氣動薄膜式調節閥選型分析

【資料簡介】

1 氣動薄膜式調節閥選型分析引言
調節閥又名控制閥，調節閥的發展與工業生產過程的發展密切相關。計算機科學和自動化儀表等高新科學技術的發展推動了調節閥的發展。隨著現場總線技術的發展與控制裝置的廣泛應用，調節閥也將開放、智能和更可靠，要求越來越強烈，使工業生產過程控制的功能更完善，精度更高和效果更明顯。
氣動調節閥是以壓縮氣體（常采用凈化壓縮空氣）為動力源，以氣缸為執行器，并根據實際需求可選配電/氣閥門定位器、電/氣轉換器、電磁閥、保位閥、儲氣罐、氣體過濾/減壓/油霧分離器等附件去驅動閥門，來實現調節目標，接收工業自動化控制系統的控制信號來完成調節管道介質的，比如流量、壓力、溫度、液位等各種工藝過程參數。

2氣動薄膜式調節閥選型分析 工作原理
氣動調節閥由執行機構和調節機構組成。執行機構是調節閥的推力部件，以壓縮空氣為動力源，以氣缸為執行器，并借助于電氣閥門定位器、轉換器、電磁閥、保位閥等附件去驅動閥門，實現開關量或比例式調節，接收工業自動化控制系統的控制信號來產生相應的推力，推動調節機構動作，完成調節管道介質的：流量、壓力、溫度等各種工藝參數。氣動調節閥的特點就是控制簡單，反應快速，且本質安全，不需另外再采取防爆措施。
自工業控制系統如DCS、PLC等系統送出4-20ma電流信號，送至氣動調節閥定位器。定位器根據所接收到的電流值，自動調節壓縮空氣量（壓力）的大小，并將壓縮空氣送至膜室上/下腔。當膜室內的氣壓大于彈簧的彈力范圍及閥體內部壓力和其它阻力時，就可以推動閥芯、閥桿、推桿等構件自由運動了。
3、氣動調節閥的彈簧范圍
彈簧范圍：是指一臺閥在靜態啟動時的膜室壓力到走*行程時的膜室壓力。20～100KPa，表示這臺閥靜態啟動時膜室壓力是20KPa，關閉時的膜室壓力是100KPa。常用的彈簧范圍有20～100KPa、20～60KPa、60～100KPa、60～180KPa、40～200KPa。
4、氣動調節閥的FO與FC
氣動調節閥的動作類型分兩種：氣開型（Air to Open）和氣關型（Air to Close）。
氣開型：當膜頭上空氣壓力增加時，閥門向增加開度方向動作，當達到輸入氣壓上，閥門處于全開狀態。反過來，當空氣壓力減小時，閥門向關閉方向動作，在沒有輸入空氣時，閥門全閉。故有時氣開型閥門又稱故障關閉型（Fail to Close FC）。
氣關型：動作方向正好與氣開型相反，當空氣壓力增加時，閥門向關閉方向動作，空氣壓力減小或沒有時，閥門向開啟方向動作，直到全開為止，故有時又稱為故障開啟型（Fail to Open FO）。氣動調節閥的氣開或氣關，通常由閥體內部結構和執行機構的不同組裝方式實現的。

3 氣動薄膜式調節閥選型分析執行機構
氣動薄膜式執行機構接受信號壓力后，根據其推桿動作方向的不同，可分為正作用式和反作用式兩種。
3.1 正作用式執行機構
當信號壓力增大時，執行機構的推桿向下動作，稱作正作用式執行機構。當其信號壓力從0.002~0.1MPa時，推桿的位置從零走到全行程。其信號壓力與推桿位移的特性如圖1-a所示。
正作用式執行機構的動作原理如圖2-a所示。當信號壓力進入氣室時，在其膜片上產生一個推力，這樣使其推動部件位移，將彈簧壓縮，直到彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產生的推力相平衡。其平衡方程式為
3.2 反作用式執行機構
當信號壓力增大時，執行機構的推桿向上動作的叫做反作用執行機構，如圖1-b、圖2-b所示。當信號壓力從0.02~0.1MPa時，推桿的位置從全行程走到零。其動作原理和正作用式執行機構一樣，只不過其信號壓力進入波紋膜片得下方，信號壓力增大時，波紋膜片向上移動。

