自力式压力調節閥是一种无需外加驱动能源，依靠被调介质自身的压力为动力源，当被调介质压力变化时按预定设定值进行自动调节的节能型控制装置。它集检测、控制、执行诸多功能于一体，自成一个独立的仪表控制系统。由于自力式压力調節閥是一款使用简单方便的节能产品，所以世界各国調節閥公司纷纷推出了各种类型的产品，主要分为杠杆式自力式調節閥、指挥器式自力式調節閥、弹簧式自力式調節閥等（以下用彈簧式自力式壓力調節閥为例）。
1、工作原理及結構特點
彈簧式自力式壓力調節閥工作原理，以常用型閥後式爲例（見圖1），閥芯的初始位置爲開啓狀態，閥後壓力P2經導壓管輸入上膜室作用在執行機構膜片上，其作用力與彈簧的作用力相平衡時的閥芯位置決定了閥的開度，從而控制閥後壓力。當閥後壓力P2增加時，P2作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時，膜片上的作用力大于設定彈簧的作用力，使閥芯向著關閉的位置運動，閥的開度減小，P2降低，直到膜片上的作用力與彈簧作用力相平衡爲止，從而使P2降爲設定值。同理，當閥後壓力P2降低时，动作方向与上述方向相反。自力式压力調節閥的阀前式调节其阀芯的初始位置为关闭状态，其力平衡原理与阀后式相同（见图2）。
自力式压力調節閥优点在于结构简单，维护工作量小压力设定点可调且范围宽，便于用户在设定范围内连续調節閥内采用压力平衡机构，使調節閥反应灵敏、控制精确、允许压差大被调介质为腐蚀性低、具有流动性的轻质油品、水、空气等，也可控制温度在350℃以下的非腐蚀性气体、蒸汽等。对于高温、高猫度的介质需要配置冷凝器、隔离罐等附件。此产品广泛应用于天然气采输、城市供热及冶金、石油、化工、电力等行业中介质连续使用工况下的调节控制。但此产品在阀后介质用量减少、或无用量时、或者间断用量时的控制又会如何呢据用户反应的现象是閥門会出现泄露情况，导致阀的前后差压完全相等当使用末段关闭后重新开始使用介质时，閥門又恢复了减压功能，同时存在憋压后再开启时造成瞬间高压冲击，极有损坏设备的可能性。下面以我公司该产品在某企业的应用实例来阐述彈簧式自力式壓力調節閥（以下简称阀）针对这类特殊工况的设计和应用。
2、特殊工藝參數
控制系統爲穩定閥後壓力的系統，介質爲氮氣，系統的初始管道壓力爲2800KPa，後工段所需要的最大流量爲2000NM3/h。工藝要求是後工段使用介質10分鍾後停止使用1小時，並按此方式循環使用；正常使用時閥後壓力穩定在700KPa，停止使用時閥後壓力不得高于800KPa。閥後輸送管道長度爲800～1000米左右（如圖3所示）。
3、設計分析
根據上述工藝要求，爲了保證控制系統介質正常使用時的壓力，可選擇一台閥降壓也可以選擇兩台，但考慮到後工段完全關閉介質時的特殊要求，選擇使用兩台閥進行雙級降壓能夠更好的分解設定壓力，減小單台閥過重的負載，以最優化的方式滿足此工藝要求。
（1）在閥內件設計方面，兩台閥的密封形式均采用軟密封形式，以提高閥的泄漏等級，減小因內漏造成的閥後壓力升高。
（2）兩台閥需要合理分配設定壓力。第一台閥的關鍵任務①當系統正常使用介質時降低大部分閥前壓力，使閥後壓力穩定在一個適中的壓力值上②能夠切斷介質且在切斷介質後閥後壓力只有小幅上升以利于第二台閥的控制。第二台閥的任務除了正常的減壓外，也應能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下起到二次切斷介質的作用，最終保證閥後壓力小于田夥幾，滿足工藝要求。
（3）在關鍵的控制元件一一彈簧的設計中，需充分考慮兩台閥的作用。相對來說第二台閥的彈贊承受壓力的變化較大，特別是兩台閥在關閉介質時，閥後的壓力都會有一定的變化，單單對于第二台閥來說閥前壓力和閥後壓力均有所變化，根據系統受力平衡分析，閥後壓力升高的幅度對彈簧的影響遠遠大于閥前壓力，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素。
（4）調節閥距控制系统末端有800～1000米左右的输送管道，当控制系统末端关闭后重新开启时产生的瞬间高压会慢慢的消耗在输送过程中，所以此压力在这种工况下可以忽略不计。
