控制閥的簡介與技術資料
1.1 控制閥的發展歷史和現狀
1.2 現代工業對控制閥的要求
1.3 控制閥基礎知識
1.4 控制閥結構與設計標準
1.5 閥門材料
1.6 閥門部件的設計與計算
1.7 執行機構
1.8 控制閥的檢測與測試
1.9 國內外控制閥相關標準
1.1 控制閥的發展歷史和現狀
控制閥的發展自20世紀初始已有八、九十年的歷史，先后產生了十個大類的調節閥產品、自力式閥和定位器等，其發展歷程如下：
??20年代：原始的穩定壓力用的控制閥問世，其結構是一種帶重錘的球形閥，利用重錘平衡閥芯所受到的流體作用來進行調節。這種控制閥后來演變成利用閥后壓力進行調節的自力式調節閥。
??30年代：產品的種類已經很多，以“V”形缺口的雙座和單座，閥體形狀為球型的球型閥為代表產品。
??40年代：出現定位器，調節閥的新品種進一步產生，相繼出現隔膜閥、角形閥、蝶閥、球閥等，并在市場上占據主導地位，各種產品已經比較齊全。
??50年代：球閥得到較大的推廣使用，三通閥代替兩臺單座閥投入系統。
??60年代：在國內對上述產品進行了系列化的改型設計和標準化、規范化設計后，國內才有了自己完整的系列產品。現在還在大量使用的單座閥、雙座閥、角型閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥七種產品仍然是六十年代水平的產品；這時國外推出了第八種結構控制閥新產品—套筒閥，很快受到重視并成為球形閥的主流產品。
??70年代：有一種新結構的產品----偏心旋轉閥問世，它容量大，流路簡單，不平衡力小，這些優點使它成為角行程閥門的佼佼著，成為第九大類結構的控制閥品種，這一時期套筒閥在國外被廣泛應用。70年代末，國內聯合設計了套筒閥，使中國有了自己的套筒閥產品系列。
??80年代：80年代初由于改革開放，中國成功引進了石化裝置和調節閥技術，使套筒閥、偏心旋轉閥得到了推廣使用，尤其是套筒閥、大有取代單、雙座閥之勢，其使用越來越廣。80年代末，控制閥的又一重大進展是日本的CV3000精小型調節閥，它在結構方面，只是將單彈簧的氣動薄膜執行機構改為多彈簧是薄膜執行機構，閥的結構只是改進，不是改變。它的突出特點是使調節閥的重量和高度下降30%，流量系數提高30%。
??90年代：智能化、模塊化閥門的出現，為控制閥的出現翻開了新的一頁。
1.2 現代工業對控制閥的要求
1.2.1 質量更穩定、工作更可靠、操作更安全。
1.2.2 調節精度更高。
1.2.3 保護環境 防止大氣污染 防止噪音
1.2.4 節約能源 采用低阻抗閥門 提高閥芯、閥座的密封性能 盡量使用氣/電動執行機構
1.3 控制閥基礎知識
1.3.1 自動化過程工廠是由無數個控制回路組成的。每一個控制回路都經過設計以保證重要的過程變量如壓力、流量、溫度等不超過要求的工作范圍，每一個回路都會接受并從內部產生擾動。這些干擾對過程變量產生決定性影響。為了減少這些負載擾動的影響，傳感器和變送器會收集關于過程變量及其與要求的設定點之間的關系的信息。控制器然后處理這些信息并決定必須怎樣做才能使得過程變量在負載擾動發生后恢復到它的正常范圍。終端控制元件必須執行有控制器選擇的控制策略。過程控制工業里最常用的終端元件就是控制閥。控制閥調節流動的液體、氣體、蒸汽、水或化學混合物，以補償負載擾動并使得被控制的過程變量盡可能地靠近需要的設定點。
