可穩(wěn)壓又可斷閥介質(zhì)的雙重功能,并通過特殊工況下的實(shí)際應(yīng)用來進(jìn)一步分析彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙重功能的壓力分配原則、選型計算及設(shè)計特點(diǎn)并詳細(xì)敘述了彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)閥中關(guān)鍵零件的作用及設(shè)計計算。
關(guān)鍵字: 彈簧型自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理雙重功能特殊工況設(shè)計
0 概述
自力式壓力調(diào)節(jié)閥是一種無需外加驅(qū)動能源,依靠被調(diào)介質(zhì)自身的壓力為動力源,當(dāng)被調(diào)介質(zhì)壓力變化時按預(yù)定設(shè)定值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的節(jié)能型控制裝置。它集檢測、控制、執(zhí)行諸多功能于一體,自成一個獨(dú)立的儀表控制系統(tǒng)。由于自力式壓力調(diào)節(jié)閥是一款使用簡單方便的節(jié)能產(chǎn)品,所以世界各國調(diào)節(jié)閥公司紛紛推出了各種類型的產(chǎn)品,主要分為杠桿式自力式調(diào)節(jié)閥、指揮器式自力式調(diào)節(jié)閥、彈簧式自力式調(diào)節(jié)閥等(以下用彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥為例)。
1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理,以常用型閥后式為例(見圖1),閥芯的初始位置為開啟狀態(tài),閥后壓力P2經(jīng)導(dǎo)壓管輸入上膜室作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜片上,其作用力與彈簧的作用力相平衡時的閥芯位置決定了閥的開度,從而控制閥后壓力。當(dāng)閥后壓力P2增加時,P2作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時,膜片上的作用力大于設(shè)定彈簧的作用力,使閥芯向著關(guān)閉的位置運(yùn)動,閥的開度減小,P2降低,直到膜片上的作用力與彈簧作用力相平衡為止,從而使P2降為設(shè)定值。同理,當(dāng)閥后壓力P2降低時,動作方向與上述方向相反。自力式壓力調(diào)節(jié)閥的閥前式調(diào)節(jié)其閥芯的初始位置為關(guān)閉狀態(tài),其力平衡原理與閥后式相同(見圖2)。
自力式壓力調(diào)節(jié)閥優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)工作量小壓力設(shè)定點(diǎn)可調(diào)且范圍寬,便于用戶在設(shè)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)采用壓力平衡機(jī)構(gòu),使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏、控制精確、允許壓差大被調(diào)介質(zhì)為腐蝕性低、具有流動性的輕質(zhì)油品、水、空氣等,也可控制溫度在350℃以下的非腐蝕性氣體、蒸汽等。對于高溫、高貓度的介質(zhì)需要配置冷凝器、隔離罐等附件。此產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于天然氣采輸、城市供熱及冶金、石油、化工、電力等行業(yè)中介質(zhì)連續(xù)使用工況下的調(diào)節(jié)控制。但此產(chǎn)品在閥后介質(zhì)用量減少、或無用量時、或者間斷用量時的控制又會如何呢?fù)?jù)用戶反應(yīng)的現(xiàn)象是閥門會出現(xiàn)泄露情況,導(dǎo)致閥的前后差壓完全相等當(dāng)使用末段關(guān)閉后重新開始使用介質(zhì)時,閥門又恢復(fù)了減壓功能,同時存在憋壓后再開啟時造成瞬間高壓沖擊,極有損壞設(shè)備的可能性。下面以我公司該產(chǎn)品在某企業(yè)的應(yīng)用實(shí)例來闡述彈簧式自力式壓力調(diào)節(jié)閥(以下簡稱閥)針對這類特殊工況的設(shè)計和應(yīng)用。
