余瑞明，趙帥琦，蒲 洪，陳東旭

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江溫州 325200）

0 引言

調(diào)節(jié)閥是生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)執(zhí)行器中用量最大和最重要的產(chǎn)品之一，其中單座調(diào)節(jié)閥是可供選用的最量大面廣的通用調(diào)節(jié)閥之一，廣泛應(yīng)用于造紙、制漿蒸煮、食品、城市污水處理、電力、化纖等各行業(yè)，在各工業(yè)部門的應(yīng)用中取得了高質(zhì)量的控制效果和經(jīng)濟(jì)效益，許多文獻(xiàn)［1-4］對(duì)調(diào)節(jié)閥及單座調(diào)節(jié)閥都有過研究。PRASAD 等［5］研究了調(diào)節(jié)閥的工作原理以及調(diào)節(jié)閥可能失效的不同形式，通過使用結(jié)構(gòu)可靠性方法，從機(jī)械模型中估計(jì)了調(diào)節(jié)閥的可靠性。CHI 等［6］針對(duì)調(diào)節(jié)閥物理模型中嚴(yán)重的非線性、時(shí)變性和參數(shù)不確定性，提出一種基于混合模型的調(diào)節(jié)閥流量和壓力預(yù)測(cè)模型。馬龍博等［7］基于CFD 技術(shù)并通過建立數(shù)學(xué)模型的方法，對(duì)管道水平安裝方式下流體流過單座調(diào)節(jié)閥時(shí)的流速分布（指閥前及閥后直管段中的流速分布）進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，解決了流量計(jì)量檢測(cè)及工業(yè)過程控制中單座調(diào)節(jié)閥的流場(chǎng)擾動(dòng)問題。許多學(xué)者［8-10］針對(duì)調(diào)節(jié)閥的流量曲線、流量系數(shù)都進(jìn)行過很多研究。HUANG 等［11］提出了一種采用雙線性插值算法的數(shù)字流量補(bǔ)償器對(duì)壓降進(jìn)行補(bǔ)償，其中壓降和所需出口流量是2 個(gè)輸入?yún)?shù)，研究了一種帶有補(bǔ)償器的兩級(jí)比例流量調(diào)節(jié)閥。沈國(guó)強(qiáng)等［12］為了提高核級(jí)套筒式調(diào)節(jié)閥小開度抗堵塞能力與大開度時(shí)的介質(zhì)流通能力，設(shè)計(jì)了具有2 個(gè)大窗口和2 個(gè)小窗口的套筒，并采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了套筒式調(diào)節(jié)閥的流量特性。實(shí)際使用時(shí)適用要求越來越高，應(yīng)用的工況也越來越嚴(yán)苛，在使用時(shí)會(huì)有多種的流量要求，有的最小流量要求比正常流量小很多，選擇1 臺(tái)調(diào)節(jié)閥時(shí)的額定Cv已經(jīng)不能同時(shí)滿足這種要求［13-14］。另外，在高壓小口徑工況下，由于平衡籠式閥的結(jié)構(gòu)受限，只能選擇單座調(diào)節(jié)閥［15-17］，執(zhí)行器的配置就很大。許多學(xué)者通過仿真、計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量等方法對(duì)調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用、使用工況、工作原理、流量特性曲線和系數(shù)、執(zhí)行器等都進(jìn)行了深入的分析和研究，通過增加過流面積、增加調(diào)節(jié)閥數(shù)量、控制開口大小等來研究流量變化，取得了很多研究成果和進(jìn)展。但在高溫高壓工況下，其使用工況嚴(yán)苛，要求調(diào)節(jié)閥密封性能好，流量調(diào)節(jié)不限于額定系數(shù)Cv，在不更換和增加調(diào)節(jié)閥數(shù)量的情況下，能根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)整流量系數(shù)，同時(shí)執(zhí)行器配置又不高。目前，針對(duì)這一工況的研究還不夠完善，還未有相關(guān)調(diào)節(jié)閥研究。因此，亟需研究一種密封性好、流量不受限于額定系數(shù)Cv、執(zhí)行器配置小的調(diào)節(jié)閥以滿足高溫高壓等嚴(yán)苛工況使用要求。

