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石油化工自動控制閥選型
上海申弘閥門有限公司
之前介紹化工裝置調(diào)節(jié)閥故障維護，現(xiàn)在介紹石油化工自動控制閥選型在石油化工企業(yè)的自動控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇得合適與否，直接影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在選擇調(diào)節(jié)閥時，要重視閥的口徑計算，還要對閥型和其它方面的選擇予以重視。若調(diào)節(jié)閥選擇不當(dāng)，將使系統(tǒng)不能正常工作，或使閥門很快損壞，甚至造成生產(chǎn)事故。在化工生產(chǎn)和自動控制領(lǐng)域中，一個工藝控制過程是否能滿足各項工藝控制指標(biāo)，控制過程是否平穩(wěn)；超調(diào)量、衰減比是否在規(guī)定的范疇之內(nèi)；是否穩(wěn)、快、準(zhǔn)，除了工藝設(shè)計合理，設(shè)備*外，重要的一點就是控制閥是否能根據(jù)工藝參數(shù)變化而準(zhǔn)確動作。控制閥是終端控制元件，在整個控制回路中較為重要但又是長期以來技術(shù)比較薄弱的環(huán)節(jié)，因此如何選擇安全、適用、可靠、經(jīng)濟的控制閥，滿足工藝調(diào)節(jié)要求，提高控制水平，是自控設(shè)計人員、生產(chǎn)廠家和用戶zui為關(guān)注的問題。本文主要介紹控制閥的一般選型原則、步驟，并突破嚴(yán)酷工況下硬密封控制閥的頑癥，目的是為用戶提供較為適用的選型手段。
1石油化工自動控制閥選型 控制閥結(jié)構(gòu)形式的選
控制閥一般由執(zhí)行機構(gòu)和閥門組成。控制閥的產(chǎn)品類型很多，結(jié)構(gòu)也多種多樣，選擇時應(yīng)綜合考慮調(diào)節(jié)功能、泄漏等級及切斷壓差、耐壓及耐溫、沖蝕、汽蝕、腐蝕、使用生命周期、維護及備件、性能價格比。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥建議選擇順序：單（雙）座（Globe）控制閥、籠式單（雙）座（Cage）控制閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、蝶閥、角閥、球閥（V.O）、三通閥、特殊控制閥等。詳見表1。
注：“√”表示*選擇；“○”表示可用選擇；“╳”表示較差選擇
針對高壓、高壓差工況，控制閥閥體應(yīng)選用鍛鋼件，控制閥應(yīng)選用帶多級套筒式、多級閥芯式、多級疊板式等防空化組件。
閥門的泄露等級應(yīng)根據(jù)ANSIB16。14標(biāo)準(zhǔn)進行選擇，絕大多數(shù)金屬密封控制閥的泄漏等級是四級（ANSICLASSIV），更嚴(yán)格的泄漏等級是六級（ANSICLASSVI）可采用軟閥座形式。對于溫度較高，不能使用軟閥座的場合，可采用五級（ANSICLASSV）泄漏標(biāo)準(zhǔn)。
前言
調(diào)節(jié)閥是自動化儀表控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器，其應(yīng)用質(zhì)量反映在系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)品質(zhì)上，調(diào)節(jié)閥應(yīng)用的好壞，即應(yīng)用質(zhì)量與三個方面有關(guān)：（1） 系統(tǒng)設(shè)計人員的正確選型；（2） 生產(chǎn)廠家的合格產(chǎn)品質(zhì)量 （3） 用戶的正確安裝、使用、維護。
在石油化工生產(chǎn)裝置中調(diào)節(jié)閥的選型與使用主要從以下問題著手：（1）口徑計算。（2）校核關(guān)閉時的△P。（3）校核可調(diào)比R。（4）確定彈簧范圍，涉及彈簧范圍、啟始工作壓力、輸出力、穩(wěn)定性、調(diào)整等。（5）材質(zhì)與結(jié)構(gòu)。
一、調(diào)節(jié)閥的常見種類及特點
