调节阀的配备条件

概述  本章的目的是请用户注意到，在配备一台调节阀时，甚至在试图选择具体的阀门类型之前就应该考虑的许多因素，并且一旦了解这些因素后，就要使不同的阀门类型与对它们应用场合、有关的性能和价格联系起来。

步  当配备一台调节阀时，步是收集汇集总所有与使用条件、周围环境有关的资料。这些资料不仅包括正常的操作工况，而且也包括开车和异常操作期间的恶劣工况。管道内流体作用在阀门上的力、管道本身、地震冲击以及阀门和它的执行机构周围的异常的环境也必须包括进去。还必须考虑工厂或现场辅助技工的技术水平和政策。

    所有这些因素如果考虑得不周密，经常会导致所安装的调节阀在开车期间不能发挥应有的功能，或者由于异常的磨损或机械破裂而遭受*性的损坏。

    用于正常操作的调节阀规格要求已在*2章中详细地列出了，而且与阀体、执行机构、阀门定位器、变送器或调节器、使用条件及阀门附件有关。

    美国仪表学会有一种规格表的格式（S20.6），它有助于用户和制造厂双方了解注意的条件及阀门的规格。这将足以满足大部分的阀门应用，因为不正常工况可能不是很严重的。然而直到不正常工况及可能随之产生的一些情况的推断应作简要的说明。

    客观地列举这些异常工况及影响，是启发用户仔细地考虑阀门的一些应用问题。把阀门当做工整个系统的一部分来考虑，并把系统对阀门的作用以及阀门对系统作用的影响也考虑进去。然后就可以着手选择一台合适的阀门，使其满足大多数的操作要求。下述各项是以简要的形式介绍的，提供给读者一个可能需要作深入研究的资料清单。

1、主要因素

系统设计  系统的功能是控制流体的流量，它可以用下述几种方法来完成：（1）变速泵；（2）恒定转速的可变容积式正位移泵；（3）调节阀；（4）其他方法。变速泵流量控制装置是用于大流量情况，包括需要能量很大的泵，借以节省泵的功率消耗。计量型变容积式天上正位移泵经常用于严格地控制某体，这种流体是以给定的容积在某一段时间里加到系统中去的，或者与大量的已计量容积的其他流体相混合。调节阀是这三种方法中简单的一种，而且所用的设备少。调节阀的简单的形式可能是自力式的流量和压力调节器，在本手册中所要进行讨论的阀门是接受从某些其他的测量装置来的控制信号。调节阀有大的灵活性，即可以控制的高低流量的范围较大，从一个极端到另一个极端的流量变化快，比前述的两种装置快得多。与其他的两种控制方法比相对地便宜，而且和它们一样，也是用一个独立的能源来操作执行机构。前两种系统是把能量投入流体，使它按要求的数量来移动物流，而调节阀从较高能量物流中消耗能量，产生所要求的控制作用。调节阀把部分流动能量转换成为流体内部摩擦，因而导致温度升高及阀门出口的压力降低。

    在规划控制系统时，步是决定流量控制装置的形式，哪一种形式能满足你的需要，假如需要一台调节阀，进一步阅读本手册。

为什么需要断源保安作用的调节阀？  断源保安作用的定义为：假定输入到阀门执行机构的动力源发生故障时，阀门处于开或关的位置。研究一下系统，并决定于你想要阀门保留打开的位置、连续流动和释放压力，而保持大的流量呢？还是必须关闭阀门，防止流体散失或者防止过度的流动。有些系统不需要任何断源保安作用。另外一些系统可能要求阀门保留在动力源中断前的节流位置，一直到过程控制可以用手动来处理为止。有很多执行机构的形式可以采用，而薄膜式执行机构是常用的一种。空气压力用来打开或关闭阀门。与其相反的能源是压缩弹簧，它提供弹力移动阀门，使执行机构在气源压力发生故障时阀门处于**的位置，断源保安作用必须是完全协调的一整套辅助控制，例如在调节系统中的调节器、阀门定位器及转换器。换句话说，失去气源或失去气动信号在整个系统中必须起完全相同的作用。