1.3.2 國際電工委員會IEC對控制閥（control valve）的定義為：“工業過程控制系統中由動力操作的裝置形成的終端元件，它包括一個閥體部件，內部有一個改變過程流體流率的組件，閥體部件又與一個或多個執行機構相連接。執行機構用來響應控制元件送來的信號”,控制閥或閥門，其實指的是控制閥組件。控制閥組件典型地由閥體、閥內件零件、提供閥門操作驅動力的執行機構，以及各種各樣的閥門附件所組成。閥門附件包括定位器、轉換器、供氣壓力調節器、手動操縱器、阻尼器或限位開關。
1.3.3 控制閥基本參數
公稱通徑
公稱通徑是管路系統中所有管路附件用數字表示的尺寸，公稱通徑是供參考用的一個方便的圓整數，與加工尺寸僅呈不嚴格的關系。公稱通徑用字母“DN”后面緊跟一個數字標志。
公稱壓力
公稱壓力PN是一個用數字表示的與壓力有關的標示代號，是僅供參考用的一個方便的圓整數，同一公稱壓力（PN）值所標示的同一公稱通徑（DN）的所有管路附件具有與端部連接形式相適應的同一連接尺寸。
中、美、日公稱壓力等級對照表
ANSI 150 300 600 900 1500 2500
PN? 20 50? 110 150 260 420
JIS 10? 20??40??63
流量系數CV
當調節閥全開，閥兩端壓差△P為1磅/平方英寸，介質為60°F清水時每分鐘流經調節閥的流量數，以加侖/分計。國內流量系數通常有KV表示，它們之間的換算關系為；
Cv=1.167 Kv
流量特性
當百分比額定行程從0變化到100％時，流經閥門的流量與百分比額定行程之間的關系。
等百分比流量特性
一種固有的流量特性：額定行程的等量增加會理想地產生流量系數的等百分比的改變。
直線流量特性
一種固有的流量特性：可以用一條直線在流量系數相對于額定行程的長方形圖上表示出來。行程的等量增加提供流量系數的等量增加。
快開流量特性
一種固有的流量特性：在截流元件很小的行程下可以獲得很大的流量系數。
1.3.4 控制閥基本分類
通用分類法
這種分類方法既按原理、作用又按結構劃分，是目前國際、國內最常用的分類方法。一般分閘閥、截止閥、節流閥、儀表閥、柱塞閥、隔膜閥、旋塞閥、球閥、蝶閥、止回閥、減壓閥安全閥、疏水閥、調節閥、底閥、過濾器、排污閥等
按用途和作用分類
調節閥類——主要用于調節介質的流量、壓力等。包括調節閥、節流閥、減壓閥等。
止回閥類——用于阻止介質倒流。包括各種結構的止回閥。
分流閥類——用于分離、分配或混合介質。包括各種結構的分配閥和疏水閥等。
安全閥類——用于介質超壓時的安全保護。包括各種類型的安全閥。
截斷閥類——主要用于截斷或接通介質流。包括閘閥、截止閥、隔膜閥、球閥、旋塞閥、蝶閥、柱塞閥、球塞閥、針型儀表閥等。
按壓力分類
真空閥——工作壓力低于標準大氣壓的閥門。
低壓閥——公稱壓力PN 小于1.6MPa的閥門。
中壓閥——公稱壓力PN 2.5－6.4MPa的閥門。
高壓閥——公稱壓力PN10.0－80.0MPa的閥門。
超高壓閥——公稱壓力PN大于100MPa的閥門。
按介質溫度分類
高溫閥——t 大于450℃的閥門。。
中溫閥—120℃小于 t 小于450℃的閥門。
常溫閥——40℃小于 t 小于120℃的閥門。
低溫閥——100℃小于 t 小于-40℃的閥門。
超低溫閥——t 小于-100℃的閥門。
按閥體材料分類
金屬閥體襯里閥門—：襯鉛閥門、襯塑料閥門、襯搪瓷閥門。
非金屬材料閥門——如：陶瓷閥門、玻璃鋼閥門、塑料閥門
金屬材料閥門——如：銅合金閥門、鋁合金閥門、鉛合金閥門、鈦合金閥門、蒙乃爾合金閥門、鑄鐵閥門、碳鋼閥門、鑄鋼閥門、低合金鋼閥門、高合金鋼閥門。
1.4 控制閥結構與設計標準
1.4.1 直行程控制閥
??一種閥門，帶線性運動的截流無件，有單座或多座閥，它的閥體因為閥座區域有一個球形的內腔而與眾不同，也叫球形閥。直通閥可進一步分為：單座閥、雙座閥、角形閥、三通閥、不平衡籠式閥、平衡籠式閥。
