氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析

1 氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析引言
調(diào)節(jié)閥又名控制閥，調(diào)節(jié)閥的發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)過程的發(fā)展密切相關(guān)。計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化儀表等高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了調(diào)節(jié)閥的發(fā)展。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展與控制裝置的廣泛應(yīng)用，調(diào)節(jié)閥也將開放、智能和更可靠，要求越來越強(qiáng)烈，使工業(yè)生產(chǎn)過程控制的功能更完善，精度更高和效果更明顯。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是以壓縮氣體（常采用凈化壓縮空氣）為動(dòng)力源，以氣缸為執(zhí)行器，并根據(jù)實(shí)際需求可選配電/氣閥門定位器、電/氣轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥、儲(chǔ)氣罐、氣體過濾/減壓/油霧分離器等附件去驅(qū)動(dòng)閥門，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)目標(biāo)，接收工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制信號(hào)來完成調(diào)節(jié)管道介質(zhì)的，比如流量、壓力、溫度、液位等各種工藝過程參數(shù)。

2氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析 工作原理
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推力部件，以壓縮空氣為動(dòng)力源，以氣缸為執(zhí)行器，并借助于電氣閥門定位器、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥等附件去驅(qū)動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量或比例式調(diào)節(jié)，接收工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制信號(hào)來產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成調(diào)節(jié)管道介質(zhì)的：流量、壓力、溫度等各種工藝參數(shù)。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)就是控制簡(jiǎn)單，反應(yīng)快速，且本質(zhì)安全，不需另外再采取防爆措施。
自工業(yè)控制系統(tǒng)如DCS、PLC等系統(tǒng)送出4-20ma電流信號(hào)，送至氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器。定位器根據(jù)所接收到的電流值，自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮空氣量（壓力）的大小，并將壓縮空氣送至膜室上/下腔。當(dāng)膜室內(nèi)的氣壓大于彈簧的彈力范圍及閥體內(nèi)部壓力和其它阻力時(shí)，就可以推動(dòng)閥芯、閥桿、推桿等構(gòu)件自由運(yùn)動(dòng)了。
3、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的彈簧范圍
彈簧范圍：是指一臺(tái)閥在靜態(tài)啟動(dòng)時(shí)的膜室壓力到走*行程時(shí)的膜室壓力。20～100KPa，表示這臺(tái)閥靜態(tài)啟動(dòng)時(shí)膜室壓力是20KPa，關(guān)閉時(shí)的膜室壓力是100KPa。常用的彈簧范圍有20～100KPa、20～60KPa、60～100KPa、60～180KPa、40～200KPa。
4、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的FO與FC
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作類型分兩種：氣開型（Air to Open）和氣關(guān)型（Air to Close）。
氣開型：當(dāng)膜頭上空氣壓力增加時(shí)，閥門向增加開度方向動(dòng)作，當(dāng)達(dá)到輸入氣壓上，閥門處于全開狀態(tài)。反過來，當(dāng)空氣壓力減小時(shí)，閥門向關(guān)閉方向動(dòng)作，在沒有輸入空氣時(shí)，閥門全閉。故有時(shí)氣開型閥門又稱故障關(guān)閉型（Fail to Close FC）。
氣關(guān)型：動(dòng)作方向正好與氣開型相反，當(dāng)空氣壓力增加時(shí)，閥門向關(guān)閉方向動(dòng)作，空氣壓力減小或沒有時(shí)，閥門向開啟方向動(dòng)作，直到全開為止，故有時(shí)又稱為故障開啟型（Fail to Open FO）。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)，通常由閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同組裝方式實(shí)現(xiàn)的。

3 氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)
氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受信號(hào)壓力后，根據(jù)其推桿動(dòng)作方向的不同，可分為正作用式和反作用式兩種。
3.1 正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)
當(dāng)信號(hào)壓力增大時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿向下動(dòng)作，稱作正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)其信號(hào)壓力從0.002~0.1MPa時(shí)，推桿的位置從零走到全行程。其信號(hào)壓力與推桿位移的特性如圖1-a所示。
正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理如圖2-a所示。當(dāng)信號(hào)壓力進(jìn)入氣室時(shí)，在其膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力，這樣使其推動(dòng)部件位移，將彈簧壓縮，直到彈簧的反作用力與信號(hào)壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡。其平衡方程式為
3.2 反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)
當(dāng)信號(hào)壓力增大時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿向上動(dòng)作的叫做反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1-b、圖2-b所示。當(dāng)信號(hào)壓力從0.02~0.1MPa時(shí)，推桿的位置從全行程走到零。其動(dòng)作原理和正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)一樣，只不過其信號(hào)壓力進(jìn)入波紋膜片得下方，信號(hào)壓力增大時(shí)，波紋膜片向上移動(dòng)。

