控制阀通径与应用相匹配

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当控制阀设计成符合应用要求时，可以在降低维护成本方面获得很大的好处，特别是在苛刻的应用场合。虽然只有不到10%的控制阀安装在苛刻的应用场合，但应用本文中的信息将确保每个控制阀都经过正确的设计，以满足应用场合的要求。

控制阀被期望在成千上万的安装中精确地维持压力、流量、温度和水平，但通常在尺寸和选择时没有考虑所有要求。例如，安装在某些碳氢化合物加工流程中的控制阀需要承受高压降(1500psi)

• 过程信息;

• 选择和规模标准;

• 建筑材料;而且

• 装饰设计。

处理信息

完整的工艺信息包括正常操作条件以及启动和停机条件。例如，启动条件可能需要缓慢加热含有涂层或特殊合金镶件的阀门，以防止不均匀的热膨胀和机械故障。

通过阀门的材料的物理性质和流体特性的识别包括:

1. 流体类型及其物理性质;

2. 液相(气、液、浆、多相等);

3. 密度(比重、分子量、比重等);

4. 蒸汽压;

5. 粘度;

6. 临界温度和压力;

7. 过热程度或存在闪蒸(阀门上的汽化曲线);

8. 由于污染物(H₂S，氯化物等);

9. 固体的数量和类型(沙子、二氧化硅、催化剂等);

10. 其他已知性质;

11. 阀门的最小、正常和最大进口和出口压力;

12. 阀门的最低、正常和最高工作温度;

13. 每个操作状态的最小、正常和最大流量，包括启动和中断情况;

14. 阀门上的最小、正常和最大工作压降;

15. 关闭时压降;

16. 关闭泄漏要求;

17. 启动条件/程序;

18. 加厚工况进口压力和温度;

19. 进、出口管尺寸及进度表;

20. 最高容许噪音声级及参考点;

21. 安装环境条件;而且

22. 发生或预期的侵蚀类型(磨蚀颗粒、空化、侵蚀-腐蚀或高液体速度冲击)。

控制阀固有的流量特性是快开、线性或等百分比。

选择和分级标准

控制阀制造商正在不断开发新技术，以提供改进的控制，降低噪音，最大限度地减少闪烁和气蚀，延长产品寿命，并降低总体拥有成本。为了获得这些好处，需要允许控制阀制造商根据工艺条件设计解决方案，而不是指定在上一个项目中使用了什么。制造商在选择控制阀和通径时考虑的信息包括:

• 阀体结构(角、双孔、蝶形等);

• 阀体材质(316不锈钢、铬镍铁合金、陶瓷等);

• 端部连接及额定;

• 阀塞式或盘式(快开、线性等);

• 阀芯或阀盘动作(空气开启或关闭);

• 端口大小(满或受限);

• 阀门饰件材料;

• 输入信号故障时所需的动作(打开、关闭或故障到位);

• 流动动作(流动趋向于打开或关闭);

• 输入信号类型(气动、电动等);

• 执行器类型及尺寸;

• 环境要求;

• 包装材料(聚四氟乙烯、石墨等);

• 地区分类;而且

• 所需配件(控制器，限位开关，手轮等)。

当检查所有选项时，很明显为什么需要为每种应用设计控制阀。例如，在腐蚀严重的应用场合使用截止阀通常是不实际的，因为流动路径会发生多次变化。同样，球阀可能不是一个好的选择，因为流动路径可能会产生破坏球的涡流。即使是“设计”用于磨料环境的球阀，由于阀门上的压差较小，阀内件寿命也会受到限制。

大量的应用表明，在严重的腐蚀应用中，使用偏心盘阀可以控制温度和压降小于500psi (34 bar)。在温度较高且压降大于500psi的环境中，掠角阀工作良好。

一些应用要求使用特殊的合金和金属，以承受严酷的服务。这些材料更贵，但最终在阀门的使用寿命中成本更低。

建筑材料

通常用于控制阀的阀体、阀盖和端部连接的材料与用于阀塞和阀座环饰件的材料不同。阀塞和阀座环通常更容易受到侵蚀损坏，因此阀芯部件的材料选择取决于流体温度、速度、腐蚀性、流动颗粒的硬度、撞击角度以及所选材料的可加工性。

控制阀制造商提供的材料范围从常见的低合金钢和304和316型不锈钢到具有K蒙乃尔、铬镍铁合金和Nitronic 50等名称的奇异材料。

覆盖技术的进步已经解决了粘附问题，使碳化钨和陶瓷覆盖成为实际的解决方案。

为了降低成本，特别是对于阀体来说，制造商通常会在较软的材料上覆盖较硬的材料，如铬、碳化钨或合金。例如，当碳化钨的厚度为0.007至0.010英寸时。(0.018至0.025厘米)的高度耐侵蚀的表面产生。

