4.2.2 截止控制阀设计
在描述截止阀的结构元件时,截止阀体势截止阀的主要承压部件,它有管线相匹配的端部连接和密封的阀芯(见图4.1)。截止阀的流动通道应设计没有尖角或刀口的光华而完整的器壁,并提供平稳的物流而不产生异常的湍流和噪音。流动通道本身必须具有恒定的面积以避免产生任何附加的压力损失和较高的流速。截止阀可使用几乎任何一种端部连接,但法兰连接除外。显然,对于长的面对面连接尺寸,在两个法兰之间需要长的螺栓,故在温度循环中,其热膨胀是敏感的。
单阀座阀芯是胜过封闭元件的。因为节流阀超过了恰好开启或关闭指出,倒不如说它是个调节元件,它使阀门根据流动特性(可能是等百分比、直线型或快开型),相对于阀的位置而改变流率。典型的阀芯由三部分组成:阀芯,它是调节元件的动部分;阀座环,它是静止部分;阀座支持架或外壳。位于阀座环内的部件叫阀芯头,而通过截止阀组合件顶部深处的部分叫做阀芯杆。阀芯杆和执行机构阀杆用丝口连接在一起,成为一个整体连接而没有任何自由活动或运动。执行机构阀杆安装在执行机构活塞或膜板上,它将风动力或液压力传送到调节元件。单阀座阀芯的基本优点是它使严密的关闭成为可能,通常好于阀门最大流量或Cv的0.01%。这是因为执行机构之力能够直接作用在阀座表面。执行机构的力愈大,则阀门关闭得愈严密。
有两种尺寸的截止阀阀芯可供采用:一是全面积阀芯,指的是在截止阀的特定尺寸内能够通过最大物流量的阀座面积;而是缩径阀芯,是用于当截止阀希望节流到比该尺寸阀门规定的流量较小的流量时。如果使用全面积阀芯,阀门必须关闭阀座进行节流,或是少量增加流量,但这对某些执行机构是困难的。有限的方法是使用具有较小阀座面积的阀座环并与阀芯匹配,此种结构叫做缩径结构。大多数制造商为每一种尺寸的阀门提供四岛五种尺寸的缩径阀芯。
阀帽是另一主要承压部件,它有两个目的。首先,他为阀体提供了精致的帽或盖,并用阀帽或阀体的垫片密封。第二,他用填料盒(一系列的填料环)、压盖和导向器、填料间隔件及防挤出环等去密封阀芯阀杆,以防止或减少向大气泄漏。安装在填料盒以上的是压盖法兰,它是用螺栓与阀帽顶部连接。当压盖法兰螺栓拧紧时,填料被压缩,并将阀杆及阀帽孔密封。
阀芯头的导向与阀座环有关,它是由两种类型的导向器完成。双底部阀杆导向器,使用两个紧密配合的导向器位于填料盒两端,以保持阀芯与阀座环同心(图4.2)。导向器可由于阀芯匹配的一种金属整体制成以避免磨损,或也可使用弹性体或石墨衬套。双顶部阀杆导向器的关键因素是两个导向器必须是远远地互相离开,以避免由于工艺物流作用于暴露在工艺物流的阀芯头上面产生的任何侧向运动。导向器、阀帽孔以及驱动杆必须保持恰当的容许偏差,以便维持一个平稳的直线运动而不会咬合或溢出的配合。当工艺物流冲击阀芯头时为避免侧向运动,某些阀芯配有大直径的阀杆以抵抗弯曲。但与较小直径的阀杆相比较,较大直径的阀芯会增加圆周长度,从而增加密封和泄漏的可能性以及填料摩擦。但阀杆摩擦问题可使用较高推力的执行机构来纠正,例如使用活塞圆筒执行机构,他很容易地应付增加的阀杆摩擦。
第二种导向器的结构是笼式阀芯导向器。对于笼式阀芯导向器结构(图4.3)上导向器防御填料盒顶部,而下导向器表面位于物流之内,利用阀芯头俄外径在笼式阀芯导向器的内径内进行导向。因为上导向器和下导向器之间的距离是很大的,因而工艺物流造成的侧向阀芯运动不是个问题,故这种导向器所要求的容许偏差不像双底部阀杆导向器那样精密。这也可以使用较小直径的阀芯杆,从而提供一个较小的密封表面和减少阀杆磨损(当使用下部执行机构时,它是必需的)。笼式阀芯导向器可以降低操作中阀芯的任何振动变化和协助制成阀芯头的重量。因为导向器表面是在物流之中,故工艺介质应相对地物颗粒,或不产生咬合或划痕。在同样情况下,由相同的或近似的材料制造的阀芯头和笼式阀芯之间在演唱操作时会磨损。高温也可导致热膨胀和咬合。对于磨损和温度问题,可采用由弹性体或不磨损金属制成导向环以不久,该导向环安装在加工到阀芯头内部的沟槽中。
