周晶 惠政

（1.中石化上海工程有限公司，上海 200120；2. 蘇州諾華科技有限公司，蘇州 215537）

機械工業(yè)部標準JB/T 8218—1999執(zhí)行器術語中對自力式調節(jié)閥的定義是，“無需外加動力源，只依靠被控流體的能量自行操作并保持被控變量恒定的閥”。目前自力式調節(jié)閥已有大量的實際應用，有些醫(yī)藥工廠應用高達700～800臺。由于關于自力式調節(jié)閥性能指標、適用場合、制造要求的綜合論述文獻較少，本文根據當前產品的發(fā)展和應用情況予以論述。

1 自力式調節(jié)閥的基本分類及原理[1, 6]

自力式調節(jié)閥是一種無需外來能源驅動的調節(jié)閥，依靠被調介質本身的壓力、溫度、流量變化進行自動調節(jié)的節(jié)能儀表。它是一類把測量、控制和執(zhí)行功能合為一體，利用被控對象本身能量帶動其動作的調節(jié)閥。

自力式調節(jié)閥按照用途區(qū)分，可分為壓力、差壓、溫度和流量控制閥；按照執(zhí)行機構形式區(qū)分，可分為薄膜式和活塞式；按照閥座形式區(qū)分，可分為單座、雙座和套筒式。自力式調節(jié)閥又分為直接作用式和指揮器作用式兩種。

直接作用式自力式調節(jié)閥利用過程本身的壓力或壓差驅動執(zhí)行機構動作，然后驅動閥門動作。其特點是結構簡單、操作方便。早期產品的調節(jié)精確度一般為±8%～±10%。近年來，隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展，可以提高到±5%以內。帶指揮器的自力式調節(jié)閥，可大幅提高調節(jié)精度。特別是大口徑，大流量的應用場合多為帶指揮器的自力式調節(jié)閥產品。

1.1 自力式壓力、差壓和流量調節(jié)閥

自力式壓力調節(jié)閥根據取壓點位置分閥前和閥后兩類，取壓點在閥前時，用于調節(jié)閥前壓力恒定；取壓點在閥后時，用于調節(jié)閥后壓力恒定。對于高溫介質如蒸汽，可采用冷凝器降低介質溫度，以保護執(zhí)行機構膜片，避免膜片受高溫損壞。取壓方式有閥門本體取壓和管道取壓之分，選用時視實際工況而定。圖1是帶冷凝器管道取壓的自力式壓力調節(jié)閥示意圖。

圖2是自力式差壓調節(jié)閥。圖中，“流量設定調整”用于調節(jié)流阻。“設定調整”用于改變彈簧的初始預緊力，調節(jié)差壓的設定值。圖中的差壓是用兩個薄膜執(zhí)行機構輸出推力的比較來實現(xiàn)的，也可只用一個薄膜執(zhí)行機構。當將閥前和閥后壓力同時引入執(zhí)行機構的氣室兩側時，自力式差壓調節(jié)閥可以控制調節(jié)閥兩端的壓差恒定。

自力式流量調節(jié)閥工作原理與其相類似，也可將安裝在管道上孔板兩端的壓差引入薄膜執(zhí)行機構的氣室兩側，組成自力式流量控制回路，或用其他差壓流量測量方式通過自力式差壓調節(jié)閥實現(xiàn)流量控制。

1.2 自力式溫度調節(jié)閥

自力式溫度調節(jié)閥的溫度信號來自溫包，當溫度變化時，溫包內的填充介質膨脹所產生的壓力也發(fā)生變化，該壓力信號作為控制信號，使自力式溫度調節(jié)閥動作。圖3是自力式溫度調節(jié)閥的示意圖。

1.3 帶指揮器的自力式調節(jié)閥

帶指揮器的自力式調節(jié)閥除執(zhí)行機構部分外與直接作用自力式調節(jié)閥相同，其設定信號由指揮器的設定彈簧設置。圖3是帶指揮器的自力式壓力調節(jié)閥原理圖，用于閥后壓力控制。如果閥后壓力升高，表示膜頭①下面的壓力高于上面壓力，閥芯③上移，調節(jié)閥的流通面積減小，使閥后壓力下降。同時，作用在指揮器膜片④的壓力也升高，其作用力大于由設定彈簧⑤提供的作用力，使指揮器組件⑥移動，擋板⑦靠近噴嘴⑧，指揮器輸出壓力隨之減小，即在膜頭①上面壓力減小，使閥芯③上移，直到閥后壓力與設定彈簧的作用力平衡為止。針閥②用于調節(jié)放大系數，過濾器⑨用于過濾介質中的顆粒雜質，防止噴嘴被堵塞。

2 自力式調節(jié)閥的特點及主要技術性能

自力式調節(jié)閥不需要任何外加能源，它利用被控流體自身能量而實現(xiàn)自動連續(xù)調節(jié)，具備一般控制回路所包含的檢測、變送、設定、調節(jié)、執(zhí)行等功能。綜合近年來各種資料[2-5]，現(xiàn)將常用的單座自力式調節(jié)閥的性能列于表1。