4 氣動薄膜式調節閥選型分析調節閥
調節閥的結構形式較多，包括直通單座調節閥、直通雙座調節閥、三通閥、角型調節閥、高壓調節閥、隔膜調節閥、小流量調節閥、蝶閥、球閥等。
4.1 調節閥對調節參數的調節
在自動調節系統中有被調參數、調節參數、干擾參數。調節參數是靠調節閥進行調節的。當調節系統中出現干擾時，被調參數將偏離給定值，調節器命調節閥對調節參數進行調節，使被調參數回到給定值。
4.2 調節閥的結構形式
氣動薄膜式調節閥閥分為正裝和反裝兩種。正裝時，閥芯向下位移，閥芯與閥座間的流通面積減小。反裝時，閥芯向下位移，閥芯與閥座間的流通面積增大。正裝與反裝時，閥芯與流通面積的關系如圖3所示。
5 氣動薄膜式調節閥選型分析組合方式
從執行機構和調節機構的分析中可以看到，氣動執行機構有正作用式和反作用式兩種，調節閥有正裝和反裝兩種，故此，氣動執行器的氣開、氣關的兩種形式是由執行機構的正、反作用及調節閥的正、反裝綜合確定的。其組合方式有四種，如表1所示。

氣動薄膜式調節閥選型分析主要零件材料

零件名稱	材料	溫度范圍
閥體上閥蓋	HT200	-20～200℃
	ZG230-450	-40～450℃
	ZG1Cr18Ni9Ti	-250～550℃
	ZG0Cr18Ni12Mo2Ti	-250～550℃
閥芯、閥座	1Cr18Ni9	-250～550℃
	0Cr18Ni12Mo2Ti	-250～550℃
填 料	聚四氟乙烯	-40～200℃
膜 片	丁晴橡膠夾增強滌淪織物
壓縮彈簧	60Si2Mn
膜 蓋	A3

三、氣動薄膜套筒調節閥 主要性能指標

公稱通徑mm			20				25	40		50	65	80	100	150		200	250	300	350	400
閥座直徑mm			10	12	15	20	25	32	40	50	65	80	100	125	150	200	250	300	可與本公司 商洽生產
額定流量 系數Kv		直線	1.8	2.8	4.4	6.9	11	17.6	27.5	44	69	110	176	275	440	690	1000	1600
		等百分比	1.6	2.5	4	6.3	10	16	25	40	63	100	160	250	400	630	900	1440
公稱壓力MPa			0.6   1.6   4.0   6.4
行程mm			10				16	25			40			60			100
流量特性			直線、等百分比、快開型
介質溫度℃			-40～230℃(常溫型)，散熱片式230～450℃(中溫型)，特殊訂貨-100～600℃
法蘭標準			符合JB78-59、JB79-59標準，可按JB/79.1-94、JB/79.2-94、ANSI、JIS、DIN 等標準訂貨生產
閥體材質	PN (MPa)	0.6,1.6	WCB(ZG230-450) CF3CF8 CF8M
		4.0,6.4	WCB(ZG230-450)、ZG1Cr18Ni9Ti、ZG0Cr18Ni12Mo2Ti CF8 CF8M
閥體型式			直通單座鑄造球型閥
閥芯材質			1Cr18Ni9、0Cr18Ni12Mo2Ti CF8 CF8M
上閥蓋形式			普通式(常溫型)、熱片式(中溫型)、低溫型
可調比R			50:1
氣源接頭			M16×1.5

四、氣動薄膜套筒調節閥 執行機構主要技術參數

型號	ZHA-22 ZHB-22	ZHA-23 ZHB-23	ZHB-34 ZHB-34	ZHA-45 ZHB-45	ZHA-56 ZHB-56
有效面積cm2	350	350	560	900	1600
行程mm	16	25	40	60	100
彈簧范圍KPa	20～100(標準):40～200; 80～240; 20～60; 60～100

五、氣動薄膜套筒調節閥 性能指標

項目		指標值	項目				指標值
基本誤差%	不帶定位器	±5.0	始 終 點 偏 差 %	氣關	不帶定位器	始點	±5.0
	帶定位器	±1.0				終點	±2.5
回差%	不帶定位器	≤3.0			帶定位器	始點	±1.0
						終點	±1.0
	帶定位器	≤1.0		氣開	不帶定位器	始點	±2.5
						終點	±5.0
死區%	不帶定位器	≤3.0			帶定位器	始點	±1.0
						終點	±1.0
	帶定位器	≤0.4	允許泄漏量L/h				1×10-4×閥額定容量
額定行程偏差%		±2.5

六、氣動薄膜式調節閥選型分析 允許壓差

6 調節閥使用管理
調節閥的操作是否正常，與調節閥的質量及產生故障后的維修工作有很大的關系。由于調節閥的質量原因，產生的故障多種多樣。而某一種故障的出現，也可能有不同的原因。
6.1 氣動執行機構主要故障元件
（1）膜片。對于薄膜式氣動機構來說，膜片是最重要的元件。在氣源系統正常工作的情況下，如果執行機構不動作，首先應想到膜片是否安裝好，是否破裂。當金屬接觸面有尖角、毛刺等缺陷時，會把膜片扎破，而膜片不能有泄漏。另外，如果膜片使用時間過長，因橡膠材料老化也會影響性能。
（2）彈簧。彈簧是調節閥的主要調節元件。如果制造、熱處理、材料選擇不當，會使彈簧疲勞或斷裂。有引起彈簧在過大的載荷作用下，可能會產生斷裂。
（3）接氣管路。這是輸入氣壓通向執行機構的通路，不能泄漏。因此，要經常檢查是否泄漏。
（4）推桿。這是確保有足夠的行程來關閉調節閥。如推桿有彎曲、變形、會影響調節閥的調節性能。

