标题多级降压高压差调节阀设计

    1 概述

      多级降压高压差调节阀用于精确控制高温、高压、高压差以及含有固体颗粒流体的流量和压力。该阀综合了普通式、多孔式和迷宫式低噪音调节阀的优点，能防止液体空化产生汽蚀，减小了高速流体对阀内件的冲刷，降低噪音。

      2 结构和工作原理

      多级降压高压差调节阀按阀芯结构可分为平衡型和不平衡型2种。

      图1为不平衡型阀芯结构。由于阀芯受不平衡力作用，因此克服高压差时需要较大的执行机构输出力。该阀内件为金属刚性结构，单个流体通道的流通截面积较大，且多级阀芯每个台阶处的刃口与套筒上的窗口在阀关闭时有剪切作用，故适合于对高温流体及含有固体颗粒或结晶体介质的控制。

      图2为平衡型阀芯结构。多级阀芯上开有平衡孔，利用平衡密封环阻止平衡孔内流体外漏。阀芯上下受均压作用，阀芯动作时只需克服平衡密封环及填料等处的摩擦力，因此配较小的执行机构就能承受很高的压差。

　　阀门工作时（图3），流体沿平行于多级阀芯及套筒轴线方向向上流动，通过多级阀芯的台阶及平均排列在套筒上的矩形窗口多级节流，使高压降沿阀芯轴线方向平均分布，有效控制了流体的速度，从而起到降低噪音和防止液体空化的作用。极大地提高了阀门在苛刻工况条件下的使用寿命。

　　3 性能分析

      多级降压高压差调节阀的公称压力为ANSI600Lb、900Lb、1500Lb和2500Lb，其流量特性如图4所示。在阀行程的0～12%之间，流量近似为0，而后流量直线上升，为标准直线特性。这是考虑到阀门在启闭和小流量开度时，高压差全部集中在阀芯和阀座的密封面上，高速流体会对密封面造成严重冲刷，甚至产生空化气蚀。为了保护阀内件不受损坏，提高阀门的使用寿命，特设计12%以下的行程为空行程（图5），即阀芯和阀座开启行程低于12%时，套筒上的窗口并未打开，当行程大于12%时，套筒窗口才开始降压节流，对流体进行精确平稳地控制。

　　4 材料选择

　　材料选择主要考虑到强度、接触硬度和热膨胀系数，阀内件应抗冲刷，耐腐蚀，并防止在高温高压下变形和咬死（表1）。阀体宜采用锻件，粗加工后必须经过超声波探伤检验。阀门填料可使用碳纤维聚四氟乙烯编织填料或带金属网填充柔性石墨等高强度填料。为防止高压流体经填料函外泄，故填料必须压得很紧，这就加大了填料与阀杆的摩擦力，结果会导致阀杆磨损，并且填料还可能会对阀杆表面造成点状侵蚀。所以阀杆表面必须进行硬化处理，以提高阀杆的寿命。

　　5 设计及CV计算

　　多级降压高压差调节阀流向采用底进侧出，通过多级阀芯和套筒来控制液体的压力和流量。由于液体为不可压缩性流体，因此设计多级阀芯和套筒窗口时，要求各级流道的流通截面积相等。

      设A₁为阀芯台阶环形流通截面积（mm²），A₂为套筒窗口径向流通总截面积（mm²），A₃为套筒窗口轴向流通总截面积（mm2），S为阀行程（mm），参见图3和图5。则

A₂=2W（L-E）

A₃=4Wt

由于A₁=A₂=A₃，则

t=S·δ

L=2（S·δ）+E

      套筒窗口上方4-Φh孔只起流通作用，而不作节流用。为不影响套筒的流通能力，4-Φh孔的总流通截面积A3≥1.5A1。

      套筒流通能力C_VC为

      阀座流通能力C_Vb为

      阀的总流通能力C_V为

      式中 k——套筒流通系数
              r——阀座半径，mm
              K——阀总流通系数，可取31　　

      多级降压高压差调节阀也可用于气体、蒸汽及气液两相流的场合。由于气体是可压缩性流体，压力降低时体积急剧膨胀，因此进行流道设计时要将套筒窗口流通截面a、b、c、d（图3）按一定的系数逐级放大。

　　6 强度校验

　　强度校验主要是阀杆（图6）的挠曲强度计算以及套筒的压应力校验。

　　阀杆挠曲强度计算包括阀杆柔度λ和材料柔度λ_p，及阀杆临界载荷P_er和许用载荷P_A等。

      当λ≥λp时，采用欧拉公式

      式中 μ——压杆长度系数，取μ=1
           E——材料弹性模量，MPa
           δp——材料比例极限强度，MPa
           A——阀杆横截面积，mm^{2
             _{N——安全系数，取1.6}}

　　若阀杆的许用载荷P_A不能满足设计要求，可通过更换材料提高强度。比如SUS316的屈服极限σs=205MPa，而17-4PH/沉淀硬化处理后其屈服极限σs=863MPa。如果阀杆材料一定，而许用载荷PA不能满足设计要求，则可以把阀杆设计成阶梯轴（图6b）。阀杆结构尺寸L₁应尽量短，以保证阀门行程为准。L₂尽量设计长，这样有利于提高阀杆的刚度。

      套筒的压应力校验（图7）为

      式中σ——套筒承受的压应力，MPa
      N_max——套筒承受的最大轴向压力，N

    σs——材料的屈服极限，MPa
 

　　7 结语

　　多级降压高压差调节阀设计结构独特，控制效果好，使用寿命长，性能价格比高。该阀主要应用于电站、石油、化工和化肥等行业。