表1 單座自力式調節(jié)閥主要性能

圖1 自力式壓力調節(jié)閥

3 自力式調節(jié)閥的典型應用

由于自力式調節(jié)閥安裝簡單，無須能源，調校維護簡便的特點取得了很好的綜合效益。某大型制藥廠已有大量的自力式調節(jié)閥的應用，氮封系統(tǒng)，廢氣排放系統(tǒng)（呼吸閥）和壓縮空氣減壓系統(tǒng)采用了自力式壓力調節(jié)閥，換熱冷卻系統(tǒng)采用了自力式溫度調節(jié)閥。具體實際應用情況如下：

3.1 自力式壓力調節(jié)閥應用情況

3.1.1 主要工藝應用

（1）常壓下罐頂的機械式呼吸閥，并可滿足GMP要求。

（2）微壓氮封控制，在需要進行惰化反應的設備需要保持微正壓的情況下，應用于進氣和排氣。

（3）壓縮空氣減壓，對進車間的壓縮空氣進行多級減壓。

圖2 自力式差壓調節(jié)閥

圖3 帶指揮器自力式調節(jié)閥

圖4 自力式溫度調節(jié)閥

3.1.2 檢修維護措施

每兩年對閥門進行一次功能測試，對閥門前端打壓，測量后端輸出。

針對進氣場合，在閥門前端提供高于設定值的恒定氣源，測量后端壓力，如有偏差進行彈簧調整。

針對排氣場合，通過進口打壓，看進口壓力是否恒定在設定值，如有偏差進行彈簧調整。

對于物料比較容易堵塞的閥門，每年進行一次拆解調壓。對閥體進行拆解清洗，再重新調壓。

3.1.3 投用情況

在裝置運行比較穩(wěn)定時，每年檢測需要更換和維修的比較少。一般情況下，膜片破壞概率小于1%，容易被發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)故障以后進行膜片更換。膜片破損的主要原因是由于工藝超壓超溫所致（主要為超溫）。根據具體工況特性選擇耐高溫、耐低溫的膜片，或者通過加冷凝器的方式可以避免介質溫度超限導致的故障。對于壓縮空氣等常溫和較為潔凈的氣體，極少出現(xiàn)問題，只要保證常規(guī)的年度功能測試即可。

3.2 自力式溫度調節(jié)閥應用情況

3.2.1 主要工藝應用

（1）用于換熱器出口溫度控制的溫度自力式調節(jié)閥(內部溫感點)。

（2）用于換熱器出口溫度控制的溫度自力式調節(jié)閥(毛細管外部溫感點)。

3.2.2 發(fā)生的應用問題

（1）閥芯卡死；

（2）閥門打不開；

（3）溫包毛細管破裂；

（4）執(zhí)行器卡死；

（5）執(zhí)行器內部出現(xiàn)冷凝水后生銹；

（6）執(zhí)行器頂桿收縮后不彈出；

（7）閥門內漏大。

3.2.3 檢修維護措施

（1）在沒有做相關的年度檢查之前，故障概率比較大。增加了年度檢查后，相對概率降低。年度檢查內容為：檢查調節(jié)功能是否正常，手動調整溫度，看調節(jié)閥是否有相應動作；檢查毛細管是否有泄漏。

（2）因采用發(fā)泡劑進行保溫，導致發(fā)泡劑進入閥門，使閥門卡死。更改保溫方式后，該問題得到解決。

（3）因碳鋼彈簧生銹導致執(zhí)行器卡死的現(xiàn)象。將彈簧換為不銹鋼材質后，問題得以解決。

（4）對于投用較少的管線，因自力式閥門長期不工作導致一些部件卡死。經針對這些閥門進行定期檢查調校，大大降低了故障概率。

4 提高閥內件質量是優(yōu)化自力式調節(jié)閥的關鍵

由于大型制藥廠對成品質量控制極嚴，但成品產量和批量并不大，所以工藝的管道較小，而且高溫、高壓的工藝情況不多。這種情況下，采用自力式調節(jié)閥不但節(jié)省能源，還可省去儀表氣源及信號配管、配線等設計和施工費用。實際上，自力式調節(jié)閥如果能達到高調節(jié)精度、機械加工精良、產品質量過硬等要求，便可適用于更廣泛的場合。自力式調節(jié)閥作為一種機械產品，近年來，國內制造廠優(yōu)化自力式調節(jié)閥創(chuàng)新設計走出了可喜的一步，在提高自力式調節(jié)閥的性能和閥內件內在質量方面，已接近和達到國際先進水平。下面以上海某自力式調節(jié)閥制造廠的產品為例，著重介紹這類閥門的一些優(yōu)化設計：

4.1 無支架的優(yōu)化設計

如果閥桿的同軸度比較低，可導致閥桿因不同心引起的閥桿卡澀，從而使摩擦力增大。此摩擦力會對設定壓力產生偏差，嚴重的甚至會使閥桿表面拉毛導致密封失效和造成介質向外泄漏。通常的結構是采用帶支架的設計，如圖5所示。這種設計對同軸度的要求很高，一旦略有偏差，很容易造成閥桿卡澀。