針對(duì)目前高壓密封工況，單一調(diào)節(jié)閥無法滿足多種流量要求的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)在高壓工況下使用，密封良好，流量系數(shù)Cv可根據(jù)工況變化實(shí)時(shí)調(diào)整的平衡單座調(diào)節(jié)閥。該閥采用單閥結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，其閥芯具有平衡孔，在高壓工況下，閥芯也能順利運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)閥桿的執(zhí)行器配置無需很大；設(shè)置密封圈與閥芯配合，密封圈嵌在平衡閥籠與降噪閥籠之間的安裝槽內(nèi)，裝配簡(jiǎn)單，確保密封性能；在閥芯的外錐面下方還設(shè)有流量調(diào)節(jié)曲面，可以利用流量調(diào)節(jié)曲面配合進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，能夠滿足不同工況要求。

1 材料與結(jié)構(gòu)

1.1 材料

平衡單座調(diào)節(jié)閥在高溫高壓工況下使用，作為高溫材料，必須充分考慮高溫下的強(qiáng)度、金相組織變化及耐腐蝕性問題。一般要求合金鋼材料含有鉻、鎳、鉬元素。另外，在高溫高壓下，鋼受到氫氣的侵蝕，會(huì)造成脫碳現(xiàn)象，引起脆化。加入鉻、鎳、鉬元素后，與碳元素結(jié)合，可提高鋼的抗氫脆腐蝕性。在高溫工況容易出現(xiàn)閃蒸、空化現(xiàn)象時(shí)，必須充分考慮材料的耐汽蝕和耐腐蝕問題。閥座等關(guān)鍵部件耐汽蝕采用堆焊處理。

閥門材料的腐蝕量除了與間隙、晶間和應(yīng)力腐蝕等有關(guān)外，還與流體種類、濃度、溫度，以及流體是否含有氧化劑和流速等因素有關(guān)。閥門常用耐腐蝕材料主要有PTFE，F(xiàn)46 等內(nèi)襯材質(zhì)或者成本較高的各類奧氏體不銹鋼、20#合金鋼、哈氏合金B(yǎng)、哈氏合金C、鈦材等金屬材質(zhì)。平衡單座調(diào)節(jié)閥主要部件材料見表1。

表1 主要部件材料Tab.1 Materials of main components

根據(jù)不同工況，進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，由于平衡單座調(diào)節(jié)閥應(yīng)用于含有固體顆粒的流體及高溫、高壓場(chǎng)合，因此需對(duì)材料進(jìn)行硬化處理，提高強(qiáng)度，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥使用壽命。對(duì)不銹鋼鑄件材料CF8 先進(jìn)行固溶處理，然后進(jìn)行水淬快速冷卻，溫度使用范圍為-268～649 ℃。對(duì)奧氏體不銹鋼304進(jìn)行固溶處理，目的是提高材料的硬度和耐腐蝕性能，溫度使用范圍為-196～530 ℃。馬氏體不銹鋼410 是一種耐汽蝕材料，對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火），目的是提高材料硬度，延長(zhǎng)在嚴(yán)酷工況下的使用壽命，溫度使用范圍為-45～425 ℃。對(duì)沉淀硬化不銹鋼17-4PH 進(jìn)行沉淀硬化處理，即在不銹鋼化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加不同類型、數(shù)量的強(qiáng)化元素，通過沉淀硬化過程析出不同類型和數(shù)量的碳化物、氮化物、碳氮化物和金屬間化合物，在提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)又保持了足夠的韌性，溫度使用范圍為-45～425 ℃。

1.2 結(jié)構(gòu)

平衡單座調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)包括閥桿、閥座、閥芯、平衡孔、閥體、降噪閥籠裝置、密封圈、平衡閥籠、閥蓋、外閥籠、內(nèi)閥籠、外錐面、流量調(diào)節(jié)曲面，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 設(shè)計(jì)方案及工作原理

