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                              石油化工自动控制阀选型

                               上海申弘阀门有限公司

之前介绍化工装置调节阀故障维护，现在介绍石油化工自动控制阀选型在石油化工企业的自动控制系统中，调节阀选择得合适与否，直接影响控制系统的调节品质。在选择调节阀时，要重视阀的口径计算，还要对阀型和其它方面的选择予以重视。若调节阀选择不当，将使系统不能正常工作，或使阀门很快损坏，甚至造成生产事故。在化工生产和自动控制领域中，一个工艺控制过程是否能满足各项工艺控制指标，控制过程是否平稳；超调量、衰减比是否在规定的范畴之内；是否稳、快、准，除了工艺设计合理，设备先进外，重要的一点就是控制阀是否能根据工艺参数变化而准确动作。控制阀是终端控制元件，在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术比较薄弱的环节，因此如何选择安全、适用、可靠、经济的控制阀，满足工艺调节要求，提高控制水平，是自控设计人员、生产厂家和用户zui为关注的问题。本文主要介绍控制阀的一般选型原则、步骤，并突破严酷工况下硬密封控制阀的顽症，目的是为用户提供较为适用的选型手段。
1石油化工自动控制阀选型 控制阀结构形式的选
控制阀一般由执行机构和阀门组成。控制阀的产品类型很多，结构也多种多样，选择时应综合考虑调节功能、泄漏等级及切断压差、耐压及耐温、冲蚀、汽蚀、腐蚀、使用生命周期、维护及备件、性能价格比。上海申弘阀门有限公司主营阀门有：ag亚博网站-ag亚博国际,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀建议选择顺序：单（双）座（globe）控制阀、笼式单（双）座（cage）控制阀、偏心旋转阀、蝶阀、角阀、球阀（v.o）、三通阀、特殊控制阀等。详见表1。

注：“√”表示*选择；“○”表示可用选择；“╳”表示较差选择
针对高压、高压差工况，控制阀阀体应选用锻钢件，控制阀应选用带多级套筒式、多级阀芯式、多级叠板式等防空化组件。
阀门的泄露等级应根据ansib16。14标准进行选择，绝大多数金属密封控制阀的泄漏等级是四级（ansiclassiv），更严格的泄漏等级是六级（ansiclassvi）可采用软阀座形式。对于温度较高，不能使用软阀座的场合，可采用五级（ansiclassv）泄漏标准。
前言 
调节阀是自动化仪表控制系统中的执行器，其应用质量反映在系统中的调节品质上，调节阀应用的好坏，即应用质量与三个方面有关：（1） 系统设计人员的正确选型；（2） 生产厂家的合格产品质量 （3） 用户的正确安装、使用、维护。 
在石油化工生产装置中调节阀的选型与使用主要从以下问题着手：（1）口径计算。（2）校核关闭时的△p。（3）校核可调比r。（4）确定弹簧范围，涉及弹簧范围、启始工作压力、输出力、稳定性、调整等。（5）材质与结构。 

一、调节阀的常见种类及特点 
石油化工厂中常见的调节阀主要分为直行程调节阀和角行程调节阀。直行程调节阀有直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀等，角行程调节阀有蝶阀、球阀、偏心旋转阀等，作为调节阀的使用与安装维护人员，必须弄清楚基型产品的特点、使用注意事项、各类变型产品。 
（1）直通单座调节阀：该阀具有泄漏小、许用压差小、流路复杂、结构简单的特点，适用于泄漏要求严、工作压差小的干净介质场合，但小规格的阀（如dn15、20、25）亦可用于压差较大的场合，是应用zui广泛的阀之一。 
（2）直通双座调节阀：与单座阀相反，具有泄漏大、许用压差大的特点，适用于泄漏要求不严、工作压差大的干净介质场合，是应用的阀之一。 
（3）套筒阀：套筒阀具有单密封、双密封两种结构，前者相当于单座阀，后者相当于双座阀，适用于双座阀场合，除此之外，套筒阀还具有稳定性好、装卸方便的特点，但价格比单双座阀贵50%～200%，还需要专门的缠绕密封垫。是仅次于单、双座阀应用较为广泛的阀。 
（4）角形阀：节流型式相当于单座阀，但阀体流路简单，适用于泄漏要求小、压差不大的不干净介质场合以及要求直角配管的场合。 
（5）三通阀：具有3个通道，可代替两个直通单座阀用于分流和合流及两相流温度差成≤150℃的场合，当dn<80mm，仪表工程应用的设计工作。 
（6）隔膜阀：隔膜阀流路简单，隔膜具有一定的耐蚀性能，适用于不干净介质和弱腐蚀性介质的两位切断场合。 
（7）蝶阀：相当于取一段直管来做阀体，且阀体又相当于阀座，自洁性能好、体积小、重量轻，适用于不干净介质和大口径、大流量、低压差的场合。当dn>300mm时，通常采用蝶阀。 
（8）球阀：“o”形球阀全开时为无阻调节，自洁性能*，适用于特别不干净、含纤维介质的两位切断场合。“v”形球阀具有近似等百分比的调节特性，适用于不干净、含纤维介质可调比较大的调节场合。 
（9）偏心旋转阀：该阀介于蝶阀和球阀之间，自洁性能好，调节性能好，亦可切断，适用于不干净介质和泄漏要求小的调节场合。 

