調節閥的配備條件

概述  本章的目的是請用戶注意到， 在配備一臺調節閥時，甚至在試圖選擇體的閥門類型之前就應該考慮的許多因素，并且一旦了解這些因素后，就要使不同的閥門類型與對它們應用場合、有關的性能和價格起來。

*步  當配備一臺調節閥時，*步是收集匯集總所有與使用條件、周圍環境有關的資料。這些資料不僅包括正常的操作工況，而且也包括開車和異常操作期間的惡劣工況。管道內流體作用在閥門上的力、管道本身、地震沖擊以及閥門和它的執行機構周圍的異常的環境也必須包括進去。還必須考慮工廠或現場輔助技工的技術水平和政策。

    所有這些因素如果考慮得不周密，經常會導致所安裝的調節閥在開車期間不能發揮應有的功能，或者由于異常的磨損或機械破裂而遭受*性的損壞。

    用于正常操作的調節閥規格要求已在第2章中詳細地列出了，而且與閥體、執行機構、閥門定位器、變送器或調節器、使用條件及閥門附件有關。

    美儀表學會有一種規格表的格式（s20.6），它有助于用戶和制造廠雙方了解注意的條件及閥門的規格。這將足以滿足大部分的閥門應用，因為不正常工況可能不是很嚴重的。然而直到不正常工況及可能隨之產生的一些情況的推斷應作簡要的說明。

    客觀地列舉這些異常工況及影響，是啟發用戶仔細地考慮閥門的一些應用問題。把閥門當做工整個系統的一部分來考慮，并把系統對閥門的作用以及閥門對系統作用的影響也考慮進去。然后就可以著手選擇一臺合適的閥門，使其滿足Z大多數的操作要求。下述各項是以簡要的形式介紹的，提供給讀者一個可能需要作深入研究的資料清單。

1、主要因素

系統設計  系統的功能是控制流體的流量，它可以用下述幾種方法來完成：（1）變速泵；（2）恒定轉速的可變容積式正位移泵；（3）調節閥；（4）其他方法。變速泵流量控制裝置是用于大流量情況，包括需要能量很大的泵，借以節省泵的功率消耗。計量型變容積式天上正位移泵經常用于嚴格地控制某*體，這種流體是以給定的容積在某一段時間里加到系統中去的，或者與大量的已計量容積的其他流體相混合。調節閥是這三種方法中Z簡單的一種，而且所用的設備Z少。調節閥的Z簡單的形式可能是自力式的流量和壓力調節器，在本手冊中所要進行討論的閥門是接受從某些其他的測量裝置來的控制信號。調節閥有Z大的靈活性，即可以控制的低流量的范圍較大，從一個到另一個的流量變化快，比前述的兩種裝置快得多。與其他的兩種控制方法比相對地，而且和它們一樣，也是用一個獨立的能源來操作執行機構。 前兩種系統是把能量投入流體，使它按要求的數量來移動物流，而調節閥從較能量物流中消耗能量，產生所要求的控制作用。調節閥把部分流動能量轉換成為流體內部摩擦，因而導致溫度升及閥門出口的壓力降低。

    在規劃控制系統時，*步是決定流量控制裝置的形式，哪一種形式Z能滿足你的需要，假如需要一臺調節閥，進一步閱讀本手冊。

為什么需要斷源保安作用的調節閥？  斷源保安作用的定義為：假定輸入到閥門執行機構的動力源發生故障時，閥門處于開或關的位置。研究一下系統，并決定于你想要閥門保留打開的位置、連續流動和釋放壓力，而保持Z大的流量呢？還是必須關閉閥門，防止流體散失或者防止過度的流動。有些系統不需要任何斷源保安作用。另外一些系統可能要求閥門保留在動力源中斷前的節流位置，一直到過程控制可以用手動來處理為止。有很多執行機構的形式可以采用，而薄膜式執行機構是Z常用的一種。空氣壓力用來打開或關閉閥門。與其相反的能源是壓縮彈簧，它提供彈力移動閥門，使執行機構在氣源壓力發生故障時閥門處于安全的位置，斷源保安作用必須是*協調的一整套輔助控制，例如在調節系統中的調節器、閥門定位器及轉換器。換句話說，失去氣源或失去氣動信號在整個系統中必須起*相同的作用。

