自力式壓力調節閥是一種無需外加驅動（dòng）能源，依靠被調介質自身的壓力（lì）為動力源動作的（de）產品。當被調介質壓（yā）力變化時按預定設定值進行自動調節的節能型控製裝置。它集檢測（cè）、控製、執行諸多功能於一體，自成一個獨立的儀表控製係統。由於自力式壓力調節閥是一款使用簡（jiǎn）單方便的節能產品，所以世界各國調節閥公司紛紛推出了各種類型的產品，主要分為杠杆式自力式調節閥（fá）、指揮器（qì）式自力式調（diào）節閥、彈（dàn）簧式（shì）自力式調節閥（fá）等（以下用彈簧式自力式壓力調節閥為例）。

一（yī）、工作原理及結構特點

彈簧式自力（lì）式壓力調節閥工作原理，以常用型（xíng）閥後式為例（見圖1），閥芯（xīn）的初始位置為開啟狀態，閥後壓力P2經導（dǎo）壓管輸入（rù）上膜室（shì）作（zuò）用在執行（háng）機構膜片上，其作用力與彈簧的（de）作（zuò）用力相平衡時的閥芯位置（zhì）決定了閥（fá）的開度，從而控製閥後壓力。當閥後壓力P2增加時，P2作用在膜片上（shàng）的作用力也隨（suí）之增加。此時，膜片上的（de）作用力大於（yú）設定彈簧的作用力，使閥芯向著關閉的位置運動，閥的開度減小，P2降低，直到膜片（piàn）上的（de）作用力（lì）與彈簧作用力相平衡為止，從而使P2降為設（shè）定值。同理，當閥（fá）後（hòu）壓（yā）力P2降（jiàng）低時，動作（zuò）方向與上述方向相反（fǎn）。自（zì）力（lì）式壓力調（diào）節閥的閥前式調節其閥芯的（de）初始位置為關閉狀態，其力平衡原理與（yǔ）閥後式（shì）相（xiàng）同（見（jiàn）圖2）。
　　
自（zì）力式（shì）壓（yā）力（lì）調節閥優（yōu）點在（zài）於結構簡單，維護（hù）工作（zuò）量小壓（yā）力設定點可調且（qiě）範圍寬，便於用戶在設定範圍內連續調節（jiē）閥內采用壓力平衡機構，使調（diào）節（jiē）閥反應靈敏、控製（zhì）精確、允許壓差（chà）大被調介質為腐蝕性低、具（jù）有（yǒu）流動性的輕質油品、水、空氣（qì）等（děng），也可控製溫（wēn）度在350℃以下的非腐蝕性氣體、蒸汽等（děng）。對於高溫、高粘度的介質（zhì）需要配置冷凝器、隔離（lí）罐等附件。此產（chǎn）品廣泛應用於天然氣采輸、城市供熱及冶金、石油（yóu）、化工（gōng）、電力等行業中介質連續使用工況下的調節控製。但此產品在（zài）閥後介質用（yòng）量（liàng）減少、或無（wú）用量時、或者（zhě）間斷（duàn）用量時的控製又會如何呢？根據用戶反應的現象是調節閥會出現泄露情況（kuàng），導致閥的前後差壓完全相等；當使用末（mò）段關閉後重新開始使用介質時，閥門（mén）又恢複（fù）了減壓功能，同時存在憋壓後再開啟時造成瞬間高壓衝擊，極有損（sǔn）壞設備的可能性。下麵以我公司該類產品在某企業的應用實例來闡述彈簧式（shì）自（zì）力（lì）式壓力調節閥（以下簡稱閥）針對（duì）這類特殊工況的設計和應用。

二、特（tè）殊工藝參數

控（kòng）製係統為穩定閥後壓力的係（xì）統，介質為氮氣，係統的初始管（guǎn）道壓力為2800KPa，後工段所需要的最大流量為2000NM3/h。工藝要（yào）求是後工段使用介質10分鍾後停止使用1小時，並（bìng）按（àn）此方式循環使用；正（zhèng）常使用時閥後壓力穩定在700KPa，停止使用時閥後（hòu）壓（yā）力不得高於800KPa。閥後輸送管道長度為800∼1000米左右（yòu）（如圖3所示）。
　　
三、設計分析

