自力式調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用與發(fā)展

周晶 惠政

（1.中石化上海工程有限公司，上海 200120；2. 蘇州諾華科技有限公司，蘇州 215537）

機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8218—1999執(zhí)行器術(shù)語中對(duì)自力式調(diào)節(jié)閥的定義是，“無需外加動(dòng)力源，只依靠被控流體的能量自行操作并保持被控變量恒定的閥”。目前自力式調(diào)節(jié)閥已有大量的實(shí)際應(yīng)用，有些醫(yī)藥工廠應(yīng)用高達(dá)700～800臺(tái)。由于關(guān)于自力式調(diào)節(jié)閥性能指標(biāo)、適用場(chǎng)合、制造要求的綜合論述文獻(xiàn)較少，本文根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用情況予以論述。

1 自力式調(diào)節(jié)閥的基本分類及原理[1, 6]

自力式調(diào)節(jié)閥是一種無需外來能源驅(qū)動(dòng)的調(diào)節(jié)閥，依靠被調(diào)介質(zhì)本身的壓力、溫度、流量變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的節(jié)能儀表。它是一類把測(cè)量、控制和執(zhí)行功能合為一體，利用被控對(duì)象本身能量帶動(dòng)其動(dòng)作的調(diào)節(jié)閥。

自力式調(diào)節(jié)閥按照用途區(qū)分，可分為壓力、差壓、溫度和流量控制閥；按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)形式區(qū)分，可分為薄膜式和活塞式；按照閥座形式區(qū)分，可分為單座、雙座和套筒式。自力式調(diào)節(jié)閥又分為直接作用式和指揮器作用式兩種。

直接作用式自力式調(diào)節(jié)閥利用過程本身的壓力或壓差驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，然后驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。早期產(chǎn)品的調(diào)節(jié)精確度一般為±8%～±10%。近年來，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，可以提高到±5%以內(nèi)。帶指揮器的自力式調(diào)節(jié)閥，可大幅提高調(diào)節(jié)精度。特別是大口徑，大流量的應(yīng)用場(chǎng)合多為帶指揮器的自力式調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品。

1.1 自力式壓力、差壓和流量調(diào)節(jié)閥

自力式壓力調(diào)節(jié)閥根據(jù)取壓點(diǎn)位置分閥前和閥后兩類，取壓點(diǎn)在閥前時(shí)，用于調(diào)節(jié)閥前壓力恒定；取壓點(diǎn)在閥后時(shí)，用于調(diào)節(jié)閥后壓力恒定。對(duì)于高溫介質(zhì)如蒸汽，可采用冷凝器降低介質(zhì)溫度，以保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜片，避免膜片受高溫?fù)p壞。取壓方式有閥門本體取壓和管道取壓之分，選用時(shí)視實(shí)際工況而定。圖1是帶冷凝器管道取壓的自力式壓力調(diào)節(jié)閥示意圖。

圖2是自力式差壓調(diào)節(jié)閥。圖中，“流量設(shè)定調(diào)整”用于調(diào)節(jié)流阻?！霸O(shè)定調(diào)整”用于改變彈簧的初始預(yù)緊力，調(diào)節(jié)差壓的設(shè)定值。圖中的差壓是用兩個(gè)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力的比較來實(shí)現(xiàn)的，也可只用一個(gè)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)將閥前和閥后壓力同時(shí)引入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室兩側(cè)時(shí)，自力式差壓調(diào)節(jié)閥可以控制調(diào)節(jié)閥兩端的壓差恒定。

自力式流量調(diào)節(jié)閥工作原理與其相類似，也可將安裝在管道上孔板兩端的壓差引入薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室兩側(cè)，組成自力式流量控制回路，或用其他差壓流量測(cè)量方式通過自力式差壓調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)流量控制。

1.2 自力式溫度調(diào)節(jié)閥

自力式溫度調(diào)節(jié)閥的溫度信號(hào)來自溫包，當(dāng)溫度變化時(shí)，溫包內(nèi)的填充介質(zhì)膨脹所產(chǎn)生的壓力也發(fā)生變化，該壓力信號(hào)作為控制信號(hào)，使自力式溫度調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。圖3是自力式溫度調(diào)節(jié)閥的示意圖。

