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氣動調節閥工作原理及故障分析

氣動調節閥概述

氣動調節閥是石油、化工、電力、冶金等工業企業普遍使用的工業過程控制儀表之一。氣動調節閥通常由氣動執行機構、閥門、定位器等連接安裝調試后形成氣動調節閥。氣動調節閥就是以壓縮空氣為動力源,以氣缸為執行器,并借助于電氣閥門定位器、轉換器、電磁閥、保位閥等附件去驅動閥門,實現開關量或比例式調節,氣動調節閥接收工業自動化控制系統的控制信號來完成調節管道介質的流量、壓力、溫度等多種工藝參數。

氣動調節閥工作原理:

氣動調節閥就是以壓縮空氣為動力源,以氣缸為執行器,并借助于電氣閥門定位器、轉換器、電磁閥、保位閥等附件去驅動閥門,實現開關量或比例式調節,接收工業自動化控制系統的控制信號來完成調節管道介質的:流量、壓力、溫度等多種工藝參數。

氣動調節閥工作原理(圖)

氣動調節閥通常由氣動執行機構和調節閥連接安裝調試組成,氣動執行機構可分為單作用式和雙作用式兩種,單作用執行器內有復位彈簧,而雙作用執行器內沒有復位彈簧。其中單作用執行器,可在失去起源或突然故障時,自動歸位到閥門初始所設置的開啟或關閉狀態。

氣動調節閥根據動作形式分氣開型和氣關型兩種,即所謂的常開型和常閉型,氣動調節閥的氣開或氣關,通常是通過執行機構的正反作用和閥態結構的不同組裝方式實現。

氣動調節閥作用方式

氣開型(常閉型)是當膜頭上空氣壓力增加時,閥門向增加開度方向動作,當達到輸入氣壓上限時,閥門處于全開狀態。反過來,當空氣壓力減小時,閥門向關閉方向動作,在沒有輸入空氣時,閥門全閉。顧通常我們稱氣開型調節閥為故障關閉型閥門。

氣關型(常開型)動作方向正好與氣開型相反。當空氣壓力增加時,閥門向關閉方向動作;空氣壓力減小或沒有時,閥門向開啟方向或全開為止。顧通常我們稱氣關型調節閥為故障開啟型閥門。

氣開氣關的選擇是根據工藝生產的保險角度出發來考慮。當氣源切斷時,氣動調節閥是處于關閉位置保險還是開啟位置保險。

舉例來說,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來控制燃料的供應。這時,宜選用氣開閥更保險些,因為一旦氣源停止供給,閥門處于關閉比閥門處于全開更合適。如果氣源中斷,燃料閥全開,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,熱物料在換熱器內與冷卻水進行熱交換被冷卻,調節閥安裝在冷卻水管上,用換熱后的物料溫度來控制冷卻水量,在氣源中斷時,調節閥應處于開啟位置更保險些,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,與氣動調節閥大大配套使用,它接受調節器的輸出信號,然后以它的輸出信號去控制氣動調節閥,當調節閥動作后,閥桿的位移又通過機械裝置反饋到閥門定位器,閥位狀況通過電信號傳給上位系統。閥門定位器按其結構形式和工作原理可以分成氣動閥門定位器、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,減少調節信號的傳遞滯后,加快閥桿的移動速度,能夠提高閥門的線性度,克服閥桿的磨擦力并消除不平衡力的影響,從而保證調節閥的正確定位。


用執行機構分氣動執行機構,電動執行機構,有直行程、角行程之分。用以自動、手動開閉多類伐門、風板等。

氣動調節閥安裝原則

(1)氣動調節閥安裝位置,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。對于裝有氣動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,也應將調節閥進行支撐(小口徑調節閥除外)。安裝時,要避免給調節閥帶來附加應力)。

(3)氣動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)氣動調節閥前后位置應有直管段,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動操作, 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內的異物,如污垢、焊渣等

氣動調節閥常見故障及處理

1、氣動調節閥不動作

首先確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,有信號而無動作,則執行機構故障或閥桿彎曲,或閥芯卡死。遇此情況,須卸開閥門進一步檢查。

2、調節閥卡堵

如果閥桿往復行程動作遲鈍,則閥體內或有黏性大的物質,結焦堵塞或填料壓得過緊,或聚四氟乙烯填料老化,閥桿彎曲劃傷等。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,由于管道內焊渣、鐵銹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,導致小信號不動作、大信號動作過頭的現象。

遇到此類情況,可迅速開、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桿,在外加信號壓力的情況下,正反用力旋動閥桿,讓閥芯閃過卡處。若不能解決問題,可增加氣源壓力、增加驅動功率反復上下移動幾次,即可解決問題。如果還是不能動作,則需要對控制閥做解體處理,當然,這一工作需要很強的專業技能,一定要在專業技術人員協助下完成,否則后果更為嚴重。

3、氣動調節閥泄漏

調節閥泄漏一般有調節閥內漏、填料泄漏和閥芯、閥座變形引起的泄漏幾種情況,下面分別加以分析。

(1)閥內漏

閥桿長短不適,氣開閥閥桿太長,閥桿向上的(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,導致不嚴而內漏。同樣氣關閥閥桿太短,也可導致閥芯和閥座之間有空隙,不能充分接觸,導致關不嚴而內漏。解決方法:應縮短(或延長)調節閥閥桿使調節閥長度合適,使其不再內漏。