單座閥
??單座閥閥體是最常見的閥體類型，而且結構簡單。
??單座閥閥門有各種各樣的形式，如直通式、角形、棒形、鑄造和分體式結構。
通常單座閥閥門被指定用于要求嚴密關閉的場合。它們使用金屬對金屬閥座表面、或者由PTFE或其它復合材料組成的密封的軟閥座。單閥座閥門能夠處理大部分的工況要求。
由于高壓流體通常把負載加在閥座的整個區域，在為單座閥控制閥體選擇執行機構時必須考慮產生的不平衡力。
??盡管較小口徑的單閥座最常用，但是它們也經常有4英寸至8英寸的口徑，配備大推力的執行機構。
??很多現代的單座閥體采用閥籠或保持架式的結構以固定閥座環，提供閥芯就可以改變流量特性的特點。
??通過更換閥內件零部件，閥籠或保持架式的單座閥體也可以很容易地被修改，以實現減小流通能力、降低噪聲、或減少或消除氣蝕的目的。
平衡閥芯籠式閥
??有兩組閥芯密封面，芯上開有平衡孔，不平衡力小，但泄漏量大，可用于對泄漏量沒有特殊要求的場合。
雙座閥
●流體壓力作用于兩個閥芯上，不平衡力相互抵消許多，因此許用壓差大，
●在關閉時，因存在著加工誤差，閥芯和閥座的兩個密封面不能同時密封，因此泄漏量比單座閥大很多，同時溫度變化泄漏量也會增大，這是它的突出缺點，所以不能用在工藝要求泄漏小的場合。
●閥體流路較復雜，加之上下導向處易被固體顆粒卡住，不使用于高粘度、懸浮液，含固體顆粒等易沉淀、易堵塞的場合。
套筒閥
●閥的穩定性好，由于套筒閥的閥塞設有平衡孔，可以減少介質作用在閥塞上的不平衡力，加上足夠的閥塞導向，因此不易引起閥芯的振蕩。
●套筒提供的節流窗口可以改進為降低噪音的低噪音閥。
●閥的泄漏量大，許用壓差大，因為是雙密封結構。
●維修方便，套筒通過上閥蓋壓緊在閥體上，因此拆裝簡便。
●閥塞自身導向，加上流路復雜，更容易堵卡。
角型閥
一種閥門結構，它的一個口與閥桿或執行機構在同一直線上，另一個口則與閥桿成一垂直角度。
●流路簡單，具有“自潔”性能，可使用于不干凈介質場合；
●流阻小，流量系數大。
●需要角形連接的場合
●閥體利于鍛造毛坯，所以高壓閥通常采用角形閥。
三通閥
??三個管道連接口具有通常的合流（流體混合）或分流（流體分散）作用。可用于混溫調節，減溫減壓器減溫水配比調節，換熱器調節及兩種介質的混合及切換等，利用一個三通閥可代替兩個兩通閥并是調節系統簡化。
1.4.2旋轉式控制閥
蝶閥
??閥體需要最小的安裝空間。
??它們具有大的流通能力、小的經過閥門的壓力損失。
蝶閥閥體具有每投資1美元流通能力的經濟性，尤其是較大尺寸的蝶閥。
傳統輪廓的閥板提供閥板旋轉角最大至60度的調節式控制。擁有專利的動態流線型閥板適合用于需要90度閥板旋轉角的應用場合。
??閥體配合標準的凸面管道法蘭。
??如果閥門很大或壓力降很高，蝶閥閥體可能需要高輸出或大型的執行機構，因為操作力矩可能會很大。
??有極其嚴格的泄漏要求的用于核電廠應用工況的閥體也可提供。
??蝶閥展示出近似等百分比的流量特性。它們可以用調節或開關控制。在閥體或閥板表面上使用內襯或可調軟閥座環可以獲得軟閥座結構。
球閥
??球閥有“O”形球閥和“V”形球閥之分，它利用球芯轉動與閥座相割打開的面積來調節流量，其使用特點如下：
??最大的特點是流路簡單，損失最小，“自潔”性能最好。
??“O”形球閥無阻調節，流量系數最大，通常用于介質的兩位切斷。
??這個結構類似于一個傳統的球閥，但是在球上帶有擁有專利輪廓設計的V形切口。V形切口球提供等百分比的流量特性。這種控制閥有良好的可調比、控制和關閉能力。“V”形球閥與閥座相對轉動時產生剪切作用，尤其適用于高粘度、懸浮液、紙漿等不干凈，含纖維介質的調節、切斷。
