活塞阀在城市供水工程中的应用研究

李佳林，吴顺勇，马天添，张光辉

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230088）

随着国家经济和人口快速的增长，人们对供水提出了更大的需求，这种需求在大城市显得尤为突出。一方面，这种需求无疑推进了科技与工程技术的进程；另一方面，对供水的数量、质量、生态和环保提出了更高的要求。水从原水经净化后需要通过长距离的传送，最终到达千家万户，用来满足人们的需要。在水的传输过程中，可能需要经过分配、调流、调压、控制等等几个环节。人们通过管网来管理供水系统。阀门在管线和水厂的生产、储存、处理、运输、分配的系统中起到了开关的作用，用来进行开关控制和调节。

近年来，活塞阀因为其出众的调节和控制能力，在供水的水厂和管线中扮演着重要的角色。

以VAG 活塞阀为例，它不同于一般管线的关断阀（如蝶阀、闸阀）。它能通过活塞状的出口部件做轴向运动调节水的流量，能够满足管线和水厂的特殊调节需求。水流以环形弧状进入阀体。无论活塞在任何位置，阀腔内水流的断面均为环形，并在出口处向轴心收缩，从而避免因节流而可能产生的气蚀对阀体和管道造成的破坏。

1 活塞阀的发展

活塞阀的发展分为三个阶段，还是以VAG 为例。第一阶段是在1930 年，活塞阀还是以针阀的形态的存在（如图1）。

第二阶段从20 世纪末到2005 年，活塞阀才真正以活塞阀的形态存在，但保留了针阀的两段式的结构（如图2）。

图1 针阀

图2 两段式活塞阀

第三阶段从2005 年不断地到现在的活塞阀已经不再是两段式阀体了，完全可以做到一体式整体结构（如图3）。

2 活塞阀的结构形式

活塞式控制阀调节机构为曲柄滑块机构,关闭件滑块为圆筒或锥形的活塞。可在阀体内圆筒里由导轨引导沿管路中心作轴向运动，因而改变流道面积，以实现调节流量及减压功能。与管道的连接形式为法兰联接，法兰连接尺寸、结构长度符合相应DIN 的要求。

图3

活塞式控制阀由阀体、活塞、曲柄、连杆、消能装置、阀杆、轴套、阀座、密封圈等主要部件组成。活塞式控制阀阀体为流线形轴对称流道，流体在阀体内能被很好地无紊流引导，能显著降低阀门的噪声和振动。保证阀门在高压差下也具有良好的抗气蚀特性，其允许气蚀系数应不大于0.4。活塞式控制阀具有优良的线性调节性能，以便控制系统通过出口压力变送器的反馈信号调控阀门，保持出水压力的恒定。活塞式控制阀具有可靠的密封性能，在调节阀处于全关状态下，保证无任何渗漏。活塞式控制阀在正常运行工况下，无卡阻和有害振动现象，确保设备安全可靠运行。活塞式控制阀具有良好的抗阻塞能力。可适用于有泥沙及小颗粒杂质的流体。活塞式控制阀在最大工作压差和动水启闭运行工况下，保证整体抗推力安全可靠，不发生有害的振动。活塞式控制阀驱动方式为电机驱动或气动驱动。

3 活塞阀的控制特性

流量系数比kv/kvs 取决于S/Smax 的比率，被用来评估其控制特性。调节行为受整个管道系统的总流阻系数的影响，简单来说，管道系统的流阻系数越大，阀门的节流效果越不明显。阀门特性曲线受整个管道系统流阻系数的影响，会对操作性能曲线起重要的作用。

式中，εα为活塞阀的流阻系数；εγ为整个管道系统的流阻系数。

活塞阀的操作性能在管道系统的不同流阻系数下，活塞阀的操作特性近似于线性。随着管道流阻系数的增加，活塞阀的控制性能也受到了极大的影响。

4 气蚀

阀门的性能或者说操作特性表明当工况达到了气蚀工区，就会开始产生气蚀。气蚀和衡量气蚀的气蚀系数是可以计算出来的。通过噪音释放量和空化程度测量可以得到不同出口部件的活塞阀在不同开度下的临界气蚀系数值。我们在设计工作中，所有工作条件下，也就是任何情况下都不允许产生气蚀。普通用户往往会忽略气蚀带来的风险，严重时会造成爆管等事故。幸运的是，现在有足够的手段来防止气蚀的发生，活塞阀就是一种。以VAG 活塞阀为例，在阀门选型时，VAG 的工程师会向用户索要工况的参数，这包括最大和最小的压差、流速和流量等。有了这些，VAG 的工程师能通过一种名为USECAD 的软件进行选型，通过软件计算使阀门运行时远离气蚀工区。这无疑是一种简便高效的方法。

5 活塞阀的优势特点

（1）线性度好。由于阀体内部采用特殊结构设计，对于流体的流量控制特性具有良好的线性度，即使在第—个10%行程中仍具有良好的流量控制效果。

（2）抗气蚀、抗震动。充分利用流体动力学原理进行流道设计，消除汽蚀和震动现象对管网的损伤，大大提高阀门和管道的使用寿命。

（3）工作可靠。合理设计的流道和密封型式，使该阀可以适用于含有泥沙等小颗粒杂质的流体，不会因杂物造成关闭不严而导致泄漏或控制失效。

（4）高压消能。即使在高压差的情况下，该阀也能有效消除高压能，将高压减为低压，而且不会产生震动和气蚀现象，有效保证阀门的使用寿命。

（5）选材精良。阀门的关键部位如阀座、挡块、导轨等部件均采用特殊的不钢筋材料制作，此材料耐磨、耐气蚀，硬度为普通不钢筋的三倍。

（6）浮动阀座。阀座与锥体的连接采用特殊的硅胶黏合，黏性高，耐剪切。浮动阀座在密封时阀座产生自定心效果，使密封更可靠。

（7）流体阻力小。该阀先进的结构设计，合理的流道分布，使整个阀门的压力损失降至影氐有利于节约整个管网的动力消耗。

（8）操作扭矩小。阀门中的启闭件为套闸，其运动方向与主管流体流动方向一致，而且有效受力面积小，因此启闭阀门所需的操力矩也很小，驱动装置成本可大幅降低。

（9）使用寿命长。阀门中主要密封为金属对属，密封可靠，抗流体冲蚀力强，不易被夹杂的垃圾损坏，加之大部分部件采用不锈钢制造，阀门的使用寿命大大提高。

6 活塞阀在供水工程中的广泛应用

根据活塞阀以上特性，具有较佳的调流特性。在供水工程中的以下工况中具有优势：（1）引水工程中重力流管道中的调压；（2）水厂进口流量调节；（3）水厂滤池恒水位过滤的出水调节；（4）供水管网中各区域的压力平衡；（5）供水管网减少漏损；（6）泵房水泵运行时流量压力调节。

活塞阀作为一种多功能阀门，近年来在供水工程中的使用越来越多地得到了用户的关注。在大多数需要调节的场合，使用效果较蝶阀闸阀有着明显的优势，其高效、稳定、节能的特点也越能突出体现。但因其造价高，曾令不少用户望而却步。随着社会经济整体水平的不断提升，各地供水企业对运行管理的要求不断地提高，相信活塞阀必将迎来更大的市场机遇，有着美好的市场前景，活塞阀的优势功能将不断被发掘，活塞阀的应用将越来越广泛。