    另一个必须考虑的因素是作用在阀门芯杆组合件上流体力的影响，以及与以弹簧推力形式出现的执行机构动力之间的关系。流向为自下而上的球形阀，其阀芯承受从管线压力来的打开推力。对于一个用弹簧关闭的断源保安阀门来说，执行机构的弹簧必须有足够的力来克服流体向上的推力。当流过阀芯的流向是自上而下时，产生的这些推力往往有助于维持阀芯在关闭的位置。如果阀门必须在动力源故障时打开，那么，断源保安作用的执行机构的弹簧力必须能够克服施加在关闭的阀芯上的压差荷载。对断源关闭的系统，必须记住的*二点是在调节阀和阀前任何一个切断阀之间的液体是被封闭住的，在易遭受温升的长管线上必须装设压力释放装置。

    大多数旋转式阀门，作用在阀芯、球或阀板上的流体流动力往往有助于关闭阀门。一旦阀芯处于关闭的位置，它通常是和流体流动力平衡的。蝶阀和支轴式整体球阀没有问题。扇形的旋转阀芯或球阀需要特殊考虑，在球或阀芯后面的流体将迫使它朝阀座方向移动，而且比流体对着阀芯的另一侧的情况要求有更大的打开力矩。这一点对安装在旋转式阀门上的弹簧式断源保安作用的执行机构必须加以考虑。仔细地审查你的系统，并确定在大输入流量和压力下将会发生什么情况?在对动力源故障起**保险作用时，要求你的阀门是全关还是全开?

口径计算是根本  在选择调节阀时，主要考虑之一是阀门既不要过大，也不能太小，能够适应控制任务的要求。阀门尺寸过大会影响控制精度，而尺寸过小时，如果没有极高的压降，生产过程就不可能获得大流量，和可能受噪音，磨损及气蚀的影响。调节阀、泵和管线应当同时确定其尺寸，以防止**系数的连续叠加，形成一个“过大尺寸”的调节阀。由美国仪表学会定义的“流量系数”(Cv值)术语是指衡量一个阀门流通能力的方法，而不管阀门的类型和结构。这种简单的方式仅仅在适中的流量时才是可用的。当把它应用到一个系统中时，闪蒸、气蚀及空气动力学噪音必须加以考虑，同时要考虑阻塞气体流动的条件。所有这些在本手册的*6章和*7章中已充分的叙述过了。中心思想是在正常的操作条件下，所设计的阀门开度应约为全开流通能力的65～75％。如果这样设计的话，它能够使你操作你的系统在更高的流通能力或者在入口压力虽然稍微有些下降时维持流通能力。阀门也是处在理想的操作范围内，以满足按一个给定的流量特性来控制流量，你选定的一种流量特性是为了和你的系统相匹配。

必须规定适当的流量特性  在确定工艺过程的正常流量之后，必须对所有的操作条件包括开车的情况来确定大和小流量。需要控制大流量和小流量的地方，应当和制造厂商量，以便他们推荐一种能够满足处理全部条件的调节阀。标准阀门结构在流量控制的低范围和高范围都有一定的局限性。低于阀门额定Cv值的10％时，其流量特性的偏差可能是非常大的。高于阀门额定Cv值的90％时， Cv变化率随着单位行程的增加而降低。特别高质量的阀门设计可以提供克服球形阀应用中的这些缺陷。旋转式阀门在这些非常低的和高的流量范围中出现更为困难的问题。但是在某些情况下用改变设计参数的办法，可以使其在这些范围中的应用获得改善。

    在大口径的阀门中，极低的流量控制精度只能达到和执行机构定位阀芯一样的度。时常要求阀门定位器给出合乎需要的性能，消除在这些范围内引起不稳定流动的变差。

    阀门制造厂的应用工程师能够协助用户来确定阀门的固有可调范围与实际安装的阀门调节范围和可调范围：

    在正常、大和小流量已经确定之后，从而就决定了可调范围．下一步就要严格地测试工艺本身，以便看它的特性是什么或者必须是什么？大多数工艺过程的流量范围可能在平均流量的25～200%范围内变化。正常压力变化为±10%，范围为平均值的±25%。这种分析的目的是为了得到调节阀所必须具有的特性选择。所需要的阀门是快开、线性或等百分比特性？如果阀门特性的选择是正确的，和工艺过程的特性是匹配的，则整个系统的控制性能将证明是满意的。*5章中包含有助于完成特性选择的实用导则。