2 特殊工藝參數(shù)
控制系統(tǒng)為穩(wěn)定閥后壓力的系統(tǒng),介質(zhì)為氮?dú)?,系統(tǒng)的初始管道壓力為2800KPa,后工段所需要的最大流量為2000NM3/h。工藝要求是后工段使用介質(zhì)10分鐘后停止使用1小時,并按此方式循環(huán)使用;正常使用時閥后壓力穩(wěn)定在700KPa,停止使用時閥后壓力不得高于800KPa。閥后輸送管道長度為800~1000米左右(如圖3所示)。
3 設(shè)計分析
根據(jù)上述工藝要求,為了保證控制系統(tǒng)介質(zhì)正常使用時的壓力,可選擇一臺閥降壓也可以選擇兩臺,但考慮到后工段完全關(guān)閉介質(zhì)時的特殊要求,選擇使用兩臺閥進(jìn)行雙級降壓能夠更好的分解設(shè)定壓力,減小單臺閥過重的負(fù)載,以最優(yōu)化的方式滿足此工藝要求。
(1)在閥內(nèi)件設(shè)計方面,兩臺閥的密封形式均采用軟密封形式,以提高閥的泄漏等級,減小因內(nèi)漏造成的閥后壓力升高。
(2)兩臺閥需要合理分配設(shè)定壓力。第一臺閥的關(guān)鍵任務(wù)①當(dāng)系統(tǒng)正常使用介質(zhì)時降低大部分閥前壓力,使閥后壓力穩(wěn)定在一個適中的壓力值上②能夠切斷介質(zhì)且在切斷介質(zhì)后閥后壓力只有小幅上升以利于第二臺閥的控制。第二臺閥的任務(wù)除了正常的減壓外,也應(yīng)能較好起到切斷介質(zhì)的作用,并在第一臺閥因其他未知原因不能正常關(guān)閉的情況下起到二次切斷介質(zhì)的作用,最終保證閥后壓力小于田伙幾,滿足工藝要求。
(3)在關(guān)鍵的控制元件一一彈簧的設(shè)計中,需充分考慮兩臺閥的作用。相對來說第二臺閥的彈贊承受壓力的變化較大,特別是兩臺閥在關(guān)閉介質(zhì)時,閥后的壓力都會有一定的變化,單單對于第二臺閥來說閥前壓力和閥后壓力均有所變化,根據(jù)系統(tǒng)受力平衡分析,閥后壓力升高的幅度對彈簧的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閥前壓力,所以此時彈簧所承受的負(fù)載也相對變大,因此在設(shè)計計算此彈簧時應(yīng)充分考慮這一因素。
(4)調(diào)節(jié)閥距控制系統(tǒng)末端有800~1000米左右的輸送管道,當(dāng)控制系統(tǒng)末端關(guān)閉后重新開啟時產(chǎn)生的瞬間高壓會慢慢的消耗在輸送過程中,所以此壓力在這種工況下可以忽略不計。
(5)此工藝要求兩臺閥須頻繁的打開和關(guān)閉,所以閥的關(guān)鍵部件所采用的材料也應(yīng)合理捧擇,并建議用戶及時更新易損件,以保障產(chǎn)品的良好性能。
4 選型計算
(1)壓力分配計算
為確保閥后壓力在設(shè)定范圍內(nèi),其閥前壓力和閥后壓力應(yīng)滿足減壓比(10:1~10:8)的關(guān)系,詳細(xì)數(shù)值見表1:
兩臺閥對閥前、閥后介質(zhì)壓力的合理分段應(yīng)首先保證第二臺閥關(guān)閉時閥后壓力不高于800KPa,那么對于第二臺閥的閥前壓力應(yīng)該滿足大于最小減壓比,所以選擇第一臺閥的閥后壓力穩(wěn)定在1000KPa左右較為合適,這個壓力值作為第二臺閥的閥前壓力,便于滿足第二臺閥的閥后壓力穩(wěn)定在700KPa。所以兩臺閥的壓力分配如下:
第一臺閥:閥前壓力2800KPa、閥后穩(wěn)壓為1000PKa、調(diào)壓范圍為900-1100PKa:
第二臺閥:閥前壓力1000KPa、閥后穩(wěn)壓為700KPa、調(diào)壓范圍為600-800KPa。
(2)口徑計算
調(diào)節(jié)閥的選型主要是根據(jù)客戶提供的閥前壓力、閥后壓力及最大流量等參數(shù)通過計算來確定閥的流量系數(shù)(Kv值)、口徑等主要參數(shù)。Kv值的計算公式有很多種,表2中的公式是針對介質(zhì)為氣體,涉及物化參數(shù)較少的計算公式。
由已給的條件計算出兩臺閥的流量系Cv。
