控制阀细节分析之5_阀芯阀座

1、控制阀细节分析之五阀芯阀座李宝华摘要：包含阀芯阀座的阀内件（Valve Trim）是控制阀的关键核心部件，直接影响控制阀的流量特性、流体调节和控制质量。阀内件是与流体直接接触的阀内可拆卸的改变流通截面积和截流件导向等作用的零部件总称，包括典型截流件的阀芯(Plug)和阀座(Seat)、套筒(Cage)、阀杆(Stem)，以及减噪器(Flow divider)、抗空化气蚀部件(AC-trim)、导向(Guide)，等等。从单座型控制阀(Globe valve)的阀芯阀座等阀内件的细节分析入手，看部分品牌厂家的阀芯阀座设计。关键词：控制阀；阀内件；阀芯；阀座；细节分析；区别引言控制阀（Contro

2、l valve，国标GB/T 17213.1-1998定义为控制阀，国内旧称调节阀）是终端控制元件，决定着过程控制是否及时有效，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。一个控制系统的控制质量受到组成系统各环节的影响，更取决最薄弱环节的影响，控制阀虽然相对控制系统和过程仪表而言略显简单，但在工业生产过程对控制要求及安全性不断提高的情况下，其必要性、重要性以及在回路中较高的故障频次已引起业内注意。控制阀的生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，质量参差不齐。不同厂家的同类型控制阀的设计差异、技术特点和应用情况如何？应是大家关注的问题。本文着重对目前在用量最大、多数厂家都在

3、生产的单座型控制阀(Globe valve)做一些细节分析。以部分知名品牌控制阀为例，对阀内件的阀芯阀座的技术细节进行分析探讨。阀内件（Valve Trim）国标工业过程控制阀 第1部分：控制阀术语和总则GB/T17213.11998（等效IEC 60534-1）对阀内件（Valve Trim）的定义是：阀内接触被控流体的部件，例如截流件、阀座、套筒、阀杆、以及连接阀杆与截流件的部件等。阀体、阀盖、底法兰和垫圈不属于阀内件。阀内件是与流体直接接触的阀内可拆卸的改变流通截面积和截流件导向等作用的零部件总称，包括典型截流件的阀芯(Plug)和阀座(Seat)，还包括套筒(Cage)、阀杆(Stem

4、)以及减噪器(Flow divider)、抗空化气蚀部件(AC-trim)、导向(Guide)、密封件、固定件，等等。阀内件主要功能是使流通截面积按一定规则比例变化，实现流通能力和阀芯/阀杆行程之间的相互关系，其次是保证紧密关闭国内和符合标准规定的泄漏率。阀芯是阀内件中最为关键的部件，同时是控制阀的可动部件，阀芯与阀座配合使用，可紧密关闭切断流体，可通过改变节流截面积来调节流体通过量，进而达到过程控制的目的。阀芯的形状（或笼式阀的套筒开口形状）决定着控制阀的流量特性，如常见的线性、等百分比、快开特性和抛物线特性等。阀芯阀座的尺寸以及阀内流路决定着控制阀的最大流通能力。阀芯阀座的选材及其工艺处理

5、决定着控制阀的工况应用和可靠性。阀芯阀座以及阀内件的设计直接反映了控制阀厂家的技术能力。阀芯设计为了获得不同的阀门特性，阀芯结构设计有多种多样，一般分直行程和角行程两大类。单座型控制阀(Globe valve)一般都是顶部导向的直行程控制阀，采用最多的是柱塞型阀芯、V开口型阀芯和套筒柱塞型阀芯V开口型阀芯 小流量阀芯 形状和流量特性 图1 典型的直行程控制阀阀芯图1为一部分典型的直行程控制阀阀芯。图左侧所示出的是柱塞型阀芯，其阀芯形状不同可有不同的流量特性： 快开特性阀芯设计加工成一个略凸起的平台； 对柱塞型阀芯设计加工出不同曲面，分别得到线性、抛物线和等百分比流量特性； 小流量阀的阀芯一般为