平衡單座調(diào)節(jié)閥的閥蓋連接在閥體上，閥桿配置在閥蓋上，與閥芯連接，執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)閥桿升降，帶動(dòng)閥芯軸向運(yùn)行。閥體有第一臺(tái)階結(jié)構(gòu)，閥座通過第一臺(tái)階內(nèi)嵌裝于閥體上，閥座的上端安裝了降噪閥籠裝置，降噪閥籠裝置的上端連有平衡閥籠，閥蓋安裝在平衡閥籠的上端。平衡閥籠的內(nèi)圈與降噪閥籠裝置的內(nèi)圈形成閥芯通道，閥芯安裝在閥芯通道內(nèi)，由閥芯通道對(duì)閥芯進(jìn)行導(dǎo)向，軸向運(yùn)行更穩(wěn)定，閥芯由閥桿帶動(dòng)在閥芯通道內(nèi)軸向移動(dòng)。平衡閥籠的下端有第二臺(tái)階結(jié)構(gòu)，降噪閥籠裝置的上端有第三臺(tái)階結(jié)構(gòu)，第二臺(tái)階與第三臺(tái)階相互套設(shè)，第二臺(tái)階為內(nèi)臺(tái)階，第三臺(tái)階為外臺(tái)階，第二臺(tái)階與第三臺(tái)階在內(nèi)圈處留有環(huán)槽，環(huán)槽內(nèi)安裝密封圈，密封圈與閥芯配合，裝配更方便。密封圈嵌在環(huán)槽內(nèi)，與平衡閥籠、降噪閥籠裝置裝配相結(jié)合，與閥芯密封配合及密封圈采用壓板配合螺栓固定的方式更穩(wěn)定、更有效，避免了螺栓腐蝕或振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)影響密封的情況。

閥芯有貫穿上下的環(huán)形平衡孔結(jié)構(gòu)，如圖2所示，起平衡作用，高溫高壓工況時(shí)，在推力作用下，閥芯也能運(yùn)行順暢。閥座的內(nèi)圈上端口為內(nèi)錐面結(jié)構(gòu)，閥芯的外圈為外錐面結(jié)構(gòu)，外錐面與內(nèi)錐面密封配合，外錐面的下方為流量調(diào)節(jié)曲面，如圖2 中B 放大圖所示，可以利用流量調(diào)節(jié)曲面配合閥芯進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，滿足不同工況對(duì)流量變化的要求。

圖2 閥芯結(jié)構(gòu)Fig.2 The valve core structure

進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化：（1）平衡孔軸向分布方向，閥芯加工方便、運(yùn)行穩(wěn)定。（2）密封圈采用軸向泛塞封，確保與閥芯密封配合的同時(shí)，閥芯由閥桿帶動(dòng)運(yùn)行更順利，閥桿受到的阻力更小，閥芯需要的推力更小，配置給閥桿的執(zhí)行器更小，成本更低。（3）降噪閥籠裝置包括內(nèi)閥籠和外閥籠，內(nèi)閥籠和外閥籠均開有降噪通孔，第三臺(tái)階位于外閥籠上。降噪降壓效果好，結(jié)構(gòu)合理。多層閥籠（如兩層）可用于消耗能量、控制流速、降壓降噪，適合高壓工況。（4）流量調(diào)節(jié)曲面可以進(jìn)行分段Cv調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際工況，選擇合適的可定Cv。小開度時(shí)選擇a 段，滿足小流量工況需求，如圖2 所示。大開度時(shí)選擇b段，a段過渡到b段后流量增大。上部區(qū)域a 段曲線的弧度小，下部區(qū)域b 段的曲線弧度大，滿足不同工況流量調(diào)節(jié)的需求。

平衡單座調(diào)節(jié)閥模型由SolidWorks 創(chuàng)建，模型如圖3 所示。

圖3 平衡單座調(diào)節(jié)閥模型Fig.3 Balanced single seat regulating valve model

3 不平衡力

當(dāng)流體流經(jīng)閥腔時(shí)，流體流動(dòng)對(duì)閥芯產(chǎn)生沖擊力，閥芯受到的軸向合力即為不平衡力，不平衡力大小與閥前、后壓降、閥芯形狀、閥前壓力和流體流動(dòng)特性等相關(guān)。不平衡力會(huì)影響平衡單座調(diào)節(jié)閥力系統(tǒng)的合力，削減執(zhí)行器輸出力，影響平衡單座調(diào)節(jié)閥靜態(tài)增益。克服不平衡力，執(zhí)行器需要更大的輸出力，因此，減小不平衡力使執(zhí)行器的輸出力減小，對(duì)平衡單座調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。

流體流向影響平衡單座調(diào)節(jié)閥的不平衡力，使系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生變化。流體流向與閥芯開啟方向相同時(shí)，為流開；流體流向與閥芯關(guān)閉方向相同時(shí)，為流閉。閥桿由執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)升降，帶動(dòng)閥芯上下運(yùn)動(dòng)，流開狀態(tài)平衡單座調(diào)節(jié)閥受力情況如圖4 所示。