碳化铬覆盖层经常被使用，因为这种材料可以焊接，这样做的结果是一个更柔软的表面使用铸造合金将比覆盖层硬几个洛氏硬度点。

刚刚超过限制的地方是液体最收敛的地方。这被称为收缩静脉。
当收缩静脉的压力下降到液体的蒸汽压以下时，就会产生气泡
形式，可以阻塞流动，并引起闪烁或空化损害。

装饰设计

控制阀的可更换内部部件，包括阀塞或阀瓣、阀杆、阀瓣固定器和阀座环，构成阀内饰件，是决定流量特性的主要部件。

控制阀的流量特性是通过阀门的流量和阀门行程在0到100%阀门开度之间的关系。流量特性通常是快速开口、线性或等百分比(见固有流量特性图和CE1999年2月，第77页)。

快开特性允许大约70%的控制阀的能力，在前40%的行程。快速开启特性在安全阀应用中经常发现。

线性特性提供了与行程成正比的流量。这种比例关系产生一个恒定的斜率，从而产生一个恒定的阀增益和恒定的压降。线性特性通常用于液位和流量控制应用。

相等的比例特性对每等量的行程增量产生相同百分比的流量变化。流量的变化与阀塞、阀瓣或球阀位置变化前的流量成正比。等百分比特性是常见的系统本身吸收很大百分比的压降，如压力控制应用。

选择合适的流量特性需要了解应用程序以及固有特性在实际安装中产生的结果。

在控制阀的选择过程中，固有的和安装的流量特性可能会进入对话。固有流量特性是控制阀文献中所显示的，只有当阀门上的压降保持恒定时才能观察到。安装特性是在阀门使用后获得的，可能与固有特性不同，因为阀门上的压降可能随着阀门开度的变化而变化。

控制阀流量表征对于在预期工作范围内提供相对均匀的控制回路稳定性是必要的。建立与给定系统相匹配的流量特性需要对控制回路进行动态分析;然而，常见的工艺已经进行了分析，并提供了选择最合适的流动特性的指南(请访问www.globalelove.com参阅控制阀指南)。

闪烁和空化是液体流中的两种物理现象，可导致控制阀内部的结构损坏。两者都可以限制通过阀门的流量，并且必须考虑到控制阀的精确通径。

闪烁和空化表示流动介质从液体变为蒸汽的实际变化，是在最大流量限制处(通常是阀口)或其下游流体速度增加造成的。当液体通过限制时，它必须颈部向下。它到达最窄的地方就在实际限制的下游。这个点是缩脉(见静脉收缩图)。当液体通过限制时，速度的增加伴随着收缩静脉压力的大幅下降。随着流体进一步向下游扩展，速度减小，压力增大，但不再恢复到原来的压力。存在于P1(入口)和P2(出口)之间的压差是在阀门中耗散的能量量。高回收阀，如球阀，采用流线型流道，以尽量减少压力损失。当收缩静脉的压力下降到液体的蒸汽压以下时，气泡就形成了。

在这个阶段，闪气和气蚀之间没有区别，但存在阀门结构损坏的可能性。如果阀门出口的压力(P2)仍然低于液体的蒸汽压，气泡就会留在下游系统中，这个过程就被称为“闪流”。“闪光可能会对内饰部件造成严重损坏。”当检查修整部件时，由闪光引起的侵蚀损伤呈现为光滑、抛光的表面。闪光损伤通常在最高速度处最为严重;经常位于或靠近阀门塞和阀座环的阀座线处。

如果下游压力恢复足以使出口压力(P2)高于液体的蒸汽压，气泡就会破裂或内爆产生空化。当蒸汽气泡崩溃时，能量被释放出来，可以听到类似于砾石流过阀门的声音。当气泡在阀门中接近固体表面时，释放的能量会撕裂物质，留下粗糙的、煤渣般的表面。空蚀损伤也可能延伸至下游管道。

除了闪烁或空化造成的物理损伤外，液体中气泡的形成会导致收缩静脉的“拥挤”状况，限制或阻塞通过阀门的流量。一个基本的液体尺寸方程将表明，只要通过阀门的压差增加，通过阀门的流量就没有限制。但是这样一个简单的方程忽略了会产生的阻塞流现象。闪烁和空化引起的阻塞流效应应包括在阀门通径计算中。

对于没有经验的人来说，控制阀的选择似乎是相对简单的，甚至可能被认为是一种商品购买，但有经验的控制阀从业者知道得更好。最好的测量设备和最复杂的控制系统不能弥补一个错误的尺寸和/或错误应用的控制阀。