4 氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析調(diào)節(jié)閥
調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式較多，包括直通單座調(diào)節(jié)閥、直通雙座調(diào)節(jié)閥、三通閥、角型調(diào)節(jié)閥、高壓調(diào)節(jié)閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、小流量調(diào)節(jié)閥、蝶閥、球閥等。
4.1 調(diào)節(jié)閥對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)節(jié)
在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有被調(diào)參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)、干擾參數(shù)。調(diào)節(jié)參數(shù)是靠調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中出現(xiàn)干擾時(shí)，被調(diào)參數(shù)將偏離給定值，調(diào)節(jié)器命調(diào)節(jié)閥對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使被調(diào)參數(shù)回到給定值。
4.2 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式
氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥閥分為正裝和反裝兩種。正裝時(shí)，閥芯向下位移，閥芯與閥座間的流通面積減小。反裝時(shí)，閥芯向下位移，閥芯與閥座間的流通面積增大。正裝與反裝時(shí)，閥芯與流通面積的關(guān)系如圖3所示。
5 氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析組合方式
從執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的分析中可以看到，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用式和反作用式兩種，調(diào)節(jié)閥有正裝和反裝兩種，故此，氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)的兩種形式是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用及調(diào)節(jié)閥的正、反裝綜合確定的。其組合方式有四種，如表1所示。

氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析主要零件材料

三、氣動(dòng)薄膜套筒調(diào)節(jié)閥 主要性能指標(biāo)

四、氣動(dòng)薄膜套筒調(diào)節(jié)閥 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

五、氣動(dòng)薄膜套筒調(diào)節(jié)閥 性能指標(biāo)

六、氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析 允許壓差

6 調(diào)節(jié)閥使用管理
調(diào)節(jié)閥的操作是否正常，與調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量及產(chǎn)生故障后的維修工作有很大的關(guān)系。由于調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量原因，產(chǎn)生的故障多種多樣。而某一種故障的出現(xiàn)，也可能有不同的原因。
6.1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要故障元件
（1）膜片。對(duì)于薄膜式氣動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，膜片是最重要的元件。在氣源系統(tǒng)正常工作的情況下，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，首先應(yīng)想到膜片是否安裝好，是否破裂。當(dāng)金屬接觸面有尖角、毛刺等缺陷時(shí)，會(huì)把膜片扎破，而膜片不能有泄漏。另外，如果膜片使用時(shí)間過長(zhǎng)，因橡膠材料老化也會(huì)影響性能。
（2）彈簧。彈簧是調(diào)節(jié)閥的主要調(diào)節(jié)元件。如果制造、熱處理、材料選擇不當(dāng)，會(huì)使彈簧疲勞或斷裂。有引起彈簧在過大的載荷作用下，可能會(huì)產(chǎn)生斷裂。
（3）接氣管路。這是輸入氣壓通向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通路，不能泄漏。因此，要經(jīng)常檢查是否泄漏。
（4）推桿。這是確保有足夠的行程來關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。如推桿有彎曲、變形、會(huì)影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能。

氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析

6.2 調(diào)節(jié)閥的主要故障元件
（1）閥芯：它是調(diào)節(jié)閥起調(diào)節(jié)作用和密封作用的活動(dòng)元件，直接與介質(zhì)接觸，易受介質(zhì)的沖刷和腐蝕、磨蝕。在高壓差情況下更易損壞。所以要檢查它的磨損、沖刷及腐蝕情況，是否需要維修和更換。
（2）閥座：閥座密封面是保證閥門密封的關(guān)鍵部位。受介質(zhì)的沖刷、磨損和腐蝕，要檢查閥座的損壞情況。
（3）閥桿：閥桿與閥芯、推桿的連接，直接影響調(diào)節(jié)閥的性能。因此要檢查閥桿與閥芯、推桿的連接質(zhì)量，以及閥桿本身有無彎曲、變形。
（4）填料：檢查填料是否老化、缺油，填料是否壓緊。
（5）墊片及O形圈：墊片和O形圈是否老化變硬，影響密封性能。
6.3 閥門定位器元件故障
（1）閥位行程傳感器失調(diào)造成調(diào)節(jié)閥閥位失調(diào)。閥位傳感器為一精密多圈電阻，內(nèi)置于閥桿套筒內(nèi)，由緊固件和閥桿相連，作用是輸出閥位反饋信號(hào)。當(dāng)閥行程傳感器的緊固件松動(dòng)后，會(huì)使閥行程零位時(shí)閥位傳感器的精密多圈電阻值超出正常范圍（正常為1950~2050Ω），造成調(diào)節(jié)閥閥位失靈，無法完成手/自動(dòng)校準(zhǔn)程序，閥位自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到全開/全關(guān)位置。對(duì)發(fā)生連接緊固件松動(dòng)故障的定位器處理方法為：拆下，把反饋臂定位在零位，用萬用表測(cè)量閥位傳感器的精密多圈電阻值，調(diào)整閥位傳感器的連接軸，使萬用表指示在1950~2050Ω，然后鎖定連接軸，安裝閥行程傳感器緊固件和閥桿相連，問題得以解決。
（2）氣源不干凈致使閥門定位器內(nèi)部氣路堵塞造成調(diào)節(jié)閥閥位失調(diào)。對(duì)于發(fā)生氣路堵塞故障的處理方法為：拆下閥門定位器，對(duì)其氣路部分進(jìn)行清洗，保證氣路暢通，問題得以解決。
（3）I/P轉(zhuǎn)換部件問題造成調(diào)節(jié)閥閥位失調(diào)。當(dāng)I/P轉(zhuǎn)換部件燒毀時(shí)，閥門定位器氣動(dòng)中繼器就無法感受噴嘴所送出的壓力變化，也就無法去閥位進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于I/P部件問題導(dǎo)致閥位失調(diào)的情況，更換I/P部件得以解決。
（4）反饋臂脫落造成調(diào)節(jié)閥閥位失調(diào)。對(duì)反饋臂脫落情況的處理方法：在零信號(hào)位置，對(duì)應(yīng)實(shí)際閥位將反饋臂重新緊固便能解決問題。

6.4 氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析故障案例
（1）開閥緩慢而且無法全開。三聚氰胺裝置LV-36005液位控制閥（氣開），在調(diào)節(jié)過程中，開閥緩慢而且無法全開，儀表人員經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)該閥膜頭處有漏氣現(xiàn)象，漏氣直接導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作緩慢無法全開。處理方法：將調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)全部打開，檢查其密封性，發(fā)現(xiàn)由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，膜片磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致的漏氣，對(duì)其膜片進(jìn)行更換后，閥門投用正常，調(diào)節(jié)動(dòng)作靈敏。
（2）閥門突然失控。置運(yùn)行過程中PV-31063（氣關(guān)閥）閥門突然失靈，且閥門調(diào)節(jié)非常重要，長(zhǎng)時(shí)間故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置停車，后果不堪設(shè)想。經(jīng)判斷，該閥門定位器故障。處理方法：打手輪限位，先滿足工藝生產(chǎn)要求，在氣動(dòng)執(zhí)行器相同的調(diào)節(jié)閥將新相同型號(hào)閥門定位器進(jìn)行校驗(yàn)合格后更換到PV-31063，工藝人員監(jiān)護(hù)，緩慢釋放手輪，觀察閥位變化情況，從效果看，此次的處理效果良好，避免了一次停車。在后來的停車檢修中我們又對(duì)該閥進(jìn)行了聯(lián)校檢查。
（3）調(diào)節(jié)閥不能調(diào)節(jié)。工藝操作人員反映該調(diào)節(jié)閥不能調(diào)節(jié)，儀表人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)閥門定位器收入氣源壓力為零，隨對(duì)儀表氣路進(jìn)行檢查，由于壓縮空氣帶水，有加上氣溫低，導(dǎo)致積水成冰，堵塞氣路，儀表人員對(duì)氣路進(jìn)行除冰，恢復(fù)氣路后調(diào)節(jié)閥動(dòng)作正常。

7 氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型分析結(jié)束語
依據(jù)工作原理，結(jié)合自動(dòng)化儀表管理工程一線的運(yùn)管實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)真實(shí)的工程需求，總結(jié)調(diào)節(jié)閥故障處理技術(shù)。