圖4 流開狀態(tài)受力情況Fig.4 Flow open state force situation

流開狀態(tài)執(zhí)行器輸出力既有拉力也有壓力，拉力和壓力交變。當(dāng)輸出力為拉力時(shí)，不平衡力與輸出力方向相反，輸出力除了克服不平衡力外，還需克服閥桿上的摩擦力、閥芯等各活動(dòng)部件的重力，因此執(zhí)行器輸出力為：

式中，F(xiàn)a為流開狀態(tài)執(zhí)行器輸出力，N；F1為流開狀態(tài)閥桿上的摩擦力，N；F2為流開狀態(tài)閥芯上的不平衡力，N；G 為閥芯等各活動(dòng)部件的重力，N。

當(dāng)輸出力為壓力時(shí)，不平衡力與壓力方向相反，輸出力只需克服不平衡力，執(zhí)行器輸出力為：

閥芯不平衡力與輸出力方向相反，當(dāng)輸出力為拉力時(shí)，不平衡力為負(fù)值；當(dāng)輸出力為壓力時(shí)，不平衡力為正值。因此，閥芯不平衡力為：

式中，d1為閥芯直徑，mm；Δp1為流開狀態(tài)閥前、后壓差，MPa；d2為閥桿直徑，mm；p2為流開狀態(tài)閥后壓力，MPa。

流閉狀態(tài)平衡單座調(diào)節(jié)閥受力情況如圖5所示。

圖5 流閉狀態(tài)受力情況Fig.5 Flow closed state force situation

流閉狀態(tài)執(zhí)行器輸出力也是既有拉力也有壓力，拉力和壓力交變，當(dāng)輸出力為壓力時(shí)，不平衡力與輸出力相反，輸出力需克服不平衡力、閥桿上的摩擦力以及全閉時(shí)閥座對(duì)閥芯的密封所施加的壓緊力，則執(zhí)行器輸出力為：

式中，F(xiàn)b為流閉狀態(tài)執(zhí)行器輸出力，N；F3為流閉狀態(tài)閥桿上的摩擦力，N；F4為流閉狀態(tài)閥芯上的不平衡力，N；F5為全閉時(shí)閥座對(duì)閥芯的壓緊力，N。

當(dāng)輸出力為拉力時(shí)，不平衡力與壓力方向相反，輸出力只需克服不平衡力，執(zhí)行器輸出力為：

閥芯不平衡力為：

式中，Δp2為流閉狀態(tài)閥前、后壓差，MPa；p1為流閉狀態(tài)閥前壓力，MPa。

4 流量特性

4.1 流量系數(shù)與流阻系數(shù)

調(diào)節(jié)閥在流體系統(tǒng)中流通能力的大小由流量系數(shù)來衡量，流量系數(shù)越大，流體系統(tǒng)前后的壓力損失就越小，流量系數(shù)為：

式中，Cv為流量系數(shù)；K 為系數(shù)；J 為流過介質(zhì)流量，m3/h；ρ為流體密度，kg/m3；Δp 為流體系統(tǒng)壓力損失，MPa。

流阻系數(shù)與流體系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、尺寸及安裝位置等有關(guān)，流體系統(tǒng)的壓力損失等于所有影響因素壓力損失之和，流阻系數(shù)越大，介質(zhì)流通的阻力越大，壓力損失越多［18-19］，流阻系數(shù)為：

式中，μ為流阻系數(shù)；v 為流體流速，m/s。

由式（7）（8）可知，流量系數(shù)與壓差成反比，壓差越大，流量系數(shù)越小；流阻系數(shù)與壓差成正比，壓差越大，流阻系數(shù)越大；流阻系數(shù)與流速的平方成反比。

4.2 流量測(cè)試與分析

為了分析平衡單座調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)曲面配合閥芯進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的功能，對(duì)其進(jìn)行流量測(cè)試，測(cè)試流量系數(shù)Cv和調(diào)節(jié)閥前、后壓差值ΔP，流量測(cè)試系統(tǒng)包括水箱、變頻泵、節(jié)流閥、壓力傳感器、溫度計(jì)、流量計(jì)和平衡單座調(diào)節(jié)閥等。