6、针形或在圆柱上铣出小槽。 V开口型阀芯有3V、4V、6V开口之分，同样是由V型开口形状决定流量特性，常见的有线性、等百分比流量特性。阀芯流量特性线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对位移（行程）成直线关系。其在小开度时流量相对变化较大，不易控制，而在大开度时流量相对变化小，调节不够及时。等百分比流量特性是指控制阀单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，也称为对数流量特性。等百分比流量特性在小开度时，控制阀放大系数小，调节平稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏有效。抛物线流量特性是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根为比例关系。抛物线流量特性

7、主要是为了弥补线性流量特性在小开度时调节效果差的不足。多数厂家没有把抛物线流量特性的阀芯作为标准产品。快开流量特性多用于开关型控制阀，在小开度时就可获得较大的流量。阀芯早期的控制阀主要是单座阀（Globe valve）,柱塞型阀芯。为了克服单座控制阀柱塞型阀芯不平衡力大、较低的流通能力和高噪声等问题，上世纪六十年代开始，国外一些厂家如Fisher公司转向重点研发不平衡力小、有较大流通能力、低噪声和便于拆装阀内件的套筒型控制阀（如Fisher的easy-e中的ET、ED、ES系列），在七、八十年代全球风靡一时，目前仍是国内用户大量设计采用以及多数厂家生产的阀型。参见图2。与柱塞型阀芯相比，套筒型

8、阀芯的紧密关闭切断功能和泄漏等级要差一些。在工业应用中，套筒易磨损，更会关闭不严和使泄漏量增大，造成功能安全不足。此外，套筒阀内件结构和流路也比柱塞型阀复杂，部件数量多，检维修内容多。密封件多也是套筒阀的一大特点，如Fisher的ED系列套筒阀的平衡阀芯就有5个专用垫片，而抗挤压密封件或弹簧加载密封环都属易损件和检修更换件，更换频次高及专用垫片备件价格很高也使得维护成本增加。套筒阀的快捷拆卸设计则是应对套筒阀内件耐用性和经常检修的问题。等百分比 快开 线性 ET系列 ES系列 ET系列 (a) 套筒型阀芯及流量特性 (b) Fisher套筒型阀图2 套筒型阀芯图3 SAMSON公司的V开口型阀

9、芯国外也有一些厂家如SAMSON公司执著开发并不断改进柱塞型阀芯的单座控制阀，重点在V开口型阀芯（也称作窗口型阀芯）方面进行研发，并取得突破。而在控制阀发展早期，V开口阀芯主要是用在较大口径双座阀或三通阀上，均等开口结构，阀芯导向功能，流量系数较大，也存在阀芯导向间隙较难配合易卡阻以及机械振动大的问题。SAMSON着力开发V开口阀芯的特长和改进其原有结构的不足，设计的3V开口V-port阀芯（Kv值10以上）采用三个V开口不对称结构设计并拥有专利，有较大的流量系数、机械噪声小、抗抖动性能好，适用在压差不大于50bar场合，也可应用在临界空化工况。参见图3。V-port阀芯三个V开口不对称，两个

10、小一点的V开口迎向流体流向（开口间隔立面/阀芯导向面朝向阀进口），一个大的V开口朝阀出口方向，可明显减小流体对阀芯的冲击和阀芯的机械振动及减少噪声。仍然利用V开口型阀芯的阀芯导向功能，材料选用和公差配合更合理，加工得更精细。阀杆与阀芯焊接形成一体化结构，更可靠耐用。其他厂家多数采用阀杆与阀芯插接或螺纹连接并用销子固定的方法，使用效果不理想，非常容易出现销子断、螺纹坏损、阀芯脱离的故障。由于阀杆阀芯一体化和V-port阀芯有装配定位要求，所以在使用和检修采用V-port阀芯的SAMSON 240/250系列控制阀时要保证阀芯V开口朝向符合设计要求不变，不能随意转动阀杆。目前很多厂家DN25及以上