偏心旋轉閥
它有偏心的閥芯旋轉來調節和切斷介質，綜合了球閥與蝶閥的優點。具有泄漏量小，可兼做切斷閥、可調比大、體積小、重量輕、流量系數大、動態穩定性高，閥效應不明顯（一般閥門在臨界點流量特性曲線將發生畸變，這種現象稱閥效應）；閥芯不平衡力較小，適用溫度廣，通用性好。該閥綜合性能優越，可以代替普通調節閥，它特別適用于要求調節范圍寬，泄漏量小，流通能力大，阻力小的場合。如火力發電廠中的除氧器加熱蒸汽調節閥、主凝水調節閥等。另外，流路簡單還適用于高粘度介質（重油），主要缺點是公稱壓力較小，不能在高壓系統中使用。
1.4.3控制閥連接端
把控制閥安裝在管道里的三種常用方法是旋入式管螺紋、螺栓緊固帶墊片法蘭和焊接連接端。
旋入式管螺紋
旋入式管螺紋,常用于小型控制閥，具有比法蘭連接端更好的經濟性。通常指的螺紋是閥體上的錐管陰螺紋NPT（美國國家管道螺紋）。
螺栓緊固帶墊片法蘭
法蘭端閥門很容易從管道上拆下，適合用于大多數控制閥為之而制造的工作壓力范圍。法蘭連接端可以用于從絕對0℃至約815℃的溫度范圍。它們可用于所有口徑的控制閥。最常見的法蘭連接端包括平面，?凸面和環型合面法蘭連接端。
焊接連接端
控制閥的焊接連接端在所有壓力和溫度下都是嚴密防泄漏的，而且初始成本低廉。采用焊接端的閥門從管線上拆卸比較困難，并且明顯地局限于可焊接的材質。焊接端有兩種形式：套焊和對焊。
1.4.4 控制閥部件
閥體
?? 閥門的主要的壓力承受腔，它也提供管道連接端和流體流通通道，并閥座表面和閥門截流元件。閥體通常用來指的是帶有閥蓋組件和包含閥內件零部件的閥體，也稱為閥體組件。
上閥蓋和填料：
?? 上閥蓋位于執行機構與閥體之間，其作用為使填料函中填料在一定的溫度范圍內正常工作而保證密封性能，它有以下四種常見結構：
A）標準型：使用工作溫度范圍為：-20—250℃；
B）加長型閥蓋：使用的工作溫度范圍：碳鋼-30--427℃，不銹鋼-100--650℃
C）伸冷加長型閥蓋：使用的工作溫度范圍：不銹鋼-196--100℃
D）金屬波紋管密封閥蓋：使用工作溫度-60--150℃
填料裝于上閥蓋填料室內，起作用是防止介質因閥桿移動而向外泄漏。最常用的填料是聚四氟乙烯和石墨。聚四氟乙烯填料，具有摩擦系數小、密封性能好和耐腐蝕性能好等優點，但耐溫差，壽命較短。柔性石墨具有密封性和自潤滑性好，耐腐、耐高低溫、溫度變化影響小的特點。但石墨填料需要較大的壓緊力，因此對閥桿的摩擦力較大。
閥芯
一個經常用來指的是截流元件的術語，閥門的可移動部件，它置于流體通道中用來調節通過閥門的流量。
閥桿
直行程閥門里，連接執行機構推桿和截流元件（閥芯）的零件。
閥座
截流元件與它的配合表面相接觸的區域，它實現閥門的關閉。
閥籠
閥內件的一個零件，它包容截流元件并能規定流量特性或提供座合表面。它也提供了穩定性、導向、平衡和對中性，而且有助于其它閥內件零件的組裝。閥籠壁包含通常決定控制閥流量特性的開孔。
1.4.5國內常用閥門標準
1.4.6國外常用閥門標準
1.5 閥門材料
1.5.1閥體材料
??閥體材質通常是以流動介質的壓力、溫度、腐蝕性和沖刷性為依據的。大多數的控制閥應用場合需要處理在合理的壓力和溫度下的相對而言腐蝕性不太強的流體。鑄造碳鋼是最常用的閥體材料，如WCB、WCC等
??耐高溫材料：金屬在高溫下長期承受載荷，會發生蠕變現象，同時氧化及晶間腐蝕作用都將加劇，所以選用高溫材料時必須考慮材料的熱強性及高溫耐腐蝕性，適于高溫條件下工作的材料有1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni12Mo2Ti.
