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氣动調節閥工作原理及故障分析

氣动調節閥概述

氣动調節閥是石油、化工、電力、冶金等工业企业普遍使用的工业過程控制儀表之一。氣动調節閥通常由氣动執行機構、閥門、定位器等連接安裝調試後形成氣动調節閥。氣动調節閥就是以壓縮空氣为动力源,以氣缸为執行器,并借助于電氣閥門定位器、轉換器、電磁閥、保位閥等附件去驅动閥門,實現开關量或比例式調節,氣动調節閥接收工业自动化控制系統的控制信号来完成調節管道介質的流量、壓力、溫度等多種工藝參數。

氣动調節閥工作原理:

氣动調節閥就是以壓縮空氣为动力源,以氣缸为執行器,并借助于電氣閥門定位器、轉換器、電磁閥、保位閥等附件去驅动閥門,實現开關量或比例式調節,接收工业自动化控制系統的控制信号来完成調節管道介質的:流量、壓力、溫度等多種工藝參數。

氣动調節閥工作原理(圖)

氣动調節閥通常由氣动執行機構和調節閥連接安裝調試組成,氣动執行機構可分为單作用式和雙作用式兩種,單作用執行器内有複位彈簧,而雙作用執行器内沒有複位彈簧。其中單作用執行器,可在失去起源或突然故障時,自动歸位到閥門初始所設置的开啟或關閉狀态。

氣动調節閥根據动作形式分氣开型和氣關型兩種,即所謂的常开型和常閉型,氣动調節閥的氣开或氣關,通常是通過執行機構的正反作用和閥态結構的不同組裝方式實現。

氣动調節閥作用方式

氣开型(常閉型)是當膜頭上空氣壓力增加時,閥門向增加开度方向动作,當达到輸入氣壓上限時,閥門處于全开狀态。反過来,當空氣壓力減小時,閥門向關閉方向动作,在沒有輸入空氣時,閥門全閉。顧通常我們稱氣开型調節閥为故障關閉型閥門。

氣關型(常开型)动作方向正好與氣开型相反。當空氣壓力增加時,閥門向關閉方向动作;空氣壓力減小或沒有時,閥門向开啟方向或全开为止。顧通常我們稱氣關型調節閥为故障开啟型閥門。

氣开氣關的選擇是根據工藝生産的保險角度出發来考慮。當氣源切斷時,氣动調節閥是處于關閉位置保險還是开啟位置保險。

舉例来說,一個加熱爐的燃燒控制,調節閥安裝在燃料氣管道上,根據爐膛的溫度或被加熱物料在加熱爐出口的溫度来控制燃料的供應。这時,宜選用氣开閥更保險些,因为一旦氣源停止供給,閥門處于關閉比閥門處于全开更合适。如果氣源中斷,燃料閥全开,會使加熱過量發生危險。又如一個用冷卻水冷卻的的換熱設備,熱物料在換熱器内與冷卻水進行熱交換被冷卻,調節閥安裝在冷卻水管上,用換熱後的物料溫度来控制冷卻水量,在氣源中斷時,調節閥應處于开啟位置更保險些,宜選用氣關式(即FO)調節閥。

閥門定位器

閥門定位器是調節閥的主要附件,與氣动調節閥大大配套使用,它接受調節器的輸出信号,然後以它的輸出信号去控制氣动調節閥,當調節閥动作後,閥杆的位移又通過機械裝置反饋到閥門定位器,閥位狀況通過電信号傳給上位系統。閥門定位器按其結構形式和工作原理可以分成氣动閥門定位器、電-氣閥門定位器和智能式閥門定位器。


閥門定位器能夠增大調節閥的輸出功率,減少調節信号的傳遞滞後,加快閥杆的移动速度,能夠提高閥門的線性度,克服閥杆的磨擦力并消除不平衡力的影響,從而保證調節閥的正确定位。