11、通径的单座控制阀（包括Fisher公司2004年推出的GX）都采用了V开口型阀芯设计，只是V开口数目和形状有差异。SAMSON还通过着力解决气动执行器方面的问题来适应柱塞型阀芯和V开口型阀芯的不平衡力，3271/3277气动执行器品种齐全，弹簧范围多，推力大，气动执行器有效面积从60、120、350、700、1400、2800 cm2，到最大的2800cm2X2的双重型。除此之外，SAMSON研发新型阀内件来解决高噪声、抗空化气蚀和多相流应用问题。由于SAMSON应用世界上最新的先进制造技术，控制阀基于先进的现代设计技术的模块化设计、先进的制造工艺的高效精密成形技术和高精度加工及特种工艺，使部

12、件最优化并功能紧密，使其在单座控制阀方面目前处于世界领先地位。阀座阀座也称作阀座环(seat ring)，装配在阀体上，用于提供阀关闭状态时完全啮合的密封面。阀座密封面一般都作堆焊或涂复钴铬钨等硬质合金加硬处理。阀座有螺纹式和压紧式之分。参见图4。螺纹式结构简捷，用螺纹拧入阀体，但需要使用专用工具和按厂家规定的扭力矩。阀座与阀体螺纹结合方式。考虑到螺纹有隙连接的密封问题，传统方式是加座环密封平垫片，如masoneilan的2600系列和spirax sarco的LE系列；部分厂家不采用垫片密封而是座环上部外斜面与阀体实现金属金属密封，效果很好，如SAMSON的240、250系列和Fisher的

13、GX型。压紧式结构又称作快换式阀内件(quick-change trim)，阀座便于拆卸，附加有压紧套筒等部件，利用上阀盖施加压紧力。传统设计是使用座环垫片密封，如masoneilan的21000系列。为了弥补垫片密封不足，部分厂家采用垫片和座环下部外斜面与阀体金属密封的方法，如spirax sarco的SPISA-TROL。(b)压紧式(a)螺纹式图4 阀座阀芯阀座密封和泄漏率密封和泄漏是控制阀的重要指标，紧密关闭和低泄漏率是控制阀功能安全的要求。密封与阀芯阀座的对准和接触及载荷有关，还与阀内件结构设计和金属精加工有关。阀芯阀座密封面一般都作堆焊或涂复钨铬钴（司太莱合金）等硬质合金加硬处理，

14、抗重载接触和防冲刷磨损，提高泄漏等级。泄漏是根据密封设计、参数和试验得出的泄漏量，标准化组织都规定有泄漏等级和严格的试验程序。各国基本上是执行IEC标准，国标工业过程控制阀 第4部分：检验和例行检查GB/T 17213.4-2005就等同于IEC 60534-4：1999；德国DIN EN 1349即等同欧洲标准也基本同于IEC 60534-4。阀芯密封一般有：金属密封、经研磨的金属密封、弹性（软）密封。参见图5。(a)金属密封 图5 阀芯密封(b)软密封 金属密封将阀芯斜面和阀座接合面设计为不同角度，通常是阀芯密封的斜面角度为30、阀座密封接合面角度为45，金属金属密封的泄漏等级可达级(10

15、-4Kv)；经研磨的金属密封的泄漏等级可达级(1.810-7pD)，大部分厂家的金属研磨阀芯只能达到-S1级(510-6Kv)；SAMOSN的DN80以下的金属研磨阀芯可达到-S2级(110-6Kv)；-S2级是德国DIN EN 1349标准中唯一与IEC标准不同的地方。软密封一般选用有弹性的聚四氟乙烯PTFE作密封材料，嵌入在阀芯或阀座上，其泄漏等级可达级(310-3p泄漏率系数)。对于平衡型阀芯，其泄漏等级依选用密封环材料而有所不同，加石墨密封环的可达级(10-3Kv)，加PTFE密封环的可达级(10-4Kv)。平衡型阀芯针对单座阀阀芯所受不平衡力大的问题，也有采用平衡型阀芯的解决方案，可

