Y型料浆调节阀的设计与应用

袁林枫+刘晓凯+张莹+张玉环+王贵武

摘要： 论述了Y型料浆调节阀的结构、工作原理、性能和特点，着重介绍了该阀的计算方法。

Abstract： The structure， working principle， performance and characteristics of Y type slurry regulating valve are discussed， and the calculation method of the valve is introduced.

关键词： Y型料浆调节阀；阀体；阀瓣

Key words： Y type slurry regulating valve；valve body；disc

中图分类号：TP214 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0156-02

1 概述

调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作改变介质流量的装置。调节阀由执行器和阀门两大部分组成，在管网系统中，流量调节系统是由不同类型结构的阀门组成的自动调节系统。历史的进步，工业的发展，对自动化控制领域的要求越来越高，Y型料浆调节阀，以其流通容量大、流道简单、流阻小、不平衡力小、易于加工，是铝工业冶炼工艺系统中一种比较理想的调节类阀门。

2 料浆调节阀的比较

①目前铝工业冶炼工艺系统使用的料浆调节阀多为针形调节阀或角式调节阀，从实用角度看，其结构还存在较多不足的地方：1）流道弯曲且急（有一个90°弯），自然流阻很大，冲刷磨损较快；2）角式调节阀阀瓣较短，调节性能差，且不稳定；3）流量调节不精确；4）易于发生气蚀和振动；5）可调比范围不大（不足常用的R=30：1的标准）；6）基本误差较大在±5%左右，很难实现±1%的设计要求。

②Y型料浆调节阀，在设计上采用分体组合、直流式阀体，双曲线长形阀瓣。在使用过程中可大大地改善上述阀门的不足之处。它的流道趋于一条直线，流阻小，双曲线长形阀瓣调节范围大，调节误差小，同时灵敏度也高。工作压力范围0.6～10.0MPa，环境工作温度在425℃左右，Y型料浆调节阀优越性，显而易见。该阀的主要零件组成如下：1）阀体（左右组合体）2）阀座3）密封垫4）阀瓣5）阀杆6）支架7）防转块8）执行机构。执行机构驱动带动阀杆上、下活动，阀门开启或关闭，从而实现调节流量的作用。

3 设计原理

保证流道畅通，减小流阻和介质对阀体的冲刷，调节精度高，动作迅速，在设计时采用分体组合的Y型阀体结构，易于更换阀座，采用直流式流道结构，流阻小从而提高 了该阀门的使用寿命（在同样工况下是针型、角式调节阀门寿命的1.5倍以上）。阀瓣设计成双曲线长形的几何形状，针对Y型结构的特点，运用优化、创新理念，阀体内腔热喷涂WC合金，阀瓣采用YG8硬质合金和35#金属组合的结构，阀座整体采用YG8硬质合金，这样大大提高了阀门的耐磨、耐腐蚀性能，如图1。

4 Y型料浆调节阀的设计计算

4.1 收集设计参数

通径、连接形式、公称压力、压差、最大流量、标准流量、最小流量、流量系数、工作温度、介质特性、控制方式等技术参数。根据阀门在工艺流程中的安装位置，要进行认真、详细的计算。

4.2 阀体的设计

为了改变流阻系数，使阀体具有分流和汇流的功能，将阀体设计成分体组合、直流式结构，尽量使阀体内腔的通道截面尺寸均匀相等，减少曲线流道。如图2所示。

阀体壁厚SB按第四强度理论计算：

SB=+C（1）

式中：SB：考虑腐蚀余量后的阀体壁厚，mm；P：公称压力MPa；DN：公称通径，mm；C：附加余量，mm。

4.3 流量特性曲线

考虑调节阀的流量特性曲线，可用阀瓣的位移与介质流量成对数关系确定，通常用以下公式：

qm=f（h）（2）

式中qm：介质流量，m3/s；f（h）：线性或等百分的特性函数式；h=H/H100：阀门开度面积与全开面积之比。

线性特性及等百分比：根据调节阀的相对流量与阀瓣的相对位移成直线关系（即单位位移变化所引起的流量变化是常数）即：

K=（3）

式中Q：实际流量，m3/s；Qmax：最大流量，m3/s；l：阀瓣位移的实际长度，m；L：阀瓣在阀腔中的行程，m。

根据流量的等百分比特性曲线的理论得出的该Y型料浆调节阀得流量特性。即阀杆的单位相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比。流量系数

KV==K（Q/Qmax）（4）

4.4 确定阀门尺寸

①為了计算方便，假设为不可压缩的流体，介质为单相流，不计粘度，无气蚀的条件，流量系数公式为：

CV1=（5）

式中，Q：流量，m3/h；ΔP：进出口压差，bar；G：介质比重；P1：进口压力，bar；P2：出口压力，bar；根据公式（5），计算介质流量和压差。

②用于可压缩流体的阀门，假设介质为气体（非蒸汽），不计压缩性，非阻塞流状态，则基本公式为：

CV2=（6）

式中Q：流量，m3/h；T：绝对温度；G：介质比重，气体密度与空气密度之比；X：实际压缩比，X=（ΔP/P1）；Y：膨胀系数。

③介质为蒸汽时，流量系数计算公式：

CV3=（7）

式中W ：质量流量，m3/h；ΔP：进出口压差，bar；V1：比容，m3/kg； Y：膨胀系数。

注：各系数的经验选取方法：以上各量有些是介质的物理常数，有些是管道的工艺参数，都可以根据工况条件求得。唯有膨胀系数Y值需要根据经验确定。

Y=（8）

式中FK：比热系数（FK=K/1.4）；K：气体介质的定压比与定容比热之比；XT：极限压降比（出现阻塞流时压降与上游压力之比）。

资料中记载，空气K=1.40，两相流中的FK=1.4，空气的FK=1，其他空气介质可以取FK≈1，而不至于对计算造成太大的误差。XT是阀门开度函数，对柱塞单座式调节阀来说，XT可取0.72，其开度在50～60%。计算非阻塞流的公式：

Y=1-=1-0.92/3X1.4X0.72≈0.70（9）

式中FK=K=1.4：比热系数；X=（P1-ΔP）/P1=0.92；已知：P1=100bar，P2=92bar，ΔP=8bar，XT= 0.72（阀门开度系数，查表）。从计算结果，判断为非阻塞流。

当X

当X≥FK XT时，为阻塞流，X≥FK XT时，设计时重新修正流量系数。

从以上计算得知，Y型料浆调节阀是可行的，据有关资料记载料浆调节阀是可以采用两相流的计算公式进行计算的。经过上述solidworks三维流体分析计算效果良好，所以该阀门的设计理论上是可行的，经现场使用各项性能指标均满足工况所需的技术要求。

5 Y型料浆调节阀的优点

①结构简单，易于加工制造，成本较低；②启闭迅速，调节性能良好；③阀体为分体组合、直流式结构，流道流畅，不平衡力小，流阻小，不易出现涡流、气蚀等现象；④操作简单，维修方便，易于调节、控制；⑤流体在阀腔内流动状况为分流和汇流状态，噪声小，符合环保理念，降低了磨损程度，使用寿命长；⑥可调比范围较大，超过30：1的标准。

参考文献：

[1]吴国熙编著.调节阀使用与维修[M].北京：化学工业出版社，1999.

[2]陆培文.调节阀实用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]明赐东.调节阀应用[M].成都：四川科学技术出版社，1989.