控制阀通径改善

尺寸控制阀就像许多其他领域的过程控制;经验是不可替代的。那些成功克服了不正确指定、尺寸和/或安装控制阀的考验和磨难的人，会认识到使用工具和常识接近控制阀应用的重要性。

为了辅助工具部分，开发了许多控制阀通径计算方法，包括ISA的(北卡罗来纳州达勒姆)。S75.01和IEC(国际电工委员会，日内瓦，瑞士)新的60534-1控制阀通径标准。

IEC 60534-1比ISA的S75.01标准更复杂，当用于非常粘稠的层流液体控制阀尺寸时，提供了更准确的结果。多年来，有经验的从业人员观察到，S75.01一直导致阀门通径过小和液体和气体在非截止型阀门中的流量定义问题。IEC 60534-1似乎纠正了这个问题。

大多数主要的控制阀制造商都有其产品的尺寸和选择软件。为了使这些程序“用户友好”，许多制造商只要求最少的信息。显然，风险与这种方法有关;用户应谨慎使用。

另一个“注意事项”发生在施胶软件将基本液体施胶方程适用于气体应用时。当压降与入口压力之比超过0.02时，这种方法会产生误导性的结果。

有经验的控制阀从业者能够将常识应用于阀门通径计算结果，并做出有根据的调整和建议。经验不足的用户最好寻求有能力的顾问。

气动执行器的选择

决定使用哪种执行器(气动、电动或液压)并不总是显而易见的。气动执行器是控制阀中最常见的，但如果有疑问，请评估以下几点:

气动执行器通常更简单，成本更低，更容易安装和维护。

由于没有电，因此没有火花电位，在危险分类区域部署气动执行器是一个流行的选择;但是不要忽视许多控制阀都配有电磁阀、限位开关或电子控制器。

气动执行器的简单性使其易于适应故障开启或故障关闭配置。然而，根据气动执行器类型的不同，原地故障配置可能很复杂。

大多数工厂都有空气供应管道贯穿整个工厂，这使得连接一个新的执行器相对容易。

气动执行器有多种风格，包括膜片、齿条和齿轮、透明轭、杠杆和链接、叶片和多转。

膜片执行机构在需要无限定位的球型控制阀上很常见。它们通常包括一个反向弹簧，以提供故障安全措施。

齿轮齿条执行机构使用两个活塞作用于齿条的相对两侧，最适合于四分之一转弯应用。

叶片执行器允许压力被施加到叶片的一侧，而另一侧是通风的，以提供类似于齿轮齿条执行器的动作，但有更少的运动部件。

苏格兰轭执行机构使用气缸和活塞。它们经常用于移动大型球阀或蝶阀，需要很大的扭矩才能将球阀或蝶阀从阀座上移开。

杠杆和连杆执行机构类似于苏格兰轭执行机构，但产生更小的扭矩。

多转驱动器是用于驱动蜗轮或齿轮齿条机构的气动马达。多转驱动器可以产生很大的扭矩，但通常从全开到全关的行程较慢。

电动执行机构

电动阀(MOVs)越来越受欢迎，是因为它们为工厂的流量控制提供了简化。

实际上，任何常规阀门都可以通过应用电动马达执行器转换为MOV;MOVs与工厂自动化系统集成良好。

四分之一转和多转执行机构配置，包括锥齿轮、正齿轮和蜗轮附件，服务于100英寸的小数。(2.5 m)阀门。因此，较小的MOVs正在承担控制阀的职责，而较大的MOVs越来越多地应用于联锁、顺序和中程定位控制方案。

较小的MOVs服务于化工/炼油厂，水，食品/制药和类似应用。较大的动电机通常应用于越来越多的大流量和/或高工艺压力的应用，需要高执行器扭矩，但不需要快速行程时间。大型MOVs分布在管道/终端设施、储罐场、发电厂、水/污水处理和渡槽/配水网络中。

工厂操作员通常喜欢MOVs，因为他们的停机时间和维护时间短，大多数MOVs支持手轮;停电期间的一个不错的好处。

仪器仪表工程师享受MOVs可选的网络通信和控制动作配置。阀门自动化很容易实现，虽然快速响应/高占空比调制(典型的控制阀)通常只适用于小于4英寸的阀门。(10厘米)。

安全工程师欣赏电动执行器经过认证的防爆设计，满足或超过大多数其他工厂电气设备的危险区域任务。他们还喜欢MOVs可以浸泡在阀门坑中，仍然完美无缺。

工艺工程师越来越青睐流动锤击和冷冻温度存在的MOVs。

与大多数设备一样，将微处理器集成到MOVs中可以提供先进的自我诊断、卡死阀保护、更简单的设置、直观的人机界面和多语言功能、提高可用性并降低拥有成本。

Paul Boeckerman，弗吉尼亚州林奇堡的Limitorque

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