耐低溫材料：低溫材料要考慮材料的低溫沖擊值，奧氏體不銹鋼低溫性能較好。常用材料有1Cr18Ni9及0Cr18Ni12Mo2Ti.
耐氣蝕材料：當閥門的壓差很大時，即縮流處壓力降到介質入口溫度下的飽和蒸汽壓以下時，將產生汽蝕現象，汽蝕現象會對閥體及閥內組件產生破壞作用，用于耐汽蝕的材料主要是耐磨、耐沖刷的高硬度材料，如經過熱處理的9Cr18及17-4PH和具有緊固氧化層、韌性和疲勞強度大的材料烙鉬鋼、不銹鋼。
耐腐蝕材料：金屬材料的耐腐蝕問題，不僅與材料本身有關，還與介質的種類、溫度、濃度有關，應結合具體情況選擇。主要耐腐蝕的材料有：1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni12Mo2Ti.20#合金、哈氏合金、鈦材等（具體見附表）
1.5.2閥內組件材料
閥內組件、主要是閥芯、閥座。在一般情況下，選用1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni12Mo2Ti.在大壓差及含顆粒狀介質時，應進行硬化處理。處理方法有熱處理和表面堆焊硬質合金。
1.6 閥門部件的設計與計算
1.6.1直通閥
操作直通閥所需的力包括：
●克服閥芯的靜態不平衡需要的力
●提供閥座負載的力
●克服填料摩擦需要的力
●某些特定應用或結構所需的附加力
需要的全部力=A+B+C+D
A、不平衡力
??不平衡力是閥門關閉是有流體壓力引起的力，在大部通常情況下可表示為：
??不平衡力=凈壓差*凈態不平衡面積
??通常的做法是把最大上游表壓作為凈壓差，除非工藝流程設計永遠確保在最大進口壓力是有一個背壓。凈態不平衡面積是流向向上的單座閥的閥口面積。
B、提供閥座負載的力
??閥座負載，通常表示為每線形英寸閥口周長的磅力，由關閉等級要求確定。
C、填料摩擦力
填料摩擦力的大小是由閥桿尺寸，填料形式及由介質或螺栓作用在填料上的壓縮載荷決定的。較新的活動加載填料型式有很大的摩擦力，尤其是石墨填料。
D、附加力
在驅動閥門時也許需要附加的力，如波紋管剛度、密封導致的異常摩擦力、或軟金屬密封需要的特殊密封力。
1.6.2 旋轉式執行機構尺寸計算
在為旋轉閥選擇一個最經濟的執行機構時，起決定因素是打開和關閉閥門需要的力矩與執行機構的輸出力矩。
??開啟力矩 T=A（△P關閉）+B
??動態力矩 T=C（△P有效）
??其中A，B，C與旋轉閥的類型和轉角有關的系數。
1.7 執行機構
提供動力或運動去打開或關閉閥門的氣動、液動或電動裝置。氣動操作的控制閥執行機構是使用最普遍的一種執行機構，但是電動、液動和手動執行機構也被廣泛應用。彈簧薄膜氣動執行機構由于其結構的可靠性和簡單性而被最普遍地指定使用。氣動操作的活塞執行機構為要求的工況條件提供很高的閥桿輸出力，它比彈簧薄膜氣動執行機構具有更高的可靠性和方便性。電動和電液動執行機構比氣動執行機構更加復雜、更加昂貴。
氣動薄膜執行機構
A）老式氣動薄膜執行機構
該執行機構是一種過去應用最廣的執行機構。它通常接受20-100KPa的標信號壓力，具有結構簡單，動作可靠、維修方便、價格低廉等優點。
該執行機構分為正、反作用兩種形式，當信號壓力增加時，推桿向下動作的叫正作用式執行機構，反之，信號壓力增加時，推桿向上動作的叫反作用式執行機構。在結構上，正反作用執行機構基本相同，均有膜蓋，膜片，推桿部件，彈簧，支架等組成，