    另一個必須考慮的因素是作用在閥門芯桿組合件上流體力的影響，以及與以彈簧推力形式出現的執行機構動力之間的關系。流向為自下而上的球形閥，其閥芯承受從管線壓力來的打開推力。對于一個用彈簧關閉的斷源保安閥門來說，執行機構的彈簧必須有足夠的力來克服流體向上的推力。當流過閥芯的流向是自上而下時，產生的這些推力往往有助于維持閥芯在關閉的位置。如果閥門必須在動力源故障時打開，那么，斷源保安作用的執行機構的彈簧力必須能夠克服施加在關閉的閥芯上的壓差荷載。對斷源關閉的系統，必須記住的第二點是在調節閥和閥前任何一個切斷閥之間的液體是被封閉住的，在易遭受溫升的長管線上必須裝設壓力釋放裝置。

    大多數旋轉式閥門，作用在閥芯、球或閥板上的流體流動力往往有助于關閉閥門。一旦閥芯處于關閉的位置，它通常是和流體流動力平衡的。蝶閥和支軸式整體球閥沒有問題。扇形的旋轉閥芯或球閥需要特殊考慮，在球或閥芯后面的流體將迫使它朝閥座方向移動，而且比流體對著閥芯的另一側的情況要求有更大的打開力矩。這一點對安裝在旋轉式閥門上的彈簧式斷源保安作用的執行機構必須加以考慮。仔細地審查你的系統，并確定在Z大輸入流量和壓力下將會發生什么情況?在對動力源故障起安全保險作用時，要求你的閥門是全關還是全開?

口徑計算是根本  在選擇調節閥時，Z主要考慮之一是閥門既不要過大，也不能太小，能夠適應控制任務的要求。閥門尺寸過大會影響控制度，而尺寸過小時，如果沒有極的壓降，供應過程就不可能獲得Z大流量，和可能受噪音，磨損及氣蝕的影響。調節閥、泵和管線應當同時確定其尺寸，以防止安全系數的連續疊加，形成一個“過大尺寸"的調節閥。由美儀表學會定義的“流量系數"(cv值)術語是指衡量一個閥門流通能力的方法，而不管閥門的類型和結構。這種簡單的方式僅僅在適中的流量時才是可用的。當把它應用到一個系統中時，閃蒸、氣蝕及空氣動力學噪音必須加以考慮，同時要考慮阻塞氣體流動的條件。所有這些在本手冊的第6章和第7章中已充分的敘述過了。中心思想是在正常的操作條件下，所設計的閥門開度應約為全開流通能力的 65～75％。如果這樣設計的話，它能夠使你操作你的系統在更的流通能力或者在入口壓力雖然稍微有些下降時維持流通能力。閥門也是處在Z理想的操作范圍內，以滿足按一個給定的流量特性來控制流量，你選定的一種流量特性是為了和你的系統相匹配。

必須規定適當的流量特性  在確定過程的正常流量之后，必須對所有的操作條件包括開車的情況來確定Z大和Z小流量。需要控制Z大流量和Z小流量的地方，應當和制造廠商量，以便他們推薦一種能夠滿足處理全部條件的調節閥。標準閥門結構在流量控制的低范圍和范圍都有一定的局限性。低于閥門額定cv值的10％時，其流量特性的偏差可能是非常大的。于閥門額定cv值的90％時，cv變化率隨著單位行程的增加而降低。特別質量的閥門設計可以提供克服球形閥應用中的這些缺陷。旋轉式閥門在這些非常低的和的流量范圍中出現更為困難的問題。但是在某些情況下用改變設計參數的辦法，可以使其在這些范圍中的應用獲得改善。

    在大口徑的閥門中，極低的流量控制度只能達到和執行機構定位閥芯一樣的準確度。時常要求閥門定位器給出合乎需要的性能，消除在這些范圍內引起不穩定流動的變差。

    閥門制造廠的應用工程師能夠協助用戶來確定閥門的固有可調范圍與實際安裝的閥門調節范圍和可調范圍：

    在正常、Z大和Z小流量已經確定之后，從而就決定了可調范圍．下一步就要嚴格地測試本身，以便看它的特性是什么或者必須是什么？大多數過程的流量范圍可能在平均流量的25～200%范圍內變化。正常壓力變化為±10%，范圍為平均值的±25%。這種分析的目的是為了得到調節閥所必須有的特性選擇。所需要的閥門是快開、線性或等百分比特性？如果閥門特性的選擇是正確的，和過程的特性是匹配的，則整個系統的控制性能將證明是滿意的。第5章中包含有助于完成特性選擇的實用導則。