用執行機構分氣动執行機構,電动執行機構,有直行程、角行程之分。用以自动、手动开閉多類伐門、風闆等。

氣动調節閥安裝原則

(1)氣动調節閥安裝位置,距地面要求有一定的高度,閥的上下要留有一定空間,以便進行閥的拆裝和修理。對于裝有氣动閥門定位器和手輪的調節閥,須保證操作、觀察和調整方便。

(2)調節閥應安裝在水平管道上,并上下與管道垂直, 一般要在閥下加以支撐,保證穩固可靠。對于特殊場合下,需要調節閥水平安裝在豎直的管道上時,也應将調節閥進行支撐(小口徑調節閥除外)。安裝時,要避免給調節閥帶来附加應力)。

(3)氣动調節閥的工作環境溫度要在(-30~+ 60) 相對濕度不大于95% 95% ,相對濕度不大于95%。

(4)氣动調節閥前後位置應有直管段,長度不小于10倍的管道直徑(10D),以避免閥的直管段太短而影響流量特性。

(5)調節閥的口徑與工藝管道不相同時,應采用異徑管連接。在小口徑調節閥安裝時,可用螺紋連接。 閥體上流體方向箭頭應與流體方向一致。

(6)要設置旁通管道。目的是便于切換或手动操作, 可在不停車情況下對調節閥進行檢修。

(7)調節閥在安裝前要徹底清除管道内的異物,如污垢、焊渣等

氣动調節閥常見故障及處理

1、氣动調節閥不动作

首先确認氣源壓力是否正常,查找氣源故障。如果氣源壓力正常,則判斷定位器或電/氣轉換器的放大器有無輸出;若無輸出,則放大器恒節流孔堵塞,或壓縮空氣中的水分聚積于放大器球閥處。用小細鋼絲疏通恒節流孔,清除污物或清潔氣源。

如果以上皆正常,有信号而無动作,則執行機構故障或閥杆彎曲,或閥芯卡死。遇此情況,須卸开閥門進一步檢查。

2、調節閥卡堵

如果閥杆往複行程动作遲鈍,則閥體内或有黏性大的物質,結焦堵塞或填料壓得過緊,或聚四氟乙烯填料老化,閥杆彎曲劃傷等。調節閥卡堵故障大多出現在新投入運行的系統和大修投運初期,由于管道内焊渣、鐵鏽等在節流口和導向部位造成堵塞從而使介質流通不暢,或調節閥檢修中填料過緊,造成摩擦力增大,導致小信号不动作、大信号动作過頭的現象。

遇到此類情況,可迅速开、關副線或調節閥,讓贓物從副線或調節閥處被介質沖跑。另外還可以用管鉗夾緊閥杆,在外加信号壓力的情況下,正反用力旋动閥杆,讓閥芯閃過卡處。若不能解決問題,可增加氣源壓力、增加驅动功率反複上下移动幾次,即可解決問題。如果還是不能动作,則需要對控制閥做解體處理,當然,这一工作需要很強的专业技能,一定要在专业技術人員協助下完成,否則後果更为嚴重。

3、氣动調節閥洩漏

調節閥洩漏一般有調節閥内漏、填料洩漏和閥芯、閥座變形引起的洩漏幾種情況,下面分别加以分析。

(1)閥内漏

閥杆長短不适,氣开閥閥杆太長,閥杆向上的(或向下)距離不夠,造成閥芯和閥座之間有空隙,不能充分接觸,導致不嚴而内漏。同樣氣關閥閥杆太短,也可導致閥芯和閥座之間有空隙,不能充分接觸,導致關不嚴而内漏。解決方法:應縮短(或延長)調節閥閥杆使調節閥長度合适,使其不再内漏。