所要求的调节品质必须估算  这不仅与满足使用要求的阀门型式选择有关，而且也和为了满足期望的质量愿意付出的费用有关。

    大多数阀门挂*厂都出售若干相同功能相同的阀门系列以及不同型号的阀门。他们能够阐述各种系列和型式与另一种的性能奴隶制，以便用户作出与使用要求匹配的经济的选择。

    一个典型的实例出现在一个系列的阀门性能在其范围的一端是与较高质量的高薪坠落系列相重叠时。

遵照规范的规定  各种各样的规范规定或限制阀门材料的使用、设计规则、制造工艺以质量保证程序。因而，用户和制造厂都必须阐明对调节阀的应用和环境的要求所能适用的标准规范是什么。许多规范是既适用于阀门制造又适用于应用程序的。必须记住，要合理地向制造厂提出关于工厂类型或现场安装和所在区域的一般位置的建议。制造厂必须了解工厂和工艺过程的操作和装备所处的工业类别。

    大多数调节阀是遵照美国标准协会（ANSI）的规范的要求；对于法兰连接的阀门用(ANSI B16.5)规范，连接端焊接的阀门用ANSI B16.34规范。此外，美国机械工程式师学会（ANME）的锅炉和压力容器规范*Ⅶ部分*1和2篇和核工程使用的*Ⅲ部分经常与ANSI B31规范一起规定用于某些蒸汽透平的调节阀。阀体组合件通常在环境温度下按1.5倍的冷工作压力等级进行检验。

    石油产品使用的调节阀必须按照美国石油学会（API）标准的规定，因为严重超压的可能性更大。在这种情况下，通用的做法是在环境温度下，按2倍的正常额定工作压力进行试验。API颁布的个别的标准是供油品、管道和油品炼制使用的。

    管道规范ASME B31.1分成：（1）动力配管；（2）局部加热和冷冻；（3）农村范围以外的输油管线；（4）炼油厂内部的油管；（5）在农村范围内的气体管线系统；（6）集中居民区以外的输气管线。对于一个给定的相围材料的管道壁厚，每一类管线都具有不同的高操作温度和压力。这就影响了制造厂焊接到阀体上的接绝不能阀体上的接管和异径管的形式。

    供核工程使用的ASME*Ⅲ部分是用来做为承压零件如阀体、上阀盖和连接螺栓的材料和许用应力的规定，阀芯也包括在这种类型中。设计规则、批准的材质、应力等级和质量保证要**按照阀门在系统中的功能的重要性，根据一个阀门的应用情况而分成不同的等级，如核工程的1、2或3级。用户或者苍的设计工程师的职责就是在设计技术规定、规范批准的材料中指定应用的等级。

    用户的设计技术规定必须形成文件，由一个精通核动力工厂设计的有执照的专职工程师来审批。美国仪表学会的调节阀规格表可以包括给出基本数据的来源。一旦同意采用ASME*Ⅲ部分核动力规范，并可能制造，则任何一方的所有变更都必须经过认可、审批和形成文件。

2．管道的作用力

    管道作用在阀门上的力作用在阀体和阀门连接端上的弯曲力矩、压缩力和张力是由于冷开车、操作和停车时温度和压力的显著变化所产生的。

    口径和管线尺寸相同的阀门一般不会发生问题的，除非出现了严重的情况，因为ANSI B16．5和ANSI B16．34规范对于法兰连接和端面焊接的阀门规定了足够的阀体壁厚，使阀体的强度大于管道的强度。

    无法兰式阀门由制造厂限制其尺寸和压力等级，以便提供适当的装配件强度和保持垫片的严密性。

    当安装口径小于管道尺寸的阀体时，特别是当阀体的尺寸小于管道尺寸一档以上时应当给予考虑。用户必须估计需要安装管道的固定点，使阀体与过量的力隔开。

与使用条件配合的阀门动作所产生的管道作用力

    (1)下游测管道的应力

    阀门的快速打开，其阀体由蒸汽疏水器排净，以便在阀门关闭的时候保持管线的操作温度，结果使阀后的下游管线产生突然的热应力。在大多数情况下，阀体的热应力是很小的。经常操作和重复发生热松脱作用可能引起连接螺栓蠕变，并减小了垫片的密封性。在极端的情况下可能需要连续地预热或冷却。通过阀体的桥臂，球或蝶阀的阀盘传热，对阀的下游侧部分只产生很小的影响。

    (2)阀体的排净不好

    当阀体的低部分不能够排净，冷凝下来的液体可能积存于上游侧和(或)下游侧的管道中。高速的气体或蒸汽终可能把集聚的液体以足够的速度推进，使管道和某些型式的阀门损坏。管线应该适当地装设汽水分离器和排净口，甚至在水平管线安装的孔板，在其下部聚集的液体也会折断旋转式阀门的阀芯，这是早已知道了的事情。