所要求的調節品質必須估算  這不僅與滿足使用要求的閥門型式選擇有關，而且也和為了滿足期望的質量愿意付出的費用有關。

    大多數閥門掛＊廠都出售若干相同功能相同的閥門系列以及不同型號的閥門。他們能夠闡述各種系列和型式與另一種的性能奴隸制，以便用戶作出與使用要求匹配的Z經濟的選擇。

    一個典型的實例出現在一個系列的閥門性能在其范圍的一端是與較質量的薪墜落系列相重疊時。

遵照規范的規定  各種各樣的規范規定或限制閥門材料的使用、設計規則、制造以質量保證程序。因而，用戶和制造廠都必須闡明對調節閥的應用和環境的要求所能適用的標準規范是什么。許多規范是既適用于閥門制造又適用于應用程序的。必須記住，要合理地向制造廠提出關于工廠類型或現場安裝和所在區域的一般位置的建議。制造廠必須了解工廠和過程的操作和裝備所處的工業類別。

    大多數調節閥是遵照美家標準協會（ansi）的規范的要求；對于法蘭連接的閥門用(ansi b16.5)規范，連接端焊接的閥門用ansi b16.34規范。此外，美機械工程式師學會（anme）的鍋爐和壓力容器規范第ⅶ部分第1和2篇和核工程使用的第ⅲ部分經常與ansi b31規范一起規定用于某些蒸汽透平的調節閥。閥體組合件通常在環境溫度下按1.5倍的冷工作壓力等級進行檢驗。

    石油產品使用的調節閥必須按照美石油學會（api）標準的規定，因為嚴重超壓的可能性更大。在這種情況下，通用的做法是在環境溫度下，按2倍的正常額定工作壓力進行試驗。api頒布的個別的標準是供油品、管道和油品煉制使用的。

    管道規范asme b31.1分成：（1）動力配管；（2）局部加熱和冷凍；（3）農村范圍以外的輸油管線；（4）煉油廠內部的油管；（5）在農村范圍內的氣體管線系統；（6）集中居民區以外的輸氣管線。對于一個給定的相圍材料的管道壁厚，每一類管線都有不同的Z操作溫度和壓力。這就影響了制造廠焊接到閥體上的接絕不能閥體上的接管和異徑管的形式。

    供核工程使用的asme第ⅲ部分是用來做為承壓零件如閥體、上閥蓋和連接螺栓的材料和許用應力的規定，閥芯也包括在這種類型中。設計規則、批準的材質、應力等級和質量保證要求是按照閥門在系統中的功能的重要性，根據一個閥門的應用情況而分成不同的等級，如核工程的1、2或3級。用戶或者蒼的設計工程師的職責就是在設計技術規定、規范批準的材料中應用的等級。

    用戶的設計技術規定必須形成文件，由一個通核動力工廠設計的有執照的專職工程師來審批。美儀表學會的調節閥規格表可以包括給出基本數據的來源。一旦同意采用asme第ⅲ部分核動力規范，并可能制造，則任何一方的所有變更都必須經過認可、審批和形成文件。

2．管道的作用力

    管道作用在閥門上的力作用在閥體和閥門連接端上的彎曲力矩、壓縮力和張力是由于冷開車、操作和停車時溫度和壓力的顯著變化所產生的。

    口徑和管線尺寸相同的閥門一般不會發生問題的，除非出現了嚴重的情況，因為ansi b16．5和ansi b16．34規范對于法蘭連接和端面焊接的閥門規定了足夠的閥體壁厚，使閥體的強度大于管道的強度。

    無法蘭式閥門由制造廠限制其尺寸和壓力等級，以便提供適當的裝配件強度和保持墊片的嚴密性。

    當安裝口徑小于管道尺寸的閥體時，特別是當閥體的尺寸小于管道尺寸一檔以上時應當給予考慮。用戶必須估計需要安裝管道的固定點，使閥體與過量的力隔開。

與使用條件配合的閥門動作所產生的管道作用力

    (1)下游測管道的應力

    閥門的快速打開，其閥體由蒸汽疏水器排凈，以便在閥門關閉的時候保持管線的操作溫度，結果使閥后的下游管線產生突然的熱應力。在大多數情況下，閥體的熱應力是很小的。經常操作和重復發生熱松脫作用可能引起連接螺栓蠕變，并減小了墊片的密封性。在的情況下可能需要連續地預熱或冷卻。通過閥體的橋臂，球或蝶閥的閥盤傳熱，對閥的下游側部分只產生很小的影響。

    (2)閥體的排凈不

    當閥體的Z低部分不能夠排凈，冷凝下來的液體可能積存于上游側和(或)下游側的管道中。速的氣體或蒸汽Z終可能把集聚的液體以足夠的速度推進， 使管道和某些型式的閥門損壞。管線應該適當地裝設汽水分離器和排凈口，甚至在水平管線安裝的孔板，在其下部聚集的液體也會折斷旋轉式閥門的閥芯，這是早已知道了的事情。