(2)填料洩漏

填料裝入填料函以後,经壓蓋對其施加軸向壓力。由于填料的塑性變形,使其産生徑向力,并與閥杆緊密接觸,但这種接觸并非十分均勻,有些部位接觸的松,有些部位接觸的較緊,甚至有些部位根本沒有接觸上。調節閥在使用過程中,閥杆同填料之間存在着相對運动,这個運动叫軸向運动。在使用過程中,随着高溫、高壓和滲透性強的流體介質的影響,調節閥填料函也是發生洩漏現象較多的部位。造成填料洩漏的主要原因是界面洩漏,對于紡織填料還會出現滲漏(壓力介質沿着填料纖維之間的微小縫隙向外洩漏)。閥杆與填料間的界面洩漏是由于填料接觸壓力的逐漸衰減,填料自身老化等原因引起的,这時壓力介質就會沿着填料與閥杆之間的接觸間隙向外洩漏。

为了使填料裝入方便,在填料函頂端倒角,在填料函底部放置耐沖蝕的間隙較小的金屬保護環,注意該保護環與填料的接觸面不能为斜面,以防止填料被介質壓力推出。填料函與填料接觸部分的表面要精加工,以提高表面光潔度,減小填料磨損。填料選用柔性石墨,因为它的氣密性好、摩擦力小,長期使用變化小,磨損的燒損小,易于維修,且壓蓋螺栓重新擰緊後摩擦力不發生變化,耐壓性和耐熱性良好,不受内部介質的侵蝕,與閥杆和填料函内部接觸的金屬不發生點蝕或腐蝕。这樣,有效地保護了閥杆填料函的密封,保證了填料密封的可靠性,使用壽命也有很大地提高。

(3)閥芯、閥座變形洩漏

閥芯、閥座洩漏的主要原因是由于調節閥生産過程中的鑄造或鍛造缺陷可導致腐蝕的加強。而腐蝕介質的通過,流體介質的沖刷也會造成調節閥的洩漏。腐蝕主要以侵蝕或氣蝕的形式存在。當腐蝕性介質在通過調節閥時,便會産生對閥芯、閥座材料的侵蝕和沖擊,使閥芯、閥座成橢圓形或其他形狀,随着時間的推移,導致閥芯、閥座不匹配,存在間隙,關不嚴而發生洩漏。

把好閥芯、閥座的材質選型關。選擇耐腐蝕的材料,對存在麻點、沙眼等缺陷的産品要堅決剔除。若閥芯、閥座變形不太嚴重,可用細砂紙研磨,消除痕迹,提高密封光潔度,以提高密封性能。若損壞嚴重,則應重新更換新閥。

4、振蕩

調節閥的彈簧剛度不足,調節閥輸出信号不穩定而急劇變动易引起調節閥振蕩。還有所選閥的頻率與系統頻率相同或管道、基座劇烈振动,使調節閥随之振动。選型不當,調節閥工作在小开度存在着劇烈的流阻、流速、壓力的變化,當超過閥的剛度,穩定性變差,嚴重時産生振蕩。

由于産生振蕩的原因是多方面的,要具體問題具體分析。對振动輕微的,可增加剛度来消除,如選用大剛度彈簧的調節閥,改用活塞執行結構等;管道、基座劇烈振动,可通過增加支撐消除振动幹擾;閥的頻率與系統的頻率相同時,更換不同結構的調節閥;工作在小开度造成的振蕩,則是選型不當造成的,具體說是由于閥的流通能力C值過大,須重新選型,選擇流通能力C值較小的或采用分程控制或采用子母閥以克服調節閥工作在小开度所産生的振蕩。

5、調節閥噪音大

當流體流经調節閥,如前後壓差過大就會産生針對閥芯、閥座等零部件的氣蝕現象,使流體産生噪聲。流通能力值選大了,須重新選擇流通能力值合适的調節閥,以克服調節閥工作在小开度而引起的噪音,下面介紹幾種消除噪音的方法。

(1)消除共振噪音法

隻有調節閥共振時,才有能量疊加而産生100多分貝的強烈噪音。有的表現为振动強烈,噪音不大,有的振动弱,而噪音卻非常大;有的振动和噪音都較大。这種噪音産生一種單音調的聲音,其頻率一般为3000~7000赫茲。顯然,消除共振,噪音自然随之消失。