二、调节阀选型注意事项 
（1）调节阀类型的选择 
主要是根据现场介质的特点、控制要求、安装环境等因素结合调节阀本身的流量特性和结构而进行选择。在我们实际使用中，应用zui多的是普通单座调节阀、双座调节阀、套筒调节阀、蝶阀等。一般来讲，在流量小、压差小、要求泄漏量小的场合，选择结构简单、装配方便的单座调节阀即可满足生产需要，而且经济实惠；在流量大、压差大、泄漏量要求不严格的场合，应优先考虑双座调节阀；套筒调节阀zui适宜用在压差大、振动大、高温高粘度、含颗粒结构的介质场合；蝶阀适宜用于低压、大流量的压力、流量调节；隔膜阀适用于强腐蚀性、粘度高、带纤维的介质，但不是高温、高压的场合；角形阀的阀体受流体的冲击小，阀体内不易接污，对粘度高、有悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且角形阀的稳定性较好。 

（2）调节阀材质的选择 
调节阀材质的选择主要是指两个方面：（1）阀体、阀盖材质的选择，阀体耐压等级、使用温度和耐腐蚀性能等方面不低于工艺连接管道的要求，并应优先选用制造厂定型产品，遇有水蒸汽或含水较差的湿气体和易燃易爆介质，或当坏境温度低于-30℃时，不宜选用铸铁阀。（2）阀内组件（阀杆、阀芯、阀座）材质的选择，非腐蚀性介质一般选用1cr18ni9ti或其它不锈钢，而在汽蚀、冲蚀较为严重的情况下，以及在介质温度与压差构成的直角坐标中。温度为300℃，压差为1.5mpa的两点连线以外的区域，应选用耐磨材料，如钻基合金或表面堆焊史泰莱合金。阀体、阀盖相当于压力容器，因此要求其必须能承受介质的温度、压力和腐蚀，而阀内组件主要起节流作用，对它的基本要求是耐腐蚀、耐冲刷，这是调节阀材质选择的出发点。 
选择调节阀的材质必须把握两个大的原则：（1）要保证安全可靠，也就是根据工艺特性，选择诸如耐高温、耐低温、耐高压、耐汽蚀以及耐腐蚀的材质；（2）在满足使用要求的前提下，还要考虑其性能、使用寿命和经济性。 
在满足使用的必要功能前提下，所选阀应尽量简单、可靠价廉、寿命长、维修方便，备件有来源。需考虑的主要因素如下：（1）zui基本的条件是应该满足工艺的压力、流量、温度的要求。（2）阀的密封性、可靠性、经济性。（3）阀的工作压差小于阀的许用压差。（4）对通过阀内不洁介质，易结垢介质，强腐蚀介质的考虑。（5）对阀动作速度，阀流量特性，作用方式，流向的考虑。（6）对执行机构形式、输出力、刚度及弹簧范围的考虑。（7）对附件及其成套性及特殊阀之特殊性能及要求的考虑。 