根據上（shàng）述工藝要求，為了（le）保證控製係統介質正常使（shǐ）用時的壓力，可選擇一（yī）台閥降壓也可以選擇兩台，但考慮到（dào）後工（gōng）段完全關（guān）閉介質時的特殊要求，選（xuǎn）擇使用兩台閥（fá）進行雙級降壓能夠更好的（de）分（fèn）解設定壓力，減小單台閥過重的負載，以最（zuì）優化的方式滿（mǎn）足此工藝要求。

（1）在閥內（nèi）件設計方麵，兩台閥的密封形式均采用（yòng）軟密封形式，以提高（gāo）閥的泄漏等級，減小因內漏造成的（de）閥後壓力升高（gāo）。

（2）兩台閥需（xū）要合理分配設定壓（yā）力。第（dì）一台閥的關鍵任務

①當係統正常使用介質時降低大部分（fèn）閥前壓力，使閥後壓力穩定在一個適中的壓力值（zhí）上

②能夠切斷介質且在切斷介質後（hòu）閥後壓力隻有（yǒu）小幅上升以利於第二（èr）台閥的控（kòng）製。第二台（tái）閥的（de）任務除了正常的減壓外（wài），也應能（néng）較好起到切斷介質的作用，並在第一台閥因其他未知原因不能正常關閉的情況（kuàng）下起（qǐ）到二（èr）次（cì）切斷介質的作（zuò）用，最終保證（zhèng）閥後壓力，滿足工藝要求。

（3）在關鍵的控製元件一一彈簧的設計中，需充（chōng）分考慮兩（liǎng）台閥的作用。相對來說第二台閥的彈簧承受壓力的變化較大，特別是（shì）兩台閥在關閉介（jiè）質時，閥（fá）後的（de）壓力（lì）都（dōu）會有（yǒu）一定的變化，單單對於第二台閥來說閥前壓力和閥後壓力均有所變化，根據係統（tǒng）受（shòu）力（lì）平衡分析，閥後壓力升高的幅度對彈簧的影（yǐng）響遠（yuǎn）遠大於閥前壓力，所以此時彈簧所承受的負載也相對變大，因此在設計計算此彈簧時應充分考慮這一因（yīn）素。

（4）調節閥距控（kòng）製係統末端有800∼1000米左右的輸送管道，當控製係統末端關閉後重新開啟時產生的瞬間（jiān）高壓會慢慢的消耗在輸送過程中，所以此壓力在這種（zhǒng）工況下可以忽略不計（jì）。

（5）此工藝要求兩台閥須頻繁的打開和關閉（bì），所以（yǐ）閥的關鍵部件所采用的材料也應合理（lǐ）捧擇，並建（jiàn）議用戶及時更新易損（sǔn）件，以保障產品的良好性能。

四（sì）、選型計算

（1）壓力分配計算

為確（què）保閥後壓力在設定範圍內，其閥前壓力和閥後壓力應（yīng）滿足減（jiǎn）壓比（10：1∼10：8）的關係，詳細數值見表1：
　　
兩（liǎng）台閥對閥前、閥後介質壓力的合理分段應首先保證第二（èr）台閥關閉時（shí）閥後壓力不高於800KPa，那麽（me）對於第二台閥的（de）閥前壓力應該（gāi）滿（mǎn）足大於最小（xiǎo）減（jiǎn）壓比（bǐ），所以選擇第一台閥的閥後（hòu）壓力穩定在1000KPa左右較為合適，這個壓力值作（zuò）為第二台閥的閥前壓力，便於滿足第二台閥的閥後（hòu）壓（yā）力穩定（dìng）在700KPa。所（suǒ）以兩台閥的壓力分配如下：

第一台閥：閥前（qián）壓力2800KPa、閥後穩壓為1000KPa、調壓範圍為900-1100PKa：

第二台閥：閥前（qián）壓力1000KPa、閥後穩（wěn）壓（yā）為700KPa、調壓（yā）範圍為600-800KPa。

（2）口徑計算

調節閥的選型主要是根據客戶提供的閥前壓力、閥（fá）後壓力及最大流量等（děng）參（cān）數（shù）通過計算來確定閥的流量係數（Kv值）、口徑等主要參數。Kv值的計算公式有（yǒu）很多種（zhǒng），表2中的公式是（shì）針對介質為氣體，涉及物化參數（shù）較少的計算公式。
　　
由已給的條件計算出兩台閥的流量係Cv。