(2)填料泄漏

填料裝入填料函以后,經壓蓋對其施加軸向壓力。由于填料的塑性變形,使其產生徑向力,并與閥桿緊密接觸,但這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,閥桿同填料之間存在著相對運動,這個運動叫軸向運動。在使用過程中,隨著高溫、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泄漏現象較多的部位。造成填料泄漏的主要原因是界面泄漏,對于紡織填料還會出現滲漏(壓力介質沿著填料纖維之間的微小縫隙向外泄漏)。閥桿與填料間的界面泄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,這時壓力介質就會沿著填料與閥桿之間的接觸間隙向外泄漏。

為了使填料裝入方便,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為斜面,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,因為它的氣密性好、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后摩擦力不發生變化,耐壓性和耐熱性良好,不受內部介質的侵蝕,與閥桿和填料函內部接觸的金屬不發生點蝕或腐蝕。這樣,有效地保護了閥桿填料函的密封,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、閥座變形泄漏

閥芯、閥座泄漏的主要原因是由于調節閥生產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泄漏。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,便會產生對閥芯、閥座材料的侵蝕和沖擊,使閥芯、閥座成橢圓形或其他形狀,隨著時間的推移,導致閥芯、閥座不匹配,存在間隙,關不嚴而發生泄漏。

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、沙眼等缺陷的產品要堅決剔除。若閥芯、閥座變形不太嚴重,可用細砂紙研磨,消除痕跡,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,調節閥輸出信號不穩定而急劇變動易引起調節閥振蕩。還有所選閥的頻率與系統頻率相同或管道、基座劇烈振動,使調節閥隨之振動。選型不當,調節閥工作在小開度存在著劇烈的流阻、流速、壓力的變化,當超過閥的剛度,穩定性變差,嚴重時產生振蕩。

由于產生振蕩的原因是多方面的,要具體問題具體分析。對振動輕微的,可增加剛度來消除,如選用大剛度彈簧的調節閥,改用活塞執行結構等;管道、基座劇烈振動,可通過增加支撐消除振動干擾;閥的頻率與系統的頻率相同時,更換不同結構的調節閥;工作在小開度造成的振蕩,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開度所產生的振蕩。

5、調節閥噪音大

當流體流經調節閥,如前后壓差過大就會產生針對閥芯、閥座等零部件的氣蝕現象,使流體產生噪聲。流通能力值選大了,須重新選擇流通能力值合適的調節閥,以克服調節閥工作在小開度而引起的噪音,下面介紹幾種消除噪音的方法。

(1)消除共振噪音法

只有調節閥共振時,才有能量疊加而產生100多分貝的強烈噪音。有的表現為振動強烈,噪音不大,有的振動弱,而噪音卻非常大;有的振動和噪音都較大。這種噪音產生一種單音調的聲音,其頻率一般為3000~7000赫茲。顯然,消除共振,噪音自然隨之消失。

(2)消除汽蝕噪音法

汽蝕是主要的流體動力噪音源。空化時,汽泡破裂產生高速沖擊,使其局部產生強烈湍流,產生汽蝕噪音。這種噪音具有較寬的頻率范圍,產生格格聲,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,其壁厚分別為6.25、6.75、8、10、12.5、15、18、20、21.5mm時,可降低噪音分別為-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

這也是一種較常見、較有效的聲路處理辦法。可用吸音材料包住噪音源和閥后管線。需要指出,因噪音會經由流體流動而長距離傳播,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。這種辦法適用于噪音不很高、管線不很長的情況,因為這是一種較費錢的辦法。

(5)串聯消音器法本法

適用于作為空氣動力噪音的消音,它能夠有效地消除流體內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后壓降比高的地方,本法較有效而又經濟。使用吸收型串聯消音器可以大幅度降低噪音。但是,從經濟上考慮,一般限于衰減到約25分貝。

(6)隔音箱法

使用隔音箱、房子和建筑物,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范圍內。

(7)串聯節流法

氣動調節閥的壓力比高(△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后的固定節流元件上。如用擴散器、多孔限流板,這是減少噪音辦法中較有效的。為了得到比較理想的擴散器效率,須根據每件的安裝情況來設計擴散器(實體的形狀、尺寸),使閥門產生的噪音級和擴散器產生的噪音級相同。

(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產生超音速。有多種形式,多種結構的低噪音閥(有為專門系統設計的)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,這是較經濟的低噪音閥。

閥門定位器故障

普通定位器采用機械式力平衡原理工作,即噴嘴擋板技術,主要存在以下故障類型:

(1)因采用機械式力平衡原理工作,其可動部件較多,易受溫度、振動的影響,造成調節閥的波動;

(2)采用噴嘴擋板技術,由于噴嘴孔很小,易被灰塵或不干凈的氣源堵住,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動信號,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,這些閥門要求靜止在某一位置,只有緊急情況出現時,才需要可靠地動作,長時間停留在某一位置,容易使電氣轉換器失控造成小信號不動作的危險情況。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號不動作、大信號全開的危險情況。因此,為了確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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