2 控制阀口径的选择
根据初步的工艺条件和参数确定了控制阀的结构和类型后，一项主要的工作就是计算确定控制阀的流量系数。英制单位的流量系数cv是指在每平方英寸1磅的压力降下，每分钟流过阀门6of（15.6℃）水的加仑数。单位的流量系数kv是指在0.1mpa压力降下，每小时流过阀门5～40℃水的立方米数。
二者之间的关系：cv=1.16kv
国内生产厂计算流量系数通常采用cv，cv是表示控制阀容量大小、结构及流路形式对流通能力的影响等综合因素的固有参数，它与控制阀的形式及口径有直接的，因此控制阀口径的选定，实际上就是根据工艺条件确定控制阀阀体类型，进行流量系数的计算，使按此流量系数选定的控制阀口径，能保证工艺对象要求的流量，同时控制阀的行程又能在合适的范围。
cv值的计算有相应的专业计算软件，根据计算的cv值和已确定的阀体类型，就可以从生产厂家获取相应系列的控制阀选型资料，从对应的产品标准系列中选取额定流量系数不小于并接近于此cv的一个数值，作为zui终选定的流量系数c100，与此c100相对应的控制阀口径，即为zui终选择的控制阀口径。
3 执行机构的选择
为使控制阀正常工作，所选执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度的密封和阀门的开启。执行机构类型有三种，即气动执行机构（直行程用薄膜执行机构，弹簧复位的单气缸及双气缸采用气缸执行机构）；电动执行机构（包括马达驱动阀mov）；液动执行机构。可根据输出力、调节速度、线性度、滞后性、灵敏度、故障位置、尺寸与重量来选择。通常选择气动执行机构，在没有气源的场合选择电动执行机构。
控制阀的执行机构弹簧压力范围建议综合考虑选择60～180kpa（通常20～100kpa，40～200kpa两种），弹簧硬，控制阀的稳定性好；弹簧软，输出力大。
4 阀体材质选择
选择合适的阀体材料能延长阀门的使用寿命。选择材料一般应根据工艺介质的温度、压力、腐蚀性、冲刷、气蚀等几个方面来确定，同时还要考虑其经济性。一般工况下选择碳钢或不锈钢材料；在腐蚀场合必须选择特殊合金材料，如：mo2nel、hasloyb，c、ti、双向钢等；对于严重冲刷的场合，采用阀内件硬化处理或硬度较高材料有利于延长阀门的使用寿命，如：17～4ph、slited
等。阀体的材质应在使用介质、耐压等级、使用温度范围、耐腐蚀等方面进行选择，其原则是不应低于工艺管道材质的要求，优先在控制阀定型产品中选取。
5 阀芯材质选择
控制阀的阀芯一般都由316不锈钢材料制造，具体阀芯材料的选择还要考虑阀芯硬化处理；抗腐蚀性；抗冲刷性；抗磨损性；高温高压等严酷工况。
（1）严酷工况指高压降、高流速、深冷或高温、强噪音、冲刷、气蚀、闪蒸。严酷工况会损坏控制阀，往往使其不能正常工作，如高压差对密封面产生严重的冲蚀，影响寿命；深冷或高温使阀产生严重的热胀冷缩，造成严重堵卡，影响密封。因此选择控制阀时要特别重视严酷工况使用条件下的阀门，一般采用外硬内软阀芯表面超硬化处理，解决了冲蚀、堵卡等问题，提高密封面寿命。
（2）当流进控制阀的液体压力降到低于入口温度下液体的饱和蒸气压时，往往会发生气蚀现象。当压力为p1的流体流过控制阀经过截流孔时，流速急剧增加，同时流体静压力骤然下降，当节流孔后压力pvc达到或低于该流体的饱和蒸气压pv时，部分液体就会气化成为气体产生大量气泡，形成气液两相共存的现象，这种现象称为空化。当离开节流孔后压力又逐渐上升，当上升至高于阀门出口压力p2时气泡破裂并产生液体，这个过程为空化作用。若p2小于pv则称为闪蒸。空化作用发生时，气体液化，气泡破裂释放出巨大能量，对阀内件产生严重的破坏作用，同时产生噪音或震动。气蚀、闪蒸产生的后果也是如此，对控制阀内件及管道产生很大的破坏作用，导致阀门故障。
对于气蚀、空化、闪蒸工况，通常采用分级降压、多级减压的特殊阀内件或采用经硬化处理的阀内件来保护控制阀。
（3）控制阀噪音主要来自液体动力学噪音和气体动力学噪音。液体学噪音是当液体流过阀时产生空化现象，气泡破裂而产生巨大噪音。噪音频率约在15～10000hz很宽范围。气体动力学噪音包括气体和水蒸气产生的噪音。
由于计算比较复杂繁琐，许多用户或设计单位都由制造厂负责设计计算，噪音应符合我国环保要求，详见表2。