    (3)閥門快速打開

    在壓差下，大口徑的閥門迅速地打開會引起產生一個強大的管線反作用力，結果可能使管道移動、振動和管線固定點的松動。蒸汽排泄閥返回到收集器放空管的出口噴嘴，其壽命很短是*的。管道必須可＊地固定。幾個閥門平行地打開會使總管損壞。

    (4)閥門迅速關閉

    用于液體的閥門迅速關閉會引起水錘作用，可能集聚相當大的管線壓力，會使鑄鐵閥門和管件破裂，鋼法蘭脫焊及墊片脫落。在氣動控制設備上裝一個導向小孔，并在快開式閥芯上的起始的15％行程中附加一個節流柱塞頭，使閥門的關閉時間減緩，并可以大大地減小水錘作用。

    (5)能場合使用

    用于能場合的調節閥，應當考慮由于輔助設備如執行機構的連桿、彈簧或動力源可能發生故障而選定合適的截流方式。大多數的旋轉式閥門是被流體流動的動力關閉的，如果讓其任意地旋轉，迅速地關閉帶來了嚴重的管線震動。

    (6)大流量

    大流量伴隨著壓降的閥門經常產生閃蒸和氣蝕，這就引起了下游側管線的嚴重振動。在這種情況下，盡可能保持很短的下游側管段，立即進入一個大容器，盡可能在管線上少裝彎頭。

    （7）隔膜式閥門

    隔膜閥、夾緊式閥門和套管式閥門都不能是在關閉時把流體擠進管線中。它們和切斷閥不能安裝在管線的不流動端上使用。無論是閥門發生故障而關閉，還是執行機構的動力源充足，都將損壞膜片。

    閥門的端部連接必須和配管設計相配合閥門上的端部連接方式通常是由配管設計工程師，他們了解可能作用在閥體上的管道作用力，所以他們也應當知道由于閥門動作在管道上所產生的力。

    在選擇連接方式的同時也要考慮強度要求，以保持在整個操作條件下所希望的墊片密封壓緊應力和墊片密封的嚴密性，如有關毒性、在真空情況下使用的允許產品污染程度、火災危險和人為燃燒危險。磨損和隙間腐蝕也可能是用來確定閥門端部連接方式選擇的因素。

    例如，美家腐蝕工程師協會（nace）的技術規定150關于壓濃度的硫化氫使用的法蘭，要求是和閥體整體鑄造或鍛造的。隙間腐蝕是不允許的。口徑等于和小于2英寸的閥門，端部連接不允許采用承插焊。應當采用對焊連接。焊接端部的和鉬鋼閥門往往焊到碳鋼管道上。這種閥體是規定供溫使用，以防止在閃蒸場合的磨損。焊接和鉬鋼或任何管壁厚度大于1英寸的管道，要求消除局部應力，以防止在球形閥中的閥橋臂變形，產生一個橢圓的閥座接合面。

    許多采購人員不愿意購買需要在現場焊接，然后消除局部應力的閥門，寧愿購買在制造廠焊的帶一段碳鋼管的閥門。

    上述實踐也強烈地推薦用于安裝鉻鉬鋼的管道。這是用爐子退火消除閥體與接管或異徑管組合件的應力（全部是鉻鉬鋼）。然后加工閥體，為使上閥蓋墊片和閥座接合面是真正對準中心。

    在防腐蝕的場合使用，包有襯里的閥體（閥體對襯聚四氟乙烯或其他的彈性材料），必須特別注意保證保護閥體的連接端面和保護管道的連接端面，用裝入適當的墊片來組裝。這種培育填是受到限制的，也是很重要的，即螺栓的堅固不過份地擠壓襯墊。這是配管設計人員的責任。現場管道管件工長應當給予適當的指導。

地震力引起的執行機構和上閥蓋變形  閥門的技術規定，尤其是對于火力發電裝置和核動力裝置，要求閥門執行機構輔助設備單元在它的三個主要軸線方向上能經受得住地震沖擊荷載，并且仍然處于操作狀態。荷載隨著閥門在裝置中的標而變化，在有些情況下甚至可達重力的 3倍。3倍重力的實際荷載輸入到閥體，可能構成比閥門執行機構得多的力，這取決于一個閥是否支撐良。只要組合件的計算頻率不低于33周/秒，則靜態分析是適用的，如果存在著低頻，可以規定進行實際測試和動態操作，因為應變是非常大的。