選取DN65、DN80 和DN100 的平衡單座調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量測(cè)試。平衡單座調(diào)節(jié)閥啟閉由閥桿帶動(dòng)閥芯完成，開度為0 時(shí)，平衡單座調(diào)節(jié)閥全閉；開度為100%時(shí)，平衡單座調(diào)節(jié)閥全開。介質(zhì)為常溫空氣，室溫為20 ℃。開度從5%，10%，15%依次類推至100%，每隔5%開度測(cè)量一次，得到每個(gè)開度下的流量系數(shù)Cv和閥前、后壓差ΔP，將各流量系數(shù)和各壓差擬合成流量特性曲線和壓差曲線。平衡單座調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比為50，測(cè)得的Cv已經(jīng)綜合考慮了液流系統(tǒng)形狀、介質(zhì)特性、流體流動(dòng)等各種實(shí)際因素的影響。經(jīng)過流量調(diào)節(jié)，測(cè)得每個(gè)開度下的流量系數(shù)Cv和平衡單座調(diào)節(jié)閥前后壓差ΔP 百分比。各開度和各流量系數(shù)擬合得到流量特性曲線，如圖6 所示。

圖6 流量特性曲線Fig.6 Flow characteristic curve

根據(jù)開度和壓差百分比擬合得壓差百分比曲線，如圖7 所示。

圖7 壓差曲線Fig.7 Differential pressure curve

根據(jù)流量測(cè)試結(jié)果：平衡單座調(diào)節(jié)閥DN65，DN80 和DN100 的額定流量系數(shù)分別為68，99 和175。流量系數(shù)曲線均為對(duì)數(shù)曲線，呈等百分比流量特性。在公稱直徑變化的情況下，每個(gè)開度下均有流量系數(shù)值，表明流量調(diào)節(jié)曲面配合閥芯對(duì)流量調(diào)節(jié)起到了顯著作用。同一開度下，不同公稱直徑，能夠調(diào)節(jié)出不同流量系數(shù)，流量調(diào)節(jié)靈活，適合不同工況的需求。當(dāng)開度為5%～50%時(shí)，Cv1，Cv2和Cv3的值均不大，并隨著開度增加小幅增大，3 條流量系數(shù)曲線Cv值較接近。當(dāng)開度為50%時(shí)，流量系數(shù)Cv1，Cv2和Cv3分別為9.62，14.00和24.75，遠(yuǎn)小于額定流量系數(shù)68，99 和175，表明平衡單座調(diào)節(jié)閥在開度逐步增加的情況下調(diào)節(jié)平緩穩(wěn)定。當(dāng)開度為50%～100%時(shí)，Cv1，Cv2和Cv3的值隨著開度增加增幅逐步增大，Cv值均較大，Cv3大于Cv1和Cv2，表明流量系數(shù)與公稱直徑大小成正比，公稱直徑越大，每個(gè)開度流量系數(shù)增幅越大。當(dāng)開度為100%時(shí)，流量系數(shù)Cv1，Cv2和Cv3分別為68，99 和175，均達(dá)到了額定流量系數(shù)，表明平衡單座調(diào)節(jié)閥在開度逐步增加的情況下調(diào)節(jié)靈敏高效。當(dāng)開度為5%～100%時(shí)，隨著開度增加，壓差逐漸減小，當(dāng)開度為50%時(shí)，壓差百分比分別為50.26%，48.62%和47.78%，平衡單座調(diào)節(jié)閥半閉狀態(tài)壓差百分比均減小至50%左右。當(dāng)開度為100%時(shí)，壓差百分比分別為2.31%，1.86%和0.74%，平衡單座調(diào)節(jié)閥全開壓差均很小，即壓力損失很小，表明壓差與開度成反比，減小緩和，符合流量特性，流量調(diào)節(jié)平穩(wěn)。通過流量和壓差分析，平衡單座調(diào)節(jié)閥每個(gè)開度都可以得到不同的流量系數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

平衡單座調(diào)節(jié)閥可根據(jù)實(shí)時(shí)工況，由外錐面和流量調(diào)節(jié)閥曲面對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，廣泛應(yīng)用于石油、化工、制漿蒸煮、食品和醫(yī)藥等各行業(yè)，尤其是高壓密封工況，平衡單座調(diào)節(jié)閥對(duì)流量進(jìn)行按需調(diào)節(jié)，大大增強(qiáng)了單座調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)控能力。

5 高壓密封試驗(yàn)