一般噪音上限均不能大于105db。气体动力学噪音一般解决方法是在阀后安装消音格子板（lo～db极度），气体通过它时使气体流速减低，但是这种高质合金钢并经过加硬处理的消音器价格十分昂贵。噪音的控制通过分级降压、多级减压的方式来实现。有效地控制介质的流速，是避免产生高噪音的主要手段。
6 控制阀的填料选择
控制阀的填料装于上阀盖填料室内，其作用是防止因阀杆移动而阀内介质向外泄漏。zui常用的填料是聚四氟乙烯填料，它具有摩擦系数小，密封性能好和耐腐蚀性能好的优点，但耐温差，寿命较短，不能用于熔融状碱金属、高温的氟化氯和含有氟元素的介质。同时柔性石墨填料也是一种新型填料，它具有密封性、自润滑性好，耐腐蚀、耐高温（-200℃～600℃）和温度变化影响较小等特点。但对阀杆摩擦力大，通常要使用定位器才能很好工作。旋转型控制阀、高温控制阀均采用柔性o型石墨填料。

三、调节阀安装注意事项 
（1）宜垂直、正立安装在水平管道上，公称通径dn>50mm的调节阀，其阀前后管道上有*性支架。 
（2）调节阀配管应组合紧凑，上、下部分应留有足够的空间，必要时应设置平台，便于操作、维修和排液，配管通径尽量与阀通径一致。连接形式应符合制造厂产品说明书的规定。 
（3）调节阀用于高粘度、易结晶、易汽化以及低温流体时，应采取保温和防冻措施。使用环境温度一般不高于60℃，不低于-30℃，未安装阀门定位器的调节阀，当阀安装在有振动场合时，应考虑防振措施。 
（4）未安装阀门定位器的调节阀，膜头上安装指示控制信号的小型压力表。 
（5）安装前应先对阀检查校验，并在管道吹扫后安装。用于悬浮物、高粘度介质时，应配冲洗管线。 
（6）入口管段长度应尽量长，对于小通径阀门，应大于10倍管道通径，调节阀出口直管段应有3～5倍管道通径。调节阀进出口取压点位置，阀前为2倍管道通径处，阀后为3倍管道通径处。 
（7）对小流量调节阀前应安装过滤装置。 
（8）务必按流动方向箭头安装，安装时应避免过大的应力。环境尘埃较多时，应采取保护阀杆的措施，避免磨损或卡死。

控制阀的附件选择
控制阀的附件主要有阀门定位器、电磁阀、手轮机构、空气过滤减压器、阀位变送器和行程开关等。
（1）阀门定位器是控制阀的主要辅助仪表，可分为气动阀门定位器和电气阀门定位器。
阀门定位器能够提高执行机构输出力，可使阀门的供气速度快、阀的动作速度加快。在使用现场总线的场所采用数字阀门定位器，除上述功能外，带pid控制功能、现场总线诊断功能、阀门特性曲线记录功能。
（2）电磁阀选用时主要考虑用几个位置、几个通道；电源电压、是否防爆；线圈通电后使控制阀关闭还是打开等。
（3）根据工艺要求确定是否选择手轮机构。
（4）空气过滤减压器是常用的辅助仪表，选择时注意它的输出压力、流量。
（5）行程开关应优先选用接近开关（无触点）。
（6）根据需要选择阀位变送器、空气贮罐、继动器、止回阀、自锁阀、阀位限制器等。 

结束语 
调节阀是化工生产过程自动控制系统中的节流操作元件，正确选择和安装调节阀，直接关系到调节阀在自控系统中的作用。调节阀安装在工艺管道上，直接与操作介质接触，正确的选择和使用调节阀，直接关系到整个自动控制系统的控制质量，直接影响生产产品的质量。因此，正确合理的选择、安装调节阀就是显得尤为重要。 控制阀的选择是非常细致的工作，不仅要有扎实的专业理论知识，还要有丰富实践经验。控制阀的选择要在实践的过程中不断总结和创新，特别随着机电一体化技术、计算机和数字信息技术的应用，控制阀的结构功能变得更好、更全面，为选择控制阀提供了极大的方便。上述控制阀选型的原则，可作为化工装置一般工况用控制阀选择的指导。与本文相关的产品有：固定比例式减压阀在稳健医疗应用