（5）此工藝要求兩台閥須頻繁的打開和關閉，所以閥的關鍵部件所采用的材料也應合理捧擇，並建議用戶及時更新易損件，以保障産品的良好性能。
4、選型計算
（1）壓力分配計算
爲確保閥後壓力在設定範圍內，其閥前壓力和閥後壓力應滿足減壓比（10：1～10：8）的關系，詳細數值見表1：
兩台閥對閥前、閥後介質壓力的合理分段應首先保證第二台閥關閉時閥後壓力不高于800KPa，那麽對于第二台閥的閥前壓力應該滿足大于最小減壓比，所以選擇第一台閥的閥後壓力穩定在1000KPa左右較爲合適，這個壓力值作爲第二台閥的閥前壓力，便于滿足第二台閥的閥後壓力穩定在700KPa。所以兩台閥的壓力分配如下：
第一台閥：閥前壓力2800KPa、閥後穩壓爲1000PKa、調壓範圍爲900-1100PKa：
第二台閥：閥前壓力1000KPa、閥後穩壓爲700KPa、調壓範圍爲600-800KPa。
（2）口徑計算
調節閥的选型主要是根据客户提供的阀前压力、阀后压力及最大流量等参数通过计算来确定阀的流量系数（Kv值）、口徑等主要參數。Kv值的計算公式有很多種，表2中的公式是針對介質爲氣體，涉及物化參數較少的計算公式。
由已給的條件計算出兩台閥的流量系Cv。
己知系統初始管道壓力爲2800KPa，後工段所需要的最大流量爲2000NM3/h。設定第一台閥的流量控制在4000NM3/h，閥後壓力穩定在1000kpa；第二台閥的流量爲已知的2000NM3/h，閥前壓力爲1000kpa，閥後壓力穩定在700kpa。介質爲氮氣，溫度爲常溫。第一台閥：p1≥2p2，所以選擇公式（1）計算kv值，第二台閥：p1<2p2，所以選擇公式（2）計算kv值：
5、設計計算
（1）閥體壁厚的計算
第一、二台閥的公稱壓力分別爲4.0MPah和1.6MPa，介質爲氮氣，選擇閥體材質爲碳素鋼即可滿足要求。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）：腐蝕余量（由設計給定，一般取C=6.3mm）；
選擇SB≥S’B即可滿足設計要求，SB（mm）實際選用厚度。
（2）閥杆強度校核計算
由于該閥的結構特點，閥杆只做上下直線運動，所以對閥杆強度核算的計算采用升降杆明杆強度驗算公式
閥杆最大軸向力（N）：取Q0及QK中最大值
合成應力OE（MPa）：取軸向應力中的最大值
KI～K4：爲應力系數值，查機械設計手冊可得具體數值
QV（N）：密封面處介質作用力；QT（N）：密封面上密封力；
Q0（N）：閥杆徑向截面上介質作用；QT（N）：閥杆與填料摩擦力；
FS（mm2）：閥杆最小截面積；
強度校核條件。OE>[OE]許用合成應力[QE]可查機械設計手冊得出。
（3）彈簧的設計計算
弹簧是自力式压力調節閥中的关键零件，采用的材料为60Si2MnA优质硅锰弹簧钢。图4为弹簧应力及应变的关系图，图中F1及F2为阀后稳压范围中最小压力及最大压力时，对应弹簧的最小受力及最大受力，Flim爲設計彈簧的極限受力。△h對應的是彈簧正常的壓縮量同時也是閥的行程。
當控制系統處于平衡狀態時，根據工藝要求的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，將此計算值代入壓縮彈簧計算公式：
根據彈簧所選擇的材料確定許用應力TP，然後在4～14範圍內初步確定旋繞比，由公式（4）計算出彈簧的簧絲直徑d，取d的圓整值由D2=Cd計算出D2：再由式（5）計算有效圈數n；最後確定彈簧的所有參數。在設計中應初設幾個旋繞比C值做計算，比較結果選取最優的方案。
6、用結論
這套自力式壓力調節閥通过现场的实际使用证明能及时将阀后压力控制在规定的范围内，具有良好的稳压性能，并当现场后工段工艺介质全关闭时充分体现了它的密封性能，很好的满足了系统的工艺要求，深得用户的好评。通过这个应用实例可以得出结论在一定的条件下通过特殊设计，自力式压力調節閥可以具备既稳定设定压力又切断介质的双重功能，为该类产品拓展了更广阔的应用领域。
球閥厂家-天沃感謝您浏覽！