    (3)阀门快速打开

    在高压差下，大口径的阀门迅速地打开会引起产生一个强大的管线反作用力，结果可能使管道移动、振动和管线固定点的松动。蒸汽排泄阀返回到收集器放空管的出口喷嘴，其寿命很短是众所周知的。管道必须可*地固定。几个阀门平行地打开会使总管损坏。

    (4)阀门迅速关闭

    用于液体的阀门迅速关闭会引起水锤作用，可能集聚相当大的管线压力，会使铸铁阀门和管件破裂，钢法兰脱焊及垫片脱落。在气动控制设备上装一个导向小孔，并在快开式阀芯上的起始的15％行程中附加一个节流柱塞头，使阀门的关闭时间减缓，并可以大大地减小水锤作用。

    (5)高能场合使用

    用于高能场合的调节阀，应当考虑由于辅助设备如执行机构的连杆、弹簧或动力源可能发生故障而选定合适的截流方式。大多数的旋转式阀门是被流体流动的动力关闭的，如果让其任意地旋转，迅速地关闭带来了严重的管线震动。

    (6)大流量

    大流量伴随着高压降的阀门经常产生闪蒸和气蚀，这就引起了下游侧管线的严重振动。在这种情况下，尽可能保持很短的下游侧管段，立即进入一个大容器，尽可能在管线上少装弯头。

    （7）隔膜式阀门

    隔膜阀、夹紧式阀门和套管式阀门都不能是在关闭时把流体挤进管线中。它们和切断阀不能安装在管线的不流动端上使用。无论是阀门发生故障而关闭，还是执行机构的动力源充足，都将损坏膜片。

    阀门的端部连接必须和配管设计相配合阀门上的端部连接方式通常是由配管设计工程师指定，他们了解可能作用在阀体上的管道作用力，所以他们也应当知道由于阀门动作在管道上所产生的力。

    在选择连接方式的同时也要考虑强度要求，以保持在整个操作条件下所希望的垫片密封压紧应力和垫片密封的严密性，如有关毒性、在真空情况下使用的允许产品污染程度、火灾危险和人为燃烧危险。磨损和隙间腐蚀也可能是用来确定阀门端部连接方式选择的因素。

    例如，美国腐蚀工程师协会（NACE）的技术规定150关于高压高浓度的硫化氢使用的法兰，要**和阀体整体铸造或锻造的。隙间腐蚀是不允许的。口径等于和小于2英寸的阀门，端部连接不允许采用承插焊。应当采用对焊连接。焊接端部的和钼钢阀门往往焊到碳钢管道上。这种阀体是规定供高温使用，以防止在闪蒸场合的磨损。焊接和钼钢或任何管壁厚度大于1英寸的管道，要求消除局部应力，以防止在球形阀中的阀桥臂变形，产生一个椭圆的阀座接合面。

    许多采购人员不愿意购买需要在现场焊接，然后消除局部应力的阀门，宁愿购买在制造厂焊好的带一段碳钢管的阀门。

    上述实践也强烈地推荐用于安装铬钼钢的管道。这是用炉子退火消除阀体与接管或异径管组合件的应力（全部是铬钼钢）。然后加工阀体，为使上阀盖垫片和阀座接合面是真正对准中心。

    在防腐蚀的场合使用，包有衬里的阀体（阀体对衬聚四氟乙烯或其他的弹性材料），必须特别注意保证保护阀体的连接端面和保护管道的连接端面，用装入适当的垫片来组装。这种培育填是受到限制的，也是很重要的，即螺栓的坚固不过份地挤压衬垫。这是配管设计人员的责任。现场管道管件工长应当给予适当的指导。

地震力引起的执行机构和上阀盖变形  阀门的技术规定，尤其是对于火力发电装置和核动力装置，要求阀门执行机构辅助设备单元在它的三个主要轴线方向上能经受得住地震冲击荷载，并且仍然处于操作状态。荷载随着阀门在装置中的标高而变化，在有些情况下甚至可高达重力的3倍。3倍重力的实际荷载输入到阀体，可能构成比阀门执行机构高得多的力，这取决于一个阀是否支撑良好。只要组合件的计算频率不低于33周/秒，则静态分析是适用的，如果存在着低频，可以规定进行实际测试和动态操作，因为应变是非常大的。