作用原理：當調節器或定位器的輸出信號P輸入薄膜氣室后，信號壓力在薄膜上產生推力，使推桿部件移動，并壓縮彈簧，直至彈簧的反作用力與信號壓力在薄膜上產生的推力相平衡為止。這時推桿的移動，就是氣動薄膜執行機構的位移，也稱行程。
B）精小型氣動薄膜執行機構
它主要是針對老式執行機構笨重和反作用可靠性差的問題而設計的，在減少重量和高度方面，它將老式結構的彈簧改為多彈簧，并將彈簧直接置于上下膜蓋內內，使支架大大地減小減輕，在可靠性方面，將反作用的老式執行機構的深波紋滾動膜片改成“O”型圈密封，老式結構中的推桿沒有導向，動作的平穩差，而精小型執行機構增加了導向。精小型執行機構具有可靠性高，外形小，重量輕的特點
C）薄膜執行機構的優缺點：
優點：結構簡單、可靠
缺點：A）膜片承受的壓力較低，最大膜室壓力不超過300KPa，加上彈簧要抵消絕大部分的壓力，余下的輸出力就很小了B）為了提高輸出力，通常作法是增大尺寸，使得執行機構的尺寸和重量變得很大，另一方面，工廠的氣源通常是500-700KPa，氣壓沒充分用足，這是不可取的，活塞執行機構就解決了此問題。
氣缸活塞執行機構
??活塞執行機構是氣動操作的，使用高達10Kg的高壓氣源，通常不需要氣源壓力調節器。
??活塞執行機構提供最大的輸出力和很快的驅動速度。
??活塞執行機構可以是雙作用的，以在2個方向上提供最大的力；或者是彈簧復位的，以提供失氣－打開或失氣－關閉的工作方式。
??可以安裝各種各樣的附件以便在供氣壓力切斷時定位雙作用的活塞。這些附件包括氣動保位閥和鎖定系統。
電動執行機構
??傳統的電動執行機構的設計使用了一個電動馬達和某些形式的準確減速齒輪以移動閥門。這些機構經過改進被用于連續控制，并取得了不同程度的成功。到目前為止，電動執行機構對相同的性能水平仍然比氣動執行機構要昂貴得多。這是一個技術快速發展的領域，將來的設計可能會引起一個向更多地使用電動執行機構的轉變。
電液執行機構
??電液執行機構對于無法提供氣源壓力但又需要精確地控制閥芯位置的偏遠地區是非常理想的。
手動執行機構
??手動執行機構在不需要自動控制的場合是有用的，然而，簡便的操作和良好的控制仍然是必需的。在自動控制系統的維護或停車期間，它們常常用來驅動控制閥周圍的三通閥旁路回路的旁路閥以進行手動過程控制。
??手動執行機構有各種各樣的尺寸、既可用于直通式閥，也可用于旋轉閥。
齒輪齒條執行機構
??齒輪齒條型執行機構為旋轉閥提供了一種小型且經濟的解決方案。由于空程，它們典型地用在開關場合或過程偏差度不是一個考慮因素的地方。
1.8 控制閥的檢測與測試
1.8.1氣動調節閥的主要性能及測試
??氣動調節閥的性能指標有：基本誤差、回差、死區、始終點偏差、額定行程偏差、泄漏量、密封性、耐壓強度、外觀、額定流量系數、固有流量特性、耐振動性能、壽命。由于調節閥的運輸、工作彈簧范圍的調整因素，安裝前通常需要對如下性能進行調整、檢驗：
1）基本誤差
將規定的輸入信號平穩地按增大和減小方向輸入執行機構氣室（或定位器），測量各點所對應的行程值，計算出“信號—行程”關系與理論關系之間的各點誤差，其最大值即為基本誤差。
2）回差
在同一輸入信號上所測得正反行程的最大差值即為回差。
3）始終點偏差
信號的上限（始點）處的基本誤差即為始點偏差，信號的下限（終點）處的基本誤差即為終點偏差。
4）泄漏量
5）額定行程偏差
1.9 國內外控制閥相關標準