為了驗(yàn)證平衡單座調(diào)節(jié)閥在高壓工況下的密封性能，在閥門壓力試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)平衡單座調(diào)節(jié)閥進(jìn)行密封測(cè)試試驗(yàn)。

5.1 試驗(yàn)條件

平衡單座調(diào)節(jié)閥DN25，壓力等級(jí)CL150，PN16，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，手動(dòng)卡裝。試驗(yàn)介質(zhì)為常溫空氣，試驗(yàn)方向?yàn)槠胶鈫巫{(diào)節(jié)閥的入口方向。對(duì)平衡單座調(diào)節(jié)閥進(jìn)行密封試驗(yàn)，測(cè)試泄漏量。試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 4213《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

氣體流過平衡單座調(diào)節(jié)閥的流量為：

式中，Q1為Δp0＜0.5p3時(shí)氣體體積流量，m3/h；Cv0為額定流量系數(shù)；Δp0為閥前、后壓差，kPa；p 為閥前、后平均壓差，kPa；G0為氣體比重，空氣為1；T 為試驗(yàn)介質(zhì)溫度，℃；p3為閥前壓力，kPa；Q2為Δp0≥0.5p3時(shí)氣體體積流量，m3/h。

平衡單座調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 平衡單座調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of balanced single seat regulating valve

保壓時(shí)間為120 s。泄漏量試驗(yàn)用于測(cè)試閥座的密封性，采用傳感器檢測(cè)每分鐘泄漏量，設(shè)定壓力值為0.35 MPa，試驗(yàn)壓力實(shí)際值為0.35 MPa，泄漏量設(shè)定值為9.46 L/min，實(shí)測(cè)泄漏量為1.21 L/min，根據(jù)GB/T 4213，泄漏等級(jí)為VI 級(jí)。試驗(yàn)表明，平衡單座調(diào)節(jié)閥密封優(yōu)良，滿足高壓工況使用條件。

6 性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高壓工況下，驅(qū)動(dòng)閥桿的執(zhí)行器配置降低后，平衡單座調(diào)節(jié)閥的閥芯能順利運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行全行程及全開關(guān)時(shí)間試驗(yàn)、漂移與抖動(dòng)試驗(yàn)、始動(dòng)偏差值試驗(yàn)、基本誤差與回差試驗(yàn)和死區(qū)試驗(yàn)。

6.1 試驗(yàn)條件

平衡單座調(diào)節(jié)閥的額定行程為16 mm，直行程，氣動(dòng)開啟，信號(hào)輸入為4～20 mA，供氣壓力為0.35 MPa。在控制閥數(shù)字化調(diào)校工作站對(duì)平衡單座調(diào)節(jié)閥進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)裝置如圖8 所示。試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 4213。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)裝置Fig.8 Field performance test device

6.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.2.1 全行程及全開關(guān)時(shí)間試驗(yàn)

全行程及全開關(guān)時(shí)間試驗(yàn)設(shè)定額定偏差為2.50%，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 全行程及全開關(guān)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of the full stroke and full switching time test

執(zhí)行器帶動(dòng)閥桿設(shè)定開啟時(shí)間為30.00 s，實(shí)際開啟時(shí)間為2.30 s；設(shè)定關(guān)閉時(shí)間為30.00 s，實(shí)際關(guān)閉時(shí)間為2.20 s；額定行程為16.00 mm，實(shí)際全行程為16.143 mm，實(shí)際偏差為0.89%。試驗(yàn)結(jié)果表明，開閉時(shí)間遠(yuǎn)小于設(shè)定時(shí)間，實(shí)際偏差小于設(shè)定額定偏差（2.50%），施加量程為0%～3%輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)閥開啟（關(guān)閉），施加量程為97%～100%輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)閥全開啟（關(guān)閉），平衡單座調(diào)節(jié)閥的全行程試驗(yàn)滿足要求。

6.2.2 漂移與抖動(dòng)試驗(yàn)

漂移與抖動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 漂移與抖動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of drift and jitter test

當(dāng)執(zhí)行器額定行程為25%，50%和75%時(shí)，閥桿反向運(yùn)動(dòng)操作信號(hào)最大值分別為25.6%，49.39%和74.58%，最小值分別為25.52%，49.36%和74.58%，差值分別為0.08%，0.03%和0.00%。隨著執(zhí)行器額定行程增大，差值逐漸減小，當(dāng)額定行程為75%時(shí)，差值為0.00%，已無漂移和抖動(dòng)。設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間為60 s，設(shè)定死區(qū)值1.00%，實(shí)際死區(qū)值結(jié)果也為1.00%。試驗(yàn)結(jié)果表明，平衡單座調(diào)節(jié)閥的漂移與抖動(dòng)試驗(yàn)滿足要求。