石油化工廠中常見的調(diào)節(jié)閥主要分為直行程調(diào)節(jié)閥和角行程調(diào)節(jié)閥。直行程調(diào)節(jié)閥有直通單座閥、直通雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥等，角行程調(diào)節(jié)閥有蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等，作為調(diào)節(jié)閥的使用與安裝維護人員，必須弄清楚基型產(chǎn)品的特點、使用注意事項、各類變型產(chǎn)品。
（1）直通單座調(diào)節(jié)閥：該閥具有泄漏小、許用壓差小、流路復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡單的特點，適用于泄漏要求嚴(yán)、工作壓差小的干凈介質(zhì)場合，但小規(guī)格的閥（如DN15、20、25）亦可用于壓差較大的場合，是應(yīng)用zui廣泛的閥之一。
（2）直通雙座調(diào)節(jié)閥：與單座閥相反，具有泄漏大、許用壓差大的特點，適用于泄漏要求不嚴(yán)、工作壓差大的干凈介質(zhì)場合，是應(yīng)用的閥之一。
（3）套筒閥：套筒閥具有單密封、雙密封兩種結(jié)構(gòu)，前者相當(dāng)于單座閥，后者相當(dāng)于雙座閥，適用于雙座閥場合，除此之外，套筒閥還具有穩(wěn)定性好、裝卸方便的特點，但價格比單雙座閥貴50%～200%，還需要專門的纏繞密封墊。是僅次于單、雙座閥應(yīng)用較為廣泛的閥。
（4）角形閥：節(jié)流型式相當(dāng)于單座閥，但閥體流路簡單，適用于泄漏要求小、壓差不大的不干凈介質(zhì)場合以及要求直角配管的場合。
（5）三通閥：具有3個通道，可代替兩個直通單座閥用于分流和合流及兩相流溫度差成≤150℃的場合，當(dāng)DN<80mm，儀表工程應(yīng)用的設(shè)計工作。
（6）隔膜閥：隔膜閥流路簡單，隔膜具有一定的耐蝕性能，適用于不干凈介質(zhì)和弱腐蝕性介質(zhì)的兩位切斷場合。
（7）蝶閥：相當(dāng)于取一段直管來做閥體，且閥體又相當(dāng)于閥座，自潔性能好、體積小、重量輕，適用于不干凈介質(zhì)和大口徑、大流量、低壓差的場合。當(dāng)DN>300mm時，通常采用蝶閥。
（8）球閥：“O”形球閥全開時為無阻調(diào)節(jié)，自潔性能*，適用于特別不干凈、含纖維介質(zhì)的兩位切斷場合。“V”形球閥具有近似等百分比的調(diào)節(jié)特性，適用于不干凈、含纖維介質(zhì)可調(diào)比較大的調(diào)節(jié)場合。
（9）偏心旋轉(zhuǎn)閥：該閥介于蝶閥和球閥之間，自潔性能好，調(diào)節(jié)性能好，亦可切斷，適用于不干凈介質(zhì)和泄漏要求小的調(diào)節(jié)場合。
二、調(diào)節(jié)閥選型注意事項
（1）調(diào)節(jié)閥類型的選擇
主要是根據(jù)現(xiàn)場介質(zhì)的特點、控制要求、安裝環(huán)境等因素結(jié)合調(diào)節(jié)閥本身的流量特性和結(jié)構(gòu)而進行選擇。在我們實際使用中，應(yīng)用zui多的是普通單座調(diào)節(jié)閥、雙座調(diào)節(jié)閥、套筒調(diào)節(jié)閥、蝶閥等。一般來講，在流量小、壓差小、要求泄漏量小的場合，選擇結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便的單座調(diào)節(jié)閥即可滿足生產(chǎn)需要，而且經(jīng)濟實惠；在流量大、壓差大、泄漏量要求不嚴(yán)格的場合，應(yīng)優(yōu)先考慮雙座調(diào)節(jié)閥；套筒調(diào)節(jié)閥zui適宜用在壓差大、振動大、高溫高粘度、含顆粒結(jié)構(gòu)的介質(zhì)場合；蝶閥適宜用于低壓、大流量的壓力、流量調(diào)節(jié)；隔膜閥適用于強腐蝕性、粘度高、帶纖維的介質(zhì)，但不是高溫、高壓的場合；角形閥的閥體受流體的沖擊小，閥體內(nèi)不易接污，對粘度高、有懸浮物和顆粒物的流體尤為適用，并且角形閥的穩(wěn)定性較好。
（2）調(diào)節(jié)閥材質(zhì)的選擇