己知系統(tǒng)初始管道壓力為2800KPa,后工段所需要的最大流量為2000NM3/h。設(shè)定第一臺閥的流量控制在4000NM3/h,閥后壓力穩(wěn)定在1000kpa;第二臺閥的流量為已知的2000NM3/h,閥前壓力為1000kpa,閥后壓力穩(wěn)定在700kpa。介質(zhì)為氮?dú)?,溫度為常溫。第一臺閥:p1≥2p2,所以選擇公式(1)計算kv值,第二臺閥:p1<2p2,所以選擇公式(2)計算kv值:
代入已知條件計算出kv,再根據(jù)式(3)計算出的Cv大小對應(yīng)選型,第一臺閥口徑為DN25;第二臺閥口徑為DN40。
5 設(shè)計計算
(1)閥體壁厚的計算
第一、二臺閥的公稱壓力分別為4.0MPah和1.6MPa,介質(zhì)為氮?dú)?,選擇閥體材質(zhì)為碳素鋼即可滿足要求。根據(jù)如下常用的鋼及合金鋼閥體壁厚計算公式,代入已知參數(shù)計算閥體壁厚。
式中,P(MPa):計算壓力(由設(shè)計給定);Dn(mm):計算口徑(由設(shè)計給定);
[OL](MPa):許用拉應(yīng)力,可查機(jī)械設(shè)計手冊得出;
C(mm):腐蝕余量(由設(shè)計給定,一般取C=6.3mm);
選擇SB≥S'B即可滿足設(shè)計要求,SB(mm)實(shí)際選用厚度。
(2)閥桿強(qiáng)度校核計算
由于該閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),閥桿只做上下直線運(yùn)動,所以對閥桿強(qiáng)度核算的計算采用升降桿明桿強(qiáng)度驗(yàn)算公式
關(guān)閉時閥桿總軸向力(N):
開啟時閥桿總軸向力(N):
閥桿最大軸向力(N):取Q0及QK中最大值
軸向應(yīng)力(MPa):
合成應(yīng)力OE(MPa):取軸向應(yīng)力中的最大值
KI~K4:為應(yīng)力系數(shù)值,查機(jī)械設(shè)計手冊可得具體數(shù)值
QV(N):密封面處介質(zhì)作用力;QT(N):密封面上密封力;
Q0(N):閥桿徑向截面上介質(zhì)作用;QT(N):閥桿與填料摩擦力;
FS(mm2):閥桿最小截面積;
強(qiáng)度校核條件。OE>[OE]許用合成應(yīng)力[QE]可查機(jī)械設(shè)計手冊得出。
(3)彈簧的設(shè)計計算
彈簧是自力式壓力調(diào)節(jié)閥中的關(guān)鍵零件,采用的材料為60Si2MnA優(yōu)質(zhì)硅錳彈簧鋼。圖4為彈簧應(yīng)力及應(yīng)變的關(guān)系圖,圖中F1及F2為閥后穩(wěn)壓范圍中最小壓力及最大壓力時,對應(yīng)彈簧的最小受力及最大受力,F(xiàn)lim為設(shè)計彈簧的極限受力。△h對應(yīng)的是彈簧正常的壓縮量同時也是閥的行程。
當(dāng)控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時,根據(jù)工藝要求的設(shè)定壓力值計算出彈簧受到的最小壓力和最大壓力F1及F2并,將此計算值代入壓縮彈簧計算公式:
根據(jù)彈簧所選擇的材料確定許用應(yīng)力TP,然后在4~14范圍內(nèi)初步確定旋繞比,由公式(4)計算出彈簧的簧絲直徑d,取d的圓整值由D2=Cd計算出D2:再由式(5)計算有效圈數(shù)n;最后確定彈簧的所有參數(shù)。在設(shè)計中應(yīng)初設(shè)幾個旋繞比C值做計算,比較結(jié)果選取最優(yōu)的方案。
6 用結(jié)論
這套自力式壓力調(diào)節(jié)閥通過現(xiàn)場的實(shí)際使用證明能及時將閥后壓力控制在規(guī)定的范圍內(nèi),具有良好的穩(wěn)壓性能,并當(dāng)現(xiàn)場后工段工藝介質(zhì)全關(guān)閉時充分體現(xiàn)了它的密封性能,很好的滿足了系統(tǒng)的工藝要求,深得用戶的好評。通過這個應(yīng)用實(shí)例可以得出結(jié)論在一定的條件下通過特殊設(shè)計,自力式壓力調(diào)節(jié)閥可以具備既穩(wěn)定設(shè)定壓力又切斷介質(zhì)的雙重功能,為該類產(chǎn)品拓展了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
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