己（jǐ）知（zhī）係統初始管道壓力為2800KPa，後工段所需要的最大流量為2000NM3/h。設定第一台閥的流量控製在4000NM3/h，閥後壓力穩定在1000kpa；第二台閥的流（liú）量（liàng）為已（yǐ）知的2000NM3/h，閥前壓力為1000kpa，閥後壓力穩（wěn）定在700kpa。介質為氮氣，溫度為常溫。第一台閥：p1≥2p2，所以選擇公式（1）計算kv值，第二（èr）台閥：p1<2p2，所以選擇公式（2）計算kv值：
　　
代入已知條件計算出kv，再（zài）根據式（3）計算出的Cv大小對應選型，第一台閥口（kǒu）徑為DN25；第二台閥口徑為DN40。

五、設計計算

（1）閥體壁厚的計算

第一、二台閥（fá）的公稱壓力分別為4.0MPah和1.6MPa，介質為氮（dàn）氣，選擇（zé）閥體材質（zhì）為碳素鋼即可滿足要求（qiú）。根據如下常用的鋼及合金鋼閥體壁厚計算公式，代入已知參數計算閥體壁厚。
　
式中，P（MPa）：計算壓力（由設計給（gěi）定）；Dn（mm）：計算口徑（由設計給定）；

[OL]（MPa）：許用拉應力，可查機械設計手冊得出；

C（mm）：腐蝕餘量（由設計給定，一（yī）般取C=6.3mm）；

選（xuǎn）擇SB≥S''B即（jí）可滿足設計要求，SB（mm）實際選用厚度。

（2）閥杆強度校（xiào）核計算

由（yóu）於該閥的結構特點（diǎn），閥杆隻做上下直線運動，所（suǒ）以對閥杆強度核算的計算采（cǎi）用升降杆明杆強度驗算（suàn）公式

關閉時閥杆總軸向力（N）：

開（kāi）啟（qǐ）時閥杆總軸向力（N）：

閥杆最大軸向力（N）：取Q0及QK中最大值

軸向應力（MPa）：

合成應力OE（MPa）：取軸向應力中的最大值

KI∼K4：為應力係數值，查機械設計手冊可得具體數（shù）值

QV（N）：密封麵處介質（zhì）作用力；QT（N）：密封麵上密封力；

Q0（N）：閥杆徑（jìng）向截（jié）麵上（shàng）介（jiè）質作用（yòng）；QT（N）：閥杆與填料摩（mó）擦力；

FS（mm2）：閥杆最（zuì）小截麵積；

強度校核條件。OE>[OE]許用合成應力[QE]可查機械設計手冊得（dé）出。

（3）彈簧的設（shè）計計算

彈簧是自力式壓力調節閥中的關鍵零件，采（cǎi）用的材料為60Si2MnA優質矽錳彈簧鋼（gāng）。圖4為彈（dàn）簧應力及應變（biàn）的關係圖，圖中F1及F2為閥後穩壓範圍中最小壓力（lì）及最大壓力時，對應彈簧的最小受力及（jí）最大受力，Flim為設計彈（dàn）簧的極限受力。△h對應的是彈簧正常的壓縮（suō）量同時也是（shì）閥的行程。

當控製係統處於平衡狀態（tài）時，根據工藝要求的（de）設定壓力值計算出彈簧受到的最小壓力和最大壓力F1及F2並，將（jiāng）此計算值（zhí）代入壓縮彈簧計算公式：
　　
根據彈簧所選擇（zé）的（de）材（cái）料確定許用應力（lì）TP，然後在4∼14範圍內初步確定旋繞比，由公式（4）計算出彈簧的簧絲（sī）直徑d，取d的圓整（zhěng）值由D2=Cd計算出D2：再（zài）由式（5）計算有效圈數n；最後確定彈簧的所（suǒ）有參數。在設計中應初設幾（jǐ）個旋繞比C值（zhí）做計算，比（bǐ）較結果選（xuǎn）取最優的方（fāng）案。

六、結論

這套自（zì）力式壓力調節閥通過（guò）現場的實際使用證（zhèng）明能及時將閥後壓力控製在規定的範圍內，具（jù）有良好的穩壓性能，並當現場後工段工藝介質全關閉時充分體現了它的密封性能，很好的（de）滿足了係統的工藝要求，深得用戶的好評。通過這個應用實例可以得出結論在一定（dìng）的條件下通過特殊設（shè）計，自力式壓力調節閥可以具備既穩定設（shè）定（dìng）壓力又切斷介質的雙（shuāng）重功能（néng），為該類（lèi）產品拓展了更廣闊的應用領域。