調(diào)節(jié)閥材質(zhì)的選擇主要是指兩個方面：（1）閥體、閥蓋材質(zhì)的選擇，閥體耐壓等級、使用溫度和耐腐蝕性能等方面不低于工藝連接管道的要求，并應(yīng)優(yōu)先選用制造廠定型產(chǎn)品，遇有水蒸汽或含水較差的濕氣體和易燃易爆介質(zhì)，或當(dāng)壞境溫度低于-30℃時，不宜選用鑄鐵閥。（2）閥內(nèi)組件（閥桿、閥芯、閥座）材質(zhì)的選擇，非腐蝕性介質(zhì)一般選用1Cr18Ni9Ti或其它不銹鋼，而在汽蝕、沖蝕較為嚴(yán)重的情況下，以及在介質(zhì)溫度與壓差構(gòu)成的直角坐標(biāo)中。溫度為300℃，壓差為1.5MPa的兩點連線以外的區(qū)域，應(yīng)選用耐磨材料，如鉆基合金或表面堆焊史泰萊合金。閥體、閥蓋相當(dāng)于壓力容器，因此要求其必須能承受介質(zhì)的溫度、壓力和腐蝕，而閥內(nèi)組件主要起節(jié)流作用，對它的基本要求是耐腐蝕、耐沖刷，這是調(diào)節(jié)閥材質(zhì)選擇的出發(fā)點。
選擇調(diào)節(jié)閥的材質(zhì)必須把握兩個大的原則：（1）要保證安全可靠，也就是根據(jù)工藝特性，選擇諸如耐高溫、耐低溫、耐高壓、耐汽蝕以及耐腐蝕的材質(zhì)；（2）在滿足使用要求的前提下，還要考慮其性能、使用壽命和經(jīng)濟性。
在滿足使用的必要功能前提下，所選閥應(yīng)盡量簡單、可靠價廉、壽命長、維修方便，備件有來源。需考慮的主要因素如下：（1）zui基本的條件是應(yīng)該滿足工藝的壓力、流量、溫度的要求。（2）閥的密封性、可靠性、經(jīng)濟性。（3）閥的工作壓差小于閥的許用壓差。（4）對通過閥內(nèi)不潔介質(zhì)，易結(jié)垢介質(zhì)，強腐蝕介質(zhì)的考慮。（5）對閥動作速度，閥流量特性，作用方式，流向的考慮。（6）對執(zhí)行機構(gòu)形式、輸出力、剛度及彈簧范圍的考慮。（7）對附件及其成套性及特殊閥之特殊性能及要求的考慮。
2 控制閥口徑的選擇
根據(jù)初步的工藝條件和參數(shù)確定了控制閥的結(jié)構(gòu)和類型后，一項主要的工作就是計算確定控制閥的流量系數(shù)。英制單位的流量系數(shù)Cv是指在每平方英寸1磅的壓力降下，每分鐘流過閥門6OF（15.6℃）水的加侖數(shù)。單位的流量系數(shù)Kv是指在0.1MPa壓力降下，每小時流過閥門5～40℃水的立方米數(shù)。
二者之間的關(guān)系：Cv=1.16kV
國內(nèi)生產(chǎn)廠計算流量系數(shù)通常采用Cv，Cv是表示控制閥容量大小、結(jié)構(gòu)及流路形式對流通能力的影響等綜合因素的固有參數(shù)，它與控制閥的形式及口徑有直接的，因此控制閥口徑的選定，實際上就是根據(jù)工藝條件確定控制閥閥體類型，進行流量系數(shù)的計算，使按此流量系數(shù)選定的控制閥口徑，能保證工藝對象要求的流量，同時控制閥的行程又能在合適的范圍。
Cv值的計算有相應(yīng)的專業(yè)計算軟件，根據(jù)計算的Cv值和已確定的閥體類型，就可以從生產(chǎn)廠家獲取相應(yīng)系列的控制閥選型資料，從對應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)系列中選取額定流量系數(shù)不小于并接近于此Cv的一個數(shù)值，作為zui終選定的流量系數(shù)C100，與此C100相對應(yīng)的控制閥口徑，即為zui終選擇的控制閥口徑。
3 執(zhí)行機構(gòu)的選擇
為使控制閥正常工作，所選執(zhí)行機構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度的密封和閥門的開啟。執(zhí)行機構(gòu)類型有三種，即氣動執(zhí)行機構(gòu)（直行程用薄膜執(zhí)行機構(gòu)，彈簧復(fù)位的單氣缸及雙氣缸采用氣缸執(zhí)行機構(gòu)）；電動執(zhí)行機構(gòu)（包括馬達驅(qū)動閥MOV）；液動執(zhí)行機構(gòu)。可根據(jù)輸出力、調(diào)節(jié)速度、線性度、滯后性、靈敏度、故障位置、尺寸與重量來選擇。通常選擇氣動執(zhí)行機構(gòu)，在沒有氣源的場合選擇電動執(zhí)行機構(gòu)。
控制閥的執(zhí)行機構(gòu)彈簧壓力范圍建議綜合考慮選擇60～180kPa（通常20～100kPa，40～200kPa兩種），彈簧硬，控制閥的穩(wěn)定性好；彈簧軟，輸出力大。