16、使得现有推力有限的执行器可用。平衡型阀芯是在阀芯开有平衡孔，将流体压力引到阀芯另一侧平衡腔室并与阀出口流路密封隔离，这样阀芯两侧压力差的绝大部分被平衡掉，不平衡力只有相当于流体压力在阀杆截面积上的作用力了。由于平衡孔径相对小一些，若被堵上则平衡作用全失，平衡阀芯不适宜用于较脏、含较大固体颗粒物或易结晶易固化介质。(c)ARCA ECOTROL平衡阀芯(a)SAMSON 240/250平衡阀芯(b)Fisher GX平衡阀芯 图6 平衡型阀芯参见图6。常见的平衡阀芯都是将平衡腔室的筒体设计为固定的，密封环嵌装在平衡阀芯上，平衡阀芯类似活塞作上下提升运动，如Fisher的GX和ARCA的08C系列

17、。图6(a)示出的SAMSON平衡阀芯设计有所不同，是将平衡腔室的筒体与阀芯一体化，筒体与阀芯一起作上下提升运动，平衡腔室的另一端则是连接固定在上阀盖处并装有密封环，并且密封环不是嵌装，而是将垫片平放就位后用环状压板和螺丝固定，旨在避免拉伸密封环。这两种平衡阀芯的设计区别应是考虑阀芯与阀座对中和平衡腔室筒体偏磨/卡阻以及密封环的使用寿命/效果等问题的不同。抗空化气蚀阀芯控制阀基于节流截面积变化来调节流体量，是管路节流和耗能元件，流动的液体经过节流处常常会出现空化现象（闪蒸和空化），苛刻工况的高压差场合更为严重。液体节流后的空化作用严重影响控制阀的选型计算，以至于导致严重的噪声、振动、阀内件或阀

18、体材质的破坏。控制阀厂家都致力于抗空化气蚀的解决方案，除了在选型计算上应用阻塞流方程和避开产生闪蒸和空化的条件，还从阀内件结构、材料选用等方面入手特殊设计出各种不同的抗空化气蚀阀芯。特殊设计的抗空化气蚀阀芯使流体在通过阀芯阀座时每一点的压力都高于该温度下的饱和蒸汽压，或采用多级降压级间压力恢复的多级阀芯，或采用特殊结构改变流动状态并提前破坏气泡而减小闪蒸效果使空化难以产生，同时降低噪声。参见图7。(a)AC-1 Trim (c)AC-3 Trim (b)AC-2 Trim (d)AC-5 Trim (e)Fisher多级阀芯图7 特殊设计的抗空化气蚀阀芯图7(a)至(d)是SAMSON特殊设计

19、的抗空化气蚀的阀内件AC-Trim。其中AC-1 Trim和AC-2 Trim适合最大25bar压差下有空化工况和最大40bar压差下无空化工况。设计采用带尖锐口的抛物线阀芯和高颈锐口的阀座，首先使阀芯有较高的初始空化压差比（特性压差比）系数，在全开度范围内都能有较高的xFz值，并使流体流经截流面时处处压力无突变，再用锐口切开流体流经截流口时有可能闪蒸产生的气泡。在小开度时，由阀芯尖锐口切破粉碎气泡，在大开度时则流体湍流回旋经阀座高颈锐口切破粉碎气泡。AC-2 Trim是在AC-1 Trim阀芯阀座基础上，设计阀芯节流前增加了多孔衰减板（1至4片多孔金属板）结构，衰减板可分担一部分压差，从而减少阀芯