    地震力地震力改變上閥蓋法蘭的彎曲應力，并使連接螺栓變形，設計人員有時需要增加這部分的尺寸。執行機構的重量和支撐，包括輔助設備的定位，可能限制了執行機構的選型。

    在地震期間控制的暫時失調在振動發生后可以迅速地恢復到正常的操作條件。從電動閥位開關指示出已出現過故障，對于長頸執行機構，現場的實踐經驗是用緊固件把執行機構牢固地支撐在適當的主管道上。

物體的震動例如在裝置爆炸時可能產生劇烈的震動，可以要求所有的閥門執行機構的支架和支撐都用韌性材料制成，以防止發生故障。震動也可能*性地移動儀表的給定值，安裝的儀表往往會松動，影響了控制調整。當發生疑問時，規定進行震動試驗，但必須準備花費較的費用。已經關閉的和壓力加載的大多數的閥門結構在震動時仍然是嚴密的，沒有壓力漏損。部分地打開閥門可能暫時地改變閥芯的位置，但是一般都不能能很快恢復。閥門本身是很牢固的，如果發生故障，通常是在執行機構或儀表安裝方面。

3、壓力條件

壓力的周期性變化引起零件的疲勞和控制不良 大幅度的快速壓力波動將使上閥蓋的連接螺栓和墊片疲勞。在這種情況下應把附加壓力周期性變化莫測下所期望的閥門使用壽命通知制造廠。在管線的端頭上使用，蝶閥的軸、球閥的支軸和閥體的連接處受到影響，控制作用可能是不穩定的。

控制壓雙缸或三缸往復泵的出口壓力時，閥門的上閥蓋雙頭螺栓可能產生疲勞。脈動試驗業已表明，一個合適的剛性上閥蓋結構和抗張應力達45000磅/英寸²的合金鋼連接螺栓可以得到滿意的長壽命。在現場維修重新連接時，應當使用力矩扳手，使所有的雙頭螺栓的負荷達到均勻。在閥桿上可以安裝一個壓力減震器（液壓式）來穩定不規則的脈動和管線壓力波動。

在泵和閥門之間的管線上安裝一個減震緩沖器（如圖1中所示）是非常有交益的。可以用改變空氣壓力負荷和用手動閥節流液體的輸入及排出來調整。否則壓脈沖可能很快地穿過控制壓力的部分打開的調節閥，幾乎成了不能控制的死系統。

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過大壓差的危險性 壓差通常對球形閥的影響較小，但從閥芯的下部向上流動的球形閥除外，其壓差可以克服執行機構的推力，并在動力源發生故障時引起閥門打開。這種情況的安全事故應當估計到。流向從閥芯的上面向下流動的推力使非平衡式球形閥的閥芯與閥座的接觸更緊密，閥座操作可能發生在極為狹窄的閥座接合面上，假如閥座是軟的材料可能產一塑性變形；如果是用硬功夫的或脆性材料制成的，則可能碎裂。相反地，若需要在動力源發生故障時閥門是關閉的，執行機構可能沒有足夠的功率來打開閥門。

通過蝶閥的壓差過大可能導致閥桿彎曲。或者壓力超過閥桿的剪力而突然斷裂。球閥通常密封更為嚴密，雖然浮動球的結構形式或能操作下游側的閥座，支軸式結構可能出現軸承損壞或支軸彎曲。旋塞閥能夠承受過大的壓差荷載，很少損壞或泄漏，但是增加了操作轉矩。

管線壓力過大的異常影響 球形閥的閥桿推力可能使一個推力小的執行機構關閉閥門受到阻礙，或者在節流式閥門中使閥芯大范圍地打開，產生過大的下游側流量。隔膜閥的隔膜可能破裂，使流體能夠流到下游側去。在這些情況下，用金屬上閥蓋來防止主要的外部泄漏。

閥體在破裂之前往往能夠承受住額定壓力的幾倍的壓力。管道一般先破裂。但是在管道破裂之前，上閥蓋的雙頭螺栓通常產生變形，上閥蓋的法蘭旋轉，使上閥蓋泄漏，在的情況下把墊片吹出來。

壓力密封的上閥蓋，利用一塊軟金屬的三角形密封墊，可以用于危險的放熱過程中，口徑為6英寸或更大的閥門。這種連接方式在極的壓力下仍然保持嚴密，一直到閥體破裂之前，上閥蓋產生變形，然后整個上閥蓋破損。在這類過程中通常安裝帶爆破板的安全閥，以防止上述事故。壓力密封的上閥蓋在 ansi900磅壓力等級的閥門上開始運用，較低的ansi壓力等級在連接湎上不能提供足夠的推力來有效地密封。