標題多級降壓高壓差調節閥設計

    1 概述

      多級降壓高壓差調節閥用于精確控制高溫、高壓、高壓差以及含有固體顆粒流體的流量和壓力。該閥綜合了普通式、多孔式和迷宮式低噪音調節閥的優點，能防止液體空化產生汽蝕，減小了高速流體對閥內件的沖刷，降低噪音。

      2 結構和工作原理

      多級降壓高壓差調節閥按閥芯結構可分為平衡型和不平衡型2種。

      圖1為不平衡型閥芯結構。由于閥芯受不平衡力作用，因此克服高壓差時需要較大的執行機構輸出力。該閥內件為金屬剛性結構，單個流體通道的流通截面積較大，且多級閥芯每個臺階處的刃口與套筒上的窗口在閥關閉時有剪切作用，故適合于對高溫流體及含有固體顆�；蚪Y晶體介質的控制。

      圖2為平衡型閥芯結構。多級閥芯上開有平衡孔，利用平衡密封環阻止平衡孔內流體外漏。閥芯上下受均壓作用，閥芯動作時只需克服平衡密封環及填料等處的摩擦力，因此配較小的執行機構就能承受很高的壓差。

　　閥門工作時（圖3），流體沿平行于多級閥芯及套筒軸線方向向上流動，通過多級閥芯的臺階及平均排列在套筒上的矩形窗口多級節流，使高壓降沿閥芯軸線方向平均分布，有效控制了流體的速度，從而起到降低噪音和防止液體空化的作用。極大地提高了閥門在苛刻工況條件下的使用壽命。

　　3 性能分析

      多級降壓高壓差調節閥的公稱壓力為ANSI600Lb、900Lb、1500Lb和2500Lb，其流量特性如圖4所示。在閥行程的0～12%之間，流量近似為0，而后流量直線上升，為標準直線特性。這是考慮到閥門在啟閉和小流量開度時，高壓差全部集中在閥芯和閥座的密封面上，高速流體會對密封面造成嚴重沖刷，甚至產生空化氣蝕。為了保護閥內件不受損壞，提高閥門的使用壽命，特設計12%以下的行程為空行程（圖5），即閥芯和閥座開啟行程低于12%時，套筒上的窗口并未打開，當行程大于12%時，套筒窗口才開始降壓節流，對流體進行精確平穩地控制。

　　4 材料選擇

　　材料選擇主要考慮到強度、接觸硬度和熱膨脹系數，閥內件應抗沖刷，耐腐蝕，并防止在高溫高壓下變形和咬死（表1）。閥體宜采用鍛件，粗加工后必須經過超聲波探傷檢驗。閥門填料可使用碳纖維聚四氟乙烯編織填料或帶金屬網填充柔性石墨等高強度填料。為防止高壓流體經填料函外泄，故填料必須壓得很緊，這就加大了填料與閥桿的摩擦力，結果會導致閥桿磨損，并且填料還可能會對閥桿表面造成點狀侵蝕。所以閥桿表面必須進行硬化處理，以提高閥桿的壽命。

　　5 設計及CV計算

　　多級降壓高壓差調節閥流向采用底進側出，通過多級閥芯和套筒來控制液體的壓力和流量。由于液體為不可壓縮性流體，因此設計多級閥芯和套筒窗口時，要求各級流道的流通截面積相等。

      設A₁為閥芯臺階環形流通截面積（mm²），A₂為套筒窗口徑向流通總截面積（mm²），A₃為套筒窗口軸向流通總截面積（mm2），S為閥行程（mm），參見圖3和圖5。則

A₂=2W（L-E）

A₃=4Wt

由于A₁=A₂=A₃，則

t=S·δ

L=2（S·δ）+E

      套筒窗口上方4-Φh孔只起流通作用，而不作節流用。為不影響套筒的流通能力，4-Φh孔的總流通截面積A3≥1.5A1。

      套筒流通能力C_VC為

      閥座流通能力C_Vb為

      閥的總流通能力C_V為

      式中 k——套筒流通系數
              r——閥座半徑，mm
              K——閥總流通系數，可取31　　

      多級降壓高壓差調節閥也可用于氣體、蒸汽及氣液兩相流的場合。由于氣體是可壓縮性流體，壓力降低時體積急劇膨脹，因此進行流道設計時要將套筒窗口流通截面a、b、c、d（圖3）按一定的系數逐級放大。

　　6 強度校驗

　　強度校驗主要是閥桿（圖6）的撓曲強度計算以及套筒的壓應力校驗。

　　閥桿撓曲強度計算包括閥桿柔度λ和材料柔度λ_p，及閥桿臨界載荷P_er和許用載荷P_A等。

      當λ≥λp時，采用歐拉公式

      式中 μ——壓桿長度系數，取μ=1
           E——材料彈性模量，MPa
           δp——材料比例極限強度，MPa
           A——閥桿橫截面積，mm^{2
             _{N——安全系數，取1.6}}

　　若閥桿的許用載荷P_A不能滿足設計要求，可通過更換材料提高強度。比如SUS316的屈服極限σs=205MPa，而17-4PH/沉淀硬化處理后其屈服極限σs=863MPa。如果閥桿材料一定，而許用載荷PA不能滿足設計要求，則可以把閥桿設計成階梯軸（圖6b）。閥桿結構尺寸L₁應盡量短，以保證閥門行程為準。L₂盡量設計長，這樣有利于提高閥桿的剛度。

      套筒的壓應力校驗（圖7）為

      式中σ——套筒承受的壓應力，MPa
      N_max——套筒承受的最大軸向壓力，N

    σs——材料的屈服極限，MPa
 

　　7 結語

　　多級降壓高壓差調節閥設計結構獨特，控制效果好，使用壽命長，性能價格比高。該閥主要應用于電站、石油、化工和化肥等行業。