4 閥體材質(zhì)選擇
選擇合適的閥體材料能延長閥門的使用壽命。選擇材料一般應(yīng)根據(jù)工藝介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性、沖刷、氣蝕等幾個方面來確定，同時還要考慮其經(jīng)濟性。一般工況下選擇碳鋼或不銹鋼材料；在腐蝕場合必須選擇特殊合金材料，如：Mo2nel、HasloyB，C、Ti、雙向鋼等；對于嚴(yán)重沖刷的場合，采用閥內(nèi)件硬化處理或硬度較高材料有利于延長閥門的使用壽命，如：17～4PH、Slited
等。閥體的材質(zhì)應(yīng)在使用介質(zhì)、耐壓等級、使用溫度范圍、耐腐蝕等方面進行選擇，其原則是不應(yīng)低于工藝管道材質(zhì)的要求，優(yōu)先在控制閥定型產(chǎn)品中選取。
5 閥芯材質(zhì)選擇
控制閥的閥芯一般都由316不銹鋼材料制造，具體閥芯材料的選擇還要考慮閥芯硬化處理；抗腐蝕性；抗沖刷性；抗磨損性；高溫高壓等嚴(yán)酷工況。
（1）嚴(yán)酷工況指高壓降、高流速、深冷或高溫、強噪音、沖刷、氣蝕、閃蒸。嚴(yán)酷工況會損壞控制閥，往往使其不能正常工作，如高壓差對密封面產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕，影響壽命；深冷或高溫使閥產(chǎn)生嚴(yán)重的熱脹冷縮，造成嚴(yán)重堵卡，影響密封。因此選擇控制閥時要特別重視嚴(yán)酷工況使用條件下的閥門，一般采用外硬內(nèi)軟閥芯表面超硬化處理，解決了沖蝕、堵卡等問題，提高密封面壽命。
（2）當(dāng)流進控制閥的液體壓力降到低于入口溫度下液體的飽和蒸氣壓時，往往會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)壓力為P1的流體流過控制閥經(jīng)過截流孔時，流速急劇增加，同時流體靜壓力驟然下降，當(dāng)節(jié)流孔后壓力Pvc達到或低于該流體的飽和蒸氣壓Pv時，部分液體就會氣化成為氣體產(chǎn)生大量氣泡，形成氣液兩相共存的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為空化。當(dāng)離開節(jié)流孔后壓力又逐漸上升，當(dāng)上升至高于閥門出口壓力P2時氣泡破裂并產(chǎn)生液體，這個過程為空化作用。若P2小于Pv則稱為閃蒸。空化作用發(fā)生時，氣體液化，氣泡破裂釋放出巨大能量，對閥內(nèi)件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用，同時產(chǎn)生噪音或震動。氣蝕、閃蒸產(chǎn)生的后果也是如此，對控制閥內(nèi)件及管道產(chǎn)生很大的破壞作用，導(dǎo)致閥門故障。
對于氣蝕、空化、閃蒸工況，通常采用分級降壓、多級減壓的特殊閥內(nèi)件或采用經(jīng)硬化處理的閥內(nèi)件來保護控制閥。
（3）控制閥噪音主要來自液體動力學(xué)噪音和氣體動力學(xué)噪音。液體學(xué)噪音是當(dāng)液體流過閥時產(chǎn)生空化現(xiàn)象，氣泡破裂而產(chǎn)生巨大噪音。噪音頻率約在15～10000Hz很寬范圍。氣體動力學(xué)噪音包括氣體和水蒸氣產(chǎn)生的噪音。
由于計算比較復(fù)雜繁瑣，許多用戶或設(shè)計單位都由制造廠負(fù)責(zé)設(shè)計計算，噪音應(yīng)符合我國環(huán)保要求，詳見表2。
一般噪音上限均不能大于105dB。氣體動力學(xué)噪音一般解決方法是在閥后安裝消音格子板（LO～DB極度），氣體通過它時使氣體流速減低，但是這種高質(zhì)合金鋼并經(jīng)過加硬處理的消音器價格十分昂貴。噪音的控制通過分級降壓、多級減壓的方式來實現(xiàn)。有效地控制介質(zhì)的流速，是避免產(chǎn)生高噪音的主要手段。
6 控制閥的填料選擇
控制閥的填料裝于上閥蓋填料室內(nèi)，其作用是防止因閥桿移動而閥內(nèi)介質(zhì)向外泄漏。zui常用的填料是聚四氟乙烯填料，它具有摩擦系數(shù)小，密封性能好和耐腐蝕性能好的優(yōu)點，但耐溫差，壽命較短，不能用于熔融狀堿金屬、高溫的氟化氯和含有氟元素的介質(zhì)。同時柔性石墨填料也是一種新型填料，它具有密封性、自潤滑性好，耐腐蝕、耐高溫（-200℃～600℃）和溫度變化影響較小等特點。但對閥桿摩擦力大，通常要使用定位器才能很好工作。旋轉(zhuǎn)型控制閥、高溫控制閥均采用柔性O(shè)型石墨填料。