1.3 帶指揮器的自力式調(diào)節(jié)閥

帶指揮器的自力式調(diào)節(jié)閥除執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分外與直接作用自力式調(diào)節(jié)閥相同，其設(shè)定信號(hào)由指揮器的設(shè)定彈簧設(shè)置。圖3是帶指揮器的自力式壓力調(diào)節(jié)閥原理圖，用于閥后壓力控制。如果閥后壓力升高，表示膜頭①下面的壓力高于上面壓力，閥芯③上移，調(diào)節(jié)閥的流通面積減小，使閥后壓力下降。同時(shí)，作用在指揮器膜片④的壓力也升高，其作用力大于由設(shè)定彈簧⑤提供的作用力，使指揮器組件⑥移動(dòng)，擋板⑦靠近噴嘴⑧，指揮器輸出壓力隨之減小，即在膜頭①上面壓力減小，使閥芯③上移，直到閥后壓力與設(shè)定彈簧的作用力平衡為止。針閥②用于調(diào)節(jié)放大系數(shù)，過濾器⑨用于過濾介質(zhì)中的顆粒雜質(zhì)，防止噴嘴被堵塞。

2 自力式調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)及主要技術(shù)性能

自力式調(diào)節(jié)閥不需要任何外加能源，它利用被控流體自身能量而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)，具備一般控制回路所包含的檢測(cè)、變送、設(shè)定、調(diào)節(jié)、執(zhí)行等功能。綜合近年來各種資料[2-5]，現(xiàn)將常用的單座自力式調(diào)節(jié)閥的性能列于表1。

表1 單座自力式調(diào)節(jié)閥主要性能

圖1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥

3 自力式調(diào)節(jié)閥的典型應(yīng)用

由于自力式調(diào)節(jié)閥安裝簡(jiǎn)單，無須能源，調(diào)校維護(hù)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)取得了很好的綜合效益。某大型制藥廠已有大量的自力式調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用，氮封系統(tǒng)，廢氣排放系統(tǒng)（呼吸閥）和壓縮空氣減壓系統(tǒng)采用了自力式壓力調(diào)節(jié)閥，換熱冷卻系統(tǒng)采用了自力式溫度調(diào)節(jié)閥。具體實(shí)際應(yīng)用情況如下：

3.1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥應(yīng)用情況

3.1.1 主要工藝應(yīng)用

（1）常壓下罐頂?shù)臋C(jī)械式呼吸閥，并可滿足GMP要求。

（2）微壓氮封控制，在需要進(jìn)行惰化反應(yīng)的設(shè)備需要保持微正壓的情況下，應(yīng)用于進(jìn)氣和排氣。

（3）壓縮空氣減壓，對(duì)進(jìn)車間的壓縮空氣進(jìn)行多級(jí)減壓。

圖2 自力式差壓調(diào)節(jié)閥

圖3 帶指揮器自力式調(diào)節(jié)閥

圖4 自力式溫度調(diào)節(jié)閥

3.1.2 檢修維護(hù)措施

每?jī)赡陮?duì)閥門進(jìn)行一次功能測(cè)試，對(duì)閥門前端打壓，測(cè)量后端輸出。

針對(duì)進(jìn)氣場(chǎng)合，在閥門前端提供高于設(shè)定值的恒定氣源，測(cè)量后端壓力，如有偏差進(jìn)行彈簧調(diào)整。

針對(duì)排氣場(chǎng)合，通過進(jìn)口打壓，看進(jìn)口壓力是否恒定在設(shè)定值，如有偏差進(jìn)行彈簧調(diào)整。

對(duì)于物料比較容易堵塞的閥門，每年進(jìn)行一次拆解調(diào)壓。對(duì)閥體進(jìn)行拆解清洗，再重新調(diào)壓。

3.1.3 投用情況

在裝置運(yùn)行比較穩(wěn)定時(shí)，每年檢測(cè)需要更換和維修的比較少。一般情況下，膜片破壞概率小于1%，容易被發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)故障以后進(jìn)行膜片更換。膜片破損的主要原因是由于工藝超壓超溫所致（主要為超溫）。根據(jù)具體工況特性選擇耐高溫、耐低溫的膜片，或者通過加冷凝器的方式可以避免介質(zhì)溫度超限導(dǎo)致的故障。對(duì)于壓縮空氣等常溫和較為潔凈的氣體，極少出現(xiàn)問題，只要保證常規(guī)的年度功能測(cè)試即可。