(2)消除汽蝕噪音法

汽蝕是主要的流體动力噪音源。空化時,汽泡破裂産生高速沖擊,使其局部産生強烈湍流,産生汽蝕噪音。这種噪音具有較寬的頻率範圍,産生格格聲,與流體中含有砂石發出的聲音相似。消除和減小汽蝕是消除和減小噪音的有效辦法。

(3)使用厚壁管線法

采用厚壁管是聲路處理辦法之一。使用薄壁可使噪音增加5分貝,采用厚壁管可使噪音降低0~20分貝。同一管徑壁越厚,同一壁厚管徑越大,降低噪音效果越好。如DN200管道,其壁厚分别为6.25、6.75、8、10、12.5、15、18、20、21.5mm時,可降低噪音分别为-3.5、-2(即增加)、0、3、6、8、11、13、14.5分貝。當然,壁越厚所付出的成本就越高。

(4)采用吸音材料法

这也是一種較常見、較有效的聲路處理辦法。可用吸音材料包住噪音源和閥後管線。需要指出,因噪音會经由流體流动而長距離傳播,故吸音材料包到哪里,采用厚壁管至哪里,消除噪音的有效性就終止到哪里。这種辦法适用于噪音不很高、管線不很長的情況,因为这是一種較费錢的辦法。

(5)串聯消音器法本法

适用于作为空氣动力噪音的消音,它能夠有效地消除流體内部的噪音和抑制傳送到固體邊界層的噪音級。對質量流量高或閥前後壓降比高的地方,本法較有效而又经濟。使用吸收型串聯消音器可以大幅度降低噪音。但是,從经濟上考慮,一般限于衰減到約25分貝。

(6)隔音箱法

使用隔音箱、房子和建築物,把噪音源隔離在里面,使外部環境的噪音減小到人們可以接受的範圍内。

(7)串聯節流法

氣动調節閥的壓力比高(△P/P1≥0.8)的場***用串聯節流法,就是把總的壓降分散在調節閥和閥後的固定節流元件上。如用擴散器、多孔限流闆,这是減少噪音辦法中較有效的。为了得到比較理想的擴散器效率,須根據每件的安裝情況来設計擴散器(實體的形狀、尺寸),使閥門産生的噪音級和擴散器産生的噪音級相同。

(8)選用低噪音閥

低噪音閥根據流體通過閥芯、閥座的曲折流路(多孔道、多槽道)的逐步減速,以避免在流路里的任意一點産生超音速。有多種形式,多種結構的低噪音閥(有为专門系統設計的)供使用時選用。當噪音不是很大時,選用低噪音套筒閥,可降低噪音10~20分貝,这是較经濟的低噪音閥。

閥門定位器故障

普通定位器采用機械式力平衡原理工作,即噴嘴擋闆技術,主要存在以下故障類型:

(1)因采用機械式力平衡原理工作,其可动部件較多,易受溫度、振动的影響,造成調節閥的波动;

(2)采用噴嘴擋闆技術,由于噴嘴孔很小,易被灰塵或不幹淨的氣源堵住,使定位器不能正常工作;

(3)采用力的平衡原理,彈簧的彈性系數在惡劣現場會發生改變,造成調節閥非線性導致控制質量下降。

(4)智能定位器由微處理器(CPU)、A/D、D/A轉換器等部件組成,其工作原理與普通定位器截然不同,給定值和實際值的比較純是電动信号,不再是力平衡。因此能夠克服常規定位器的力平衡的缺點。但在用于緊急停車場合時,如緊急切斷閥、緊急放空閥等,这些閥門要求靜止在某一位置,隻有緊急情況出現時,才需要可靠地动作,長時間停留在某一位置,容易使電氣轉換器失控造成小信号不动作的危險情況。此外。用于閥門的位置傳感電位器由于工作在現場,電阻值易發生變化造成小信号不动作、大信号全开的危險情況。因此,为了确保智能定位器的可靠性和可利用性,須對它們進行頻繁地測試。

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