笼式阀芯设计成带有打的流动孔(由2个到8个)以使物流根据流动方向流入或流出阀座。它们也可以改进为分阶段的压力降,即是减少阀门的压力降和流速以避免产生空穴、闪蒸、磨损、振动和高噪音水平。为确保阀芯密封表面和阀座环密封表面的对准中心,某些设计将笼式阀芯和阀座环并成一个部件,此种一个部件结构能维持笼式阀芯内径和阀座内部直径同心。
笼式阀芯也可用于确定流动特性。笼式阀芯的流动孔,有时可加工成具有可使阀芯自阀座环提升的形状。采用此种办法,一定百分数的流动孔面积被打开,而仅允许在形成那部分的流量通过。变化孔的尺寸和形状,可产生不同的流动特性。
在阀芯设计中,不具特征的笼式阀芯(例如那些用一个阀座环支架或用螺纹拧入阀座的笼式阀座,它将在以后讨论),阀芯头可加工成特殊形状以提供固有的流动特性。想反,在图4.4中,表示一个可提供直线式特性的V形阀座阀芯头,它是圆柱形并带有加工到圆柱体内的V形槽。
对于截止阀,阀芯的阀座表面在关闭点时,应与阀座环接触表面全部封闭。虽然在以前阀门使用同一角度,但现行的结构采用的角度则有不同,其阀芯角度比阀座环的角度较为陡峭。这些轻微的不匹配,确保了一个狭窄的接触点,使得全部阀芯轴向力传递到阀座,以保证金属对金属的最严密的关闭可能性(正常的ANSI Ⅱ级关闭是标准,但是使用高推力圆柱执行机构也能达到Ⅳ级关闭)。如同分类上允许有小量的工艺泄漏一样甚至对ANSI Ⅳ级关闭,金属对金属阀座也永远不会完全封闭物流。
阀座环固定于阀体上时,阀座环和阀体之间的缝隙用垫片密封。阀座环固定在阀体上可采用一下两个方法之一。
首先,常用固定阀座环的方法是通过夹持的办法。阀座环嵌入阀体加工成较大的直径内,并采用阀帽的阀座环之间的一个零件(叫做阀座保持架)使其保持就位。如果保持架用来导向阀芯头,它叫做笼式阀芯,但也能起到支持阀座环的双重目的作用。如果加工的阀体直径较大,阀座环将会有某些自由运动,从而产生侧向运动,此侧向运动可使阀芯和阀座快速而容易地对正中心。组装过程中,在阀帽法兰螺栓全部拧紧之前,一个信号送到执行机构,使阀芯头就位于阀座上,在两个零件相匹配的支座表面之间提供一个正确的对中。当阀芯和阀座环对中之后,拧紧阀帽法兰螺栓,其后续之力通过支持架或笼式阀芯传递以获得阀芯头与阀座环的就位位置。如果阀座环没有自身调节功能,它的支座表面必须与阀芯头的支座表面研磨。研磨是一种工艺,即是将淹没材料放在阀座环的支座表面上,将阀芯放于其上并旋转知道全部接触。支承的阀座环以容易拆卸而为人所熟知,特别是在有腐蚀倾向的工况,因为一旦阀帽和阀座支撑架或笼式阀芯被拆卸后,阀座环恰好由阀体内取出。支承的阀座环惟一的缺点是只有在使用高推力的执行机构时,它才能很好地工作,这是因为需要大的支座力才能保证良好的阀座环垫片密封。
第二个卡紧阀座环的办法是螺纹连接结构,即将阀座环用丝扣拧入阀体。这种结构的主要优点是不需要其他零件支承阀座环,而能提供一个简单的阀芯结构,并且没有笼式阀芯或阀座支持架来限制物流。对于三通阀或双阀座阀,采用阀座支持架或笼式阀芯从设计角度来说是不可能的,惟一的地踢办法是螺纹连接阀座的办法。带螺纹的阀座环广泛地应用于冷冻工况,在此冷冻工况中,阀体顶部要延长,以提供一个工艺介质和填料盒及顶部工件之间的物流隔离段。
具有螺纹的阀座有以下三个方面的缺点:首先和最明显的是螺纹可能被腐蚀,而使拆卸困难,这在长期使用情况下不是不可能的;第二,在阀芯和阀座环之间需要研磨供需以获得所需要的关闭;第三,在有振动情况下,在关闭的位置时,阀座环最终可能会松弛和产生泄漏及轴线不对中。去哦能根治,带螺纹的阀座环的缺点远远地超过其优点,因此较新的单阀座结构使用支架结构。当不能或者不能优先采用阀座支持架或笼式阀芯,并且介质的腐蚀不允许使用带螺纹的阀座时,则使用剖开阀体是切实可行的代替方法。
某些截止阀工况要求鼓泡严密关闭(ANSI Ⅳ级),这在金属对金属的密封上是得不到的。为实现此目的,可将一个弹性体嵌入阀座环内。在大多数结构中,阀座环由两部分制造而成,而弹性体则防御两个部件之间,如图4.5。如果阀芯和阀座环表面是同心的,组合的金属阀芯表面压向阀座环的支承表面能获得鼓泡严密关闭。某些制造厂将弹性体嵌入阀芯,也可获得同样的效果。