優(yōu)化后設計結構如圖6所示，它采用無支架設計，因此，只要彈簧兩端面平行，就可保證不發(fā)生閥桿偏斜。

4.2 無磨擦填料及力平衡閥芯的優(yōu)化設計

眾所周知，自力式調節(jié)閥按力平衡原理設計，被控流體的介質壓力對閥芯不平衡力越小越好，通過優(yōu)化設計明顯改善自力式調節(jié)閥的動態(tài)特性。采用無磨擦填料及力平衡閥芯的自力式調節(jié)閥，其顯著的效果是靈敏度獲得了提高，被控對象與設定值的偏差減小。

4.3 精密氣動元件的微差壓自力式調節(jié)閥

微差壓自力式調節(jié)閥在工業(yè)爐、氫冷發(fā)電機組、空分裝置、化學品、油品儲罐氮封系統(tǒng)等領域被廣泛應用。微壓差對大型油、液體儲罐為重要的設計指標，壓差越小對密封薄壁儲罐受壓強度越安全。

通過優(yōu)化設計，指揮器采用精密氣動元件—噴嘴擋板、主腔采用敏感檢測元件和系統(tǒng)多級降壓后，將原來的自力式調節(jié)閥最小微壓差0.5 kPa（50 mmH2O水柱壓力）向下延伸一個等級，即最小微壓差達到0.1 kPa（10 mmH2O水柱壓力），是目前國內、外壓差最小的微壓自力式調節(jié)閥。其外形如圖7所示。

4.4 無切削精密熔模鑄造技術

近年來，閥內件的毛坯加工工藝先進，采用先進的少切削或無切削精密熔模鑄造技術、加工件經T5熱處理（固溶處理加不完全人工時效）、表面噴丸，使材料的加工余量和材料機械特性得到保證。

圖5 有支架設計結構圖

圖6 無支架設計結構圖

圖7 微壓差自力式調節(jié)閥外形圖

閥內件機械加工采用加工中心精密機床，閥內件加工尺寸偏差可做到0公差，自力式調節(jié)閥總裝無需修配，零部件互換性和一次性成品合格率達100%。圖8為產品零部件和整機實物照片。

圖8 自力式調節(jié)閥的閥體和閥內件

5 自力式調節(jié)閥的調節(jié)精確度

每一臺自力式調節(jié)閥的調節(jié)偏差，在機械加工成型后都是固定的，但調節(jié)精度目前為止并沒有標準的計算方式。有部分自力式調節(jié)閥制造廠會采用固定的壓力調節(jié)偏差與調節(jié)壓力設定值的百分比作為調節(jié)精度。JB/T 11049行業(yè)標準中規(guī)定，中壓型自力式調節(jié)閥的壓力P設定范圍為600 kPa(P1)＜P≤1 600 kPa(P2)，其調節(jié)范圍的比為1：2.67。假如有某臺中壓型自力式調節(jié)閥調節(jié)偏差為80 kPa，當壓力設定P=1 600 kPa，那么調節(jié)精度就為80÷1 600×100%=5%；當壓力設定P=600 kPa時，那么調節(jié)精度就為80÷600×100%=13.3%；兩者調節(jié)精度相差2.67倍。

一般來說，在合理的流量范圍內，自力式調節(jié)閥的壓力設定值，設定在彈簧壓力范圍的高壓端處比設定在低壓端處的調節(jié)精度要高。

鑒于目前調節(jié)精度并沒有規(guī)范或行業(yè)標準來做明確的定義，故此處調節(jié)精度的觀點，希望大家一起予以討論。

6 結束語

自力式調節(jié)閥最大的特點是可在無電、無氣的場所工作，無需配備氣源管線和電纜，既方便又節(jié)約了能源，在合適的場合選用是一種性價比非常高的選擇。目前，很多自力式調節(jié)閥的制造廠商，在機械加工、材料等方面做出了極大的努力，希望通過改進和提高產品質量和控制精度來達到更好的控制效果和更高的可靠性，以期進一步達到擴大自力式調節(jié)閥應用范圍的目的。相信，在適當的工況下選擇使用自力式調節(jié)閥，可為用戶節(jié)約可觀的投資成本和維修費用。

[1] 何衍慶等.控制閥工程設計與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2] Samson.自力式壓力調節(jié)器[X/OL].http://www.samsonchina.com.2008-06-10.

[3] 徐州阿卡控制閥有限公司.直行程調節(jié)閥（下冊）[X].2005.5,P82～100.

[4] JB/T 11049-2010自力式壓力調節(jié)閥[S].北京:中華人民共和國機械行業(yè)標準2010.

[5] 上海賽凌自控設備有限公司.自力式壓力調節(jié)閥.[X/OL]. http://www.shslvalve.com.2013.

[6] 石油化工自動控制設計手冊（第三版）[M].北京：化學工業(yè)出版,2000.1