3.2 自力式溫度調(diào)節(jié)閥應(yīng)用情況

3.2.1 主要工藝應(yīng)用

（1）用于換熱器出口溫度控制的溫度自力式調(diào)節(jié)閥(內(nèi)部溫感點(diǎn))。

（2）用于換熱器出口溫度控制的溫度自力式調(diào)節(jié)閥(毛細(xì)管外部溫感點(diǎn))。

3.2.2 發(fā)生的應(yīng)用問題

（1）閥芯卡死；

（2）閥門打不開；

（3）溫包毛細(xì)管破裂；

（4）執(zhí)行器卡死；

（5）執(zhí)行器內(nèi)部出現(xiàn)冷凝水后生銹；

（6）執(zhí)行器頂桿收縮后不彈出；

（7）閥門內(nèi)漏大。

3.2.3 檢修維護(hù)措施

（1）在沒有做相關(guān)的年度檢查之前，故障概率比較大。增加了年度檢查后，相對(duì)概率降低。年度檢查內(nèi)容為：檢查調(diào)節(jié)功能是否正常，手動(dòng)調(diào)整溫度，看調(diào)節(jié)閥是否有相應(yīng)動(dòng)作；檢查毛細(xì)管是否有泄漏。

（2）因采用發(fā)泡劑進(jìn)行保溫，導(dǎo)致發(fā)泡劑進(jìn)入閥門，使閥門卡死。更改保溫方式后，該問題得到解決。

（3）因碳鋼彈簧生銹導(dǎo)致執(zhí)行器卡死的現(xiàn)象。將彈簧換為不銹鋼材質(zhì)后，問題得以解決。

（4）對(duì)于投用較少的管線，因自力式閥門長(zhǎng)期不工作導(dǎo)致一些部件卡死。經(jīng)針對(duì)這些閥門進(jìn)行定期檢查調(diào)校，大大降低了故障概率。

4 提高閥內(nèi)件質(zhì)量是優(yōu)化自力式調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵

由于大型制藥廠對(duì)成品質(zhì)量控制極嚴(yán)，但成品產(chǎn)量和批量并不大，所以工藝的管道較小，而且高溫、高壓的工藝情況不多。這種情況下，采用自力式調(diào)節(jié)閥不但節(jié)省能源，還可省去儀表氣源及信號(hào)配管、配線等設(shè)計(jì)和施工費(fèi)用。實(shí)際上，自力式調(diào)節(jié)閥如果能達(dá)到高調(diào)節(jié)精度、機(jī)械加工精良、產(chǎn)品質(zhì)量過硬等要求，便可適用于更廣泛的場(chǎng)合。自力式調(diào)節(jié)閥作為一種機(jī)械產(chǎn)品，近年來，國內(nèi)制造廠優(yōu)化自力式調(diào)節(jié)閥創(chuàng)新設(shè)計(jì)走出了可喜的一步，在提高自力式調(diào)節(jié)閥的性能和閥內(nèi)件內(nèi)在質(zhì)量方面，已接近和達(dá)到國際先進(jìn)水平。下面以上海某自力式調(diào)節(jié)閥制造廠的產(chǎn)品為例，著重介紹這類閥門的一些優(yōu)化設(shè)計(jì)：

4.1 無支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

如果閥桿的同軸度比較低，可導(dǎo)致閥桿因不同心引起的閥桿卡澀，從而使摩擦力增大。此摩擦力會(huì)對(duì)設(shè)定壓力產(chǎn)生偏差，嚴(yán)重的甚至?xí)归y桿表面拉毛導(dǎo)致密封失效和造成介質(zhì)向外泄漏。通常的結(jié)構(gòu)是采用帶支架的設(shè)計(jì)，如圖5所示。這種設(shè)計(jì)對(duì)同軸度的要求很高，一旦略有偏差，很容易造成閥桿卡澀。

優(yōu)化后設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示，它采用無支架設(shè)計(jì)，因此，只要彈簧兩端面平行，就可保證不發(fā)生閥桿偏斜。

4.2 無磨擦填料及力平衡閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)

眾所周知，自力式調(diào)節(jié)閥按力平衡原理設(shè)計(jì)，被控流體的介質(zhì)壓力對(duì)閥芯不平衡力越小越好，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)明顯改善自力式調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性。采用無磨擦填料及力平衡閥芯的自力式調(diào)節(jié)閥，其顯著的效果是靈敏度獲得了提高，被控對(duì)象與設(shè)定值的偏差減小。