6.2.3 始動(dòng)偏差值試驗(yàn)

漂移與抖動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 始動(dòng)偏差值試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of start-up deviation value test %

執(zhí)行器輸入信號(hào)上限設(shè)定信號(hào)值為2.50%，實(shí)際信號(hào)值為1.36%；設(shè)定行程值為2.50%，實(shí)際行程值為2.02%，實(shí)際信號(hào)值和實(shí)際行程值均小于設(shè)定值。試驗(yàn)結(jié)果表明，平衡單座調(diào)節(jié)閥的始動(dòng)偏差試驗(yàn)滿足要求。

6.2.4 基本誤差與回差試驗(yàn)

基本誤差與回差試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 基本誤差與回差試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Basic error and hysteresis test results

開度為0%，25%，50%，75%，100%對(duì)應(yīng)的信號(hào)范圍分別為4.00，8.00，12.00，16.00，20.00 mA。根據(jù)正向和反向行程，正向誤差和反向誤差分別為0.00%，0.53%，-0.36%，-1.07%，0.00%和0.02%，0.20%，-1.30%，-1.46%，0.00%?；夭罘謩e為0.02，0.33，0.94，0.39，0.00。設(shè)定基本誤差為1.50%，設(shè)定回差為1.50%。試驗(yàn)結(jié)果表明，正、反向誤差均小于設(shè)定基本誤差，回差均小于設(shè)定回差，均在設(shè)定范圍內(nèi)，平衡單座調(diào)節(jié)閥的基本誤差與回差試驗(yàn)滿足要求。

6.2.5 死區(qū)試驗(yàn)

死區(qū)試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 死區(qū)試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of the dead zone test

當(dāng)額定行程為25%，50%，75%時(shí)，輸入信號(hào)增大值分別為0.10%，0.09%，0.06%，輸入信號(hào)減小值分別為0.06%，-0.09%，-0.05%。根據(jù)輸入信號(hào)增大值和減小值，死區(qū)分別為0.04%，0.18%，0.11%。設(shè)定死區(qū)值0.60%，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間為60 s，試驗(yàn)結(jié)果表明，死區(qū)均小于設(shè)定死區(qū)值，平衡單座調(diào)節(jié)閥的死區(qū)試驗(yàn)滿足要求。

7 結(jié)論

（1）平衡單座調(diào)節(jié)閥平衡孔結(jié)構(gòu)使得閥芯在高壓工況下也能順暢運(yùn)行，不需要裝配高配置執(zhí)行器，降低了執(zhí)行器配置和成本；密封圈嵌在安裝槽內(nèi)，相較于采用壓板配合螺栓固定密封圈的方式更穩(wěn)定，密封性更好，避免了螺栓腐蝕或振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)進(jìn)而影響密封的情況。流量調(diào)節(jié)曲面可以根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)流量，實(shí)時(shí)調(diào)整流量系數(shù)，更實(shí)用。

（2）分析了流開狀態(tài)和流閉狀態(tài)作用于閥芯上的不平衡力、平衡單座調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)與流阻系數(shù)，對(duì)平衡單座調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了流量測(cè)試，測(cè)得了DN65，DN80 和DN100 平衡單座調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)和壓差百分比隨著開度的變化曲線，并進(jìn)行了分析。

（3）在閥門壓力試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)平衡單座調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了高壓密封試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力設(shè)定值為0.35 MPa，泄漏量設(shè)定值為9.46 L/min，在保壓時(shí)間內(nèi)，實(shí)測(cè)泄漏量為1.21 L /min，根據(jù)GB/T 4213，泄漏等級(jí)為VI 級(jí)，密封優(yōu)良，滿足高壓工況使用條件。

（4）在控制閥數(shù)字化調(diào)校工作站對(duì)平衡單座調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了性能試驗(yàn)，包括全行程及全開關(guān)時(shí)間試驗(yàn)、漂移與抖動(dòng)試驗(yàn)、始動(dòng)偏差值試驗(yàn)、基本誤差與回差試驗(yàn)和死區(qū)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。