氣動薄膜式調節閥選型分析

6.2 調節閥的主要故障元件
（1）閥芯：它是調節閥起調節作用和密封作用的活動元件，直接與介質接觸，易受介質的沖刷和腐蝕、磨蝕。在高壓差情況下更易損壞。所以要檢查它的磨損、沖刷及腐蝕情況，是否需要維修和更換。
（2）閥座：閥座密封面是保證閥門密封的關鍵部位。受介質的沖刷、磨損和腐蝕，要檢查閥座的損壞情況。
（3）閥桿：閥桿與閥芯、推桿的連接，直接影響調節閥的性能。因此要檢查閥桿與閥芯、推桿的連接質量，以及閥桿本身有無彎曲、變形。
（4）填料：檢查填料是否老化、缺油，填料是否壓緊。
（5）墊片及O形圈：墊片和O形圈是否老化變硬，影響密封性能。
6.3 閥門定位器元件故障
（1）閥位行程傳感器失調造成調節閥閥位失調。閥位傳感器為一精密多圈電阻，內置于閥桿套筒內，由緊固件和閥桿相連，作用是輸出閥位反饋信號。當閥行程傳感器的緊固件松動后，會使閥行程零位時閥位傳感器的精密多圈電阻值超出正常范圍（正常為1950~2050Ω），造成調節閥閥位失靈，無法完成手/自動校準程序，閥位自動運動到全開/全關位置。對發生連接緊固件松動故障的定位器處理方法為：拆下，把反饋臂定位在零位，用萬用表測量閥位傳感器的精密多圈電阻值，調整閥位傳感器的連接軸，使萬用表指示在1950~2050Ω，然后鎖定連接軸，安裝閥行程傳感器緊固件和閥桿相連，問題得以解決。
（2）氣源不干凈致使閥門定位器內部氣路堵塞造成調節閥閥位失調。對于發生氣路堵塞故障的處理方法為：拆下閥門定位器，對其氣路部分進行清洗，保證氣路暢通，問題得以解決。
（3）I/P轉換部件問題造成調節閥閥位失調。當I/P轉換部件燒毀時，閥門定位器氣動中繼器就無法感受噴嘴所送出的壓力變化，也就無法去閥位進行調節。由于I/P部件問題導致閥位失調的情況，更換I/P部件得以解決。
（4）反饋臂脫落造成調節閥閥位失調。對反饋臂脫落情況的處理方法：在零信號位置，對應實際閥位將反饋臂重新緊固便能解決問題。

6.4 氣動薄膜式調節閥選型分析故障案例
（1）開閥緩慢而且無法全開。三聚氰胺裝置LV-36005液位控制閥（氣開），在調節過程中，開閥緩慢而且無法全開，儀表人員經過檢查發現該閥膜頭處有漏氣現象，漏氣直接導致調節閥動作緩慢無法全開。處理方法：將調節閥執行機構全部打開，檢查其密封性，發現由于長時間的運行，膜片磨損嚴重，導致的漏氣，對其膜片進行更換后，閥門投用正常，調節動作靈敏。
（2）閥門突然失控。置運行過程中PV-31063（氣關閥）閥門突然失靈，且閥門調節非常重要，長時間故障會導致整個裝置停車，后果不堪設想。經判斷，該閥門定位器故障。處理方法：打手輪限位，先滿足工藝生產要求，在氣動執行器相同的調節閥將新相同型號閥門定位器進行校驗合格后更換到PV-31063，工藝人員監護，緩慢釋放手輪，觀察閥位變化情況，從效果看，此次的處理效果良好，避免了一次停車。在后來的停車檢修中我們又對該閥進行了聯校檢查。
（3）調節閥不能調節。工藝操作人員反映該調節閥不能調節，儀表人員到現場檢查后發現閥門定位器收入氣源壓力為零，隨對儀表氣路進行檢查，由于壓縮空氣帶水，有加上氣溫低，導致積水成冰，堵塞氣路，儀表人員對氣路進行除冰，恢復氣路后調節閥動作正常。

7 氣動薄膜式調節閥選型分析結束語
依據工作原理，結合自動化儀表管理工程一線的運管實際經驗，根據真實的工程需求，總結調節閥故障處理技術。