4.3 精密氣動(dòng)元件的微差壓自力式調(diào)節(jié)閥

微差壓自力式調(diào)節(jié)閥在工業(yè)爐、氫冷發(fā)電機(jī)組、空分裝置、化學(xué)品、油品儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。微壓差對(duì)大型油、液體儲(chǔ)罐為重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，壓差越小對(duì)密封薄壁儲(chǔ)罐受壓強(qiáng)度越安全。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，指揮器采用精密氣動(dòng)元件—噴嘴擋板、主腔采用敏感檢測(cè)元件和系統(tǒng)多級(jí)降壓后，將原來的自力式調(diào)節(jié)閥最小微壓差0.5 kPa（50 mmH2O水柱壓力）向下延伸一個(gè)等級(jí)，即最小微壓差達(dá)到0.1 kPa（10 mmH2O水柱壓力），是目前國內(nèi)、外壓差最小的微壓自力式調(diào)節(jié)閥。其外形如圖7所示。

4.4 無切削精密熔模鑄造技術(shù)

近年來，閥內(nèi)件的毛坯加工工藝先進(jìn)，采用先進(jìn)的少切削或無切削精密熔模鑄造技術(shù)、加工件經(jīng)T5熱處理（固溶處理加不完全人工時(shí)效）、表面噴丸，使材料的加工余量和材料機(jī)械特性得到保證。

圖5 有支架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖6 無支架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖7 微壓差自力式調(diào)節(jié)閥外形圖

閥內(nèi)件機(jī)械加工采用加工中心精密機(jī)床，閥內(nèi)件加工尺寸偏差可做到0公差，自力式調(diào)節(jié)閥總裝無需修配，零部件互換性和一次性成品合格率達(dá)100%。圖8為產(chǎn)品零部件和整機(jī)實(shí)物照片。

圖8 自力式調(diào)節(jié)閥的閥體和閥內(nèi)件

5 自力式調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精確度

每一臺(tái)自力式調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)偏差，在機(jī)械加工成型后都是固定的，但調(diào)節(jié)精度目前為止并沒有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方式。有部分自力式調(diào)節(jié)閥制造廠會(huì)采用固定的壓力調(diào)節(jié)偏差與調(diào)節(jié)壓力設(shè)定值的百分比作為調(diào)節(jié)精度。JB/T 11049行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，中壓型自力式調(diào)節(jié)閥的壓力P設(shè)定范圍為600 kPa(P1)＜P≤1 600 kPa(P2)，其調(diào)節(jié)范圍的比為1：2.67。假如有某臺(tái)中壓型自力式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)偏差為80 kPa，當(dāng)壓力設(shè)定P=1 600 kPa，那么調(diào)節(jié)精度就為80÷1 600×100%=5%；當(dāng)壓力設(shè)定P=600 kPa時(shí)，那么調(diào)節(jié)精度就為80÷600×100%=13.3%；兩者調(diào)節(jié)精度相差2.67倍。

一般來說，在合理的流量范圍內(nèi)，自力式調(diào)節(jié)閥的壓力設(shè)定值，設(shè)定在彈簧壓力范圍的高壓端處比設(shè)定在低壓端處的調(diào)節(jié)精度要高。

鑒于目前調(diào)節(jié)精度并沒有規(guī)范或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來做明確的定義，故此處調(diào)節(jié)精度的觀點(diǎn)，希望大家一起予以討論。

6 結(jié)束語

自力式調(diào)節(jié)閥最大的特點(diǎn)是可在無電、無氣的場(chǎng)所工作，無需配備氣源管線和電纜，既方便又節(jié)約了能源，在合適的場(chǎng)合選用是一種性價(jià)比非常高的選擇。目前，很多自力式調(diào)節(jié)閥的制造廠商，在機(jī)械加工、材料等方面做出了極大的努力，希望通過改進(jìn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量和控制精度來達(dá)到更好的控制效果和更高的可靠性，以期進(jìn)一步達(dá)到擴(kuò)大自力式調(diào)節(jié)閥應(yīng)用范圍的目的。相信，在適當(dāng)?shù)墓r下選擇使用自力式調(diào)節(jié)閥，可為用戶節(jié)約可觀的投資成本和維修費(fèi)用。

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