    地震力地震力改变上阀盖法兰的弯曲应力，并使连接螺栓变形，设计人员有时需要增加这部分的尺寸。执行机构的重量和支撑，包括辅助设备的定位，可能限制了执行机构的选型。

    在地震期间控制的暂时失调在振动发生后可以迅速地恢复到正常的操作条件。从电动阀位开关指示出已出现过故障，对于长颈执行机构，现场的实践经验是用紧固件把执行机构牢固地支撑在适当的主管道上。

物体的震动例如在装置时可能产生剧烈的震动，可以要求所有的阀门执行机构的支架和支撑都用韧性材料制成，以防止发生故障。震动也可能*性地移动仪表的给定值，安装的仪表往往会松动，影响了控制调整。当发生疑问时，规定进行震动试验，但必须准备花费较高的费用。已经关闭的和压力加载的大多数的阀门结构在震动时仍然是严密的，没有压力漏损。部分地打开阀门可能暂时地改变阀芯的位置，但是一般都不能能很快恢复。阀门本身是很牢固的，如果发生故障，通常是在执行机构或仪表安装方面。

3、压力条件

压力的周期性变化引起零件的疲劳和控制** 大幅度的快速压力波动将使上阀盖的连接螺栓和垫片疲劳。在这种情况下应把附加压力周期性变化莫测下所期望的阀门使用寿命通知制造厂。在管线的端头上使用，蝶阀的轴、球阀的支轴和阀体的连接处受到影响，控制作用可能是不稳定的。

控制高压双缸或三缸往复泵的出口压力时，阀门的上阀盖双头螺栓可能产生疲劳。脉动试验业已表明，一个合适的刚性上阀盖结构和抗张应力达45000磅/英寸²的合金钢连接螺栓可以得到满意的长寿命。在现场维修重新连接时，应当使用力矩扳手，使所有的双头螺栓的负荷达到均匀。在阀杆上可以安装一个压力减震器（液压式）来稳定不规则的脉动和管线压力波动。

在泵和阀门之间的管线上安装一个减震缓冲器（如图1中所示）是非常有交益的。可以用改变空气压力负荷和用手动阀节流液体的输入及排出来调整。否则高压脉冲可能很快地穿过控制压力的部分打开的调节阀，几乎成了不能控制的死系统。

过大压差的危险性 压差通常对球形阀的影响较小，但从阀芯的下部向上流动的球形阀除外，其压差可以克服执行机构的推力，并在动力源发生故障时引起阀门打开。这种情况的**事故应当估计到。流向从阀芯的上面向下流动的推力使非平衡式球形阀的阀芯与阀座的接触更紧密，阀座操作可能发生在极为狭窄的阀座接合面上，假如阀座是软的材料可能产一塑性变形；如果是用硬功夫的或脆性材料制成的，则可能碎裂。相反地，若需要在动力源发生故障时阀门是关闭的，执行机构可能没有足够的功率来打开阀门。

通过蝶阀的压差过大可能导致阀杆弯曲。或者压力超过阀杆的剪力而突然断裂。球阀通常密封更为严密，虽然浮动球的结构形式或能操作下游侧的阀座，支轴式结构可能出现轴承损坏或支轴弯曲。旋塞阀能够承受过大的压差荷载，很少损坏或泄漏，但是增加了操作转矩。

管线压力过大的异常影响 球形阀的阀杆推力可能使一个推力小的执行机构关闭阀门受到阻碍，或者在节流式阀门中使阀芯大范围地打开，产生过大的下游侧流量。隔膜阀的隔膜可能破裂，使流体能够流到下游侧去。在这些情况下，用金属上阀盖来防止主要的外部泄漏。

阀体在破裂之前往往能够承受住额定压力的几倍的压力。管道一般首先破裂。但是在管道破裂之前，上阀盖的双头螺栓通常产生变形，上阀盖的法兰旋转，使上阀盖泄漏，在极端的情况下把垫片吹出来。

压力密封的上阀盖，利用一块软金属的三角形密封垫，可以用于危险的放热工艺过程中，口径为6英寸或更大的阀门。这种连接方式在极高的压力下仍然保持严密，一直到阀体破裂之前，上阀盖产生变形，然后整个上阀盖破损。在这类工艺过程中通常安装带爆破板的**阀，以防止上述事故。压力密封的上阀盖好在ANSI900磅压力等级的阀门上开始运用，较低的ANSI压力等级在连接湎上不能提供足够的推力来有效地密封。