三、調(diào)節(jié)閥安裝注意事項
（1）宜垂直、正立安裝在水平管道上，公稱通徑DN>50mm的調(diào)節(jié)閥，其閥前后管道上有*性支架。
（2）調(diào)節(jié)閥配管應(yīng)組合緊湊，上、下部分應(yīng)留有足夠的空間，必要時應(yīng)設(shè)置平臺，便于操作、維修和排液，配管通徑盡量與閥通徑一致。連接形式應(yīng)符合制造廠產(chǎn)品說明書的規(guī)定。
（3）調(diào)節(jié)閥用于高粘度、易結(jié)晶、易汽化以及低溫流體時，應(yīng)采取保溫和防凍措施。使用環(huán)境溫度一般不高于60℃，不低于-30℃，未安裝閥門定位器的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閥安裝在有振動場合時，應(yīng)考慮防振措施。
（4）未安裝閥門定位器的調(diào)節(jié)閥，膜頭上安裝指示控制信號的小型壓力表。
（5）安裝前應(yīng)先對閥檢查校驗，并在管道吹掃后安裝。用于懸浮物、高粘度介質(zhì)時，應(yīng)配沖洗管線。
（6）入口管段長度應(yīng)盡量長，對于小通徑閥門，應(yīng)大于10倍管道通徑，調(diào)節(jié)閥出口直管段應(yīng)有3～5倍管道通徑。調(diào)節(jié)閥進出口取壓點位置，閥前為2倍管道通徑處，閥后為3倍管道通徑處。
（7）對小流量調(diào)節(jié)閥前應(yīng)安裝過濾裝置。
（8）務(wù)必按流動方向箭頭安裝，安裝時應(yīng)避免過大的應(yīng)力。環(huán)境塵埃較多時，應(yīng)采取保護閥桿的措施，避免磨損或卡死。
控制閥的附件選擇
控制閥的附件主要有閥門定位器、電磁閥、手輪機構(gòu)、空氣過濾減壓器、閥位變送器和行程開關(guān)等。
（1）閥門定位器是控制閥的主要輔助儀表，可分為氣動閥門定位器和電氣閥門定位器。
閥門定位器能夠提高執(zhí)行機構(gòu)輸出力，可使閥門的供氣速度快、閥的動作速度加快。在使用現(xiàn)場總線的場所采用數(shù)字閥門定位器，除上述功能外，帶PID控制功能、現(xiàn)場總線診斷功能、閥門特性曲線記錄功能。
（2）電磁閥選用時主要考慮用幾個位置、幾個通道；電源電壓、是否防爆；線圈通電后使控制閥關(guān)閉還是打開等。
（3）根據(jù)工藝要求確定是否選擇手輪機構(gòu)。
（4）空氣過濾減壓器是常用的輔助儀表，選擇時注意它的輸出壓力、流量。
（5）行程開關(guān)應(yīng)優(yōu)先選用接近開關(guān)（無觸點）。
（6）根據(jù)需要選擇閥位變送器、空氣貯罐、繼動器、止回閥、自鎖閥、閥位限制器等。
結(jié)束語
調(diào)節(jié)閥是化工生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)中的節(jié)流操作元件，正確選擇和安裝調(diào)節(jié)閥，直接關(guān)系到調(diào)節(jié)閥在自控系統(tǒng)中的作用。調(diào)節(jié)閥安裝在工藝管道上，直接與操作介質(zhì)接觸，正確的選擇和使用調(diào)節(jié)閥，直接關(guān)系到整個自動控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，直接影響生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，正確合理的選擇、安裝調(diào)節(jié)閥就是顯得尤為重要。 控制閥的選擇是非常細(xì)致的工作，不僅要有扎實的專業(yè)理論知識，還要有豐富實踐經(jīng)驗。控制閥的選擇要在實踐的過程中不斷總結(jié)和創(chuàng)新，特別隨著機電一體化技術(shù)、計算機和數(shù)字信息技術(shù)的應(yīng)用，控制閥的結(jié)構(gòu)功能變得更好、更全面，為選擇控制閥提供了極大的方便。上述控制閥選型的原則，可作為化工裝置一般工況用控制閥選擇的指導(dǎo)。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有：固定比例式減壓閥在穩(wěn)健醫(yī)療應(yīng)用
