氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作原理及故障分析
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是石油、化工、電力、冶金等工業(yè)企業(yè)普遍使用的工業(yè)過(guò)程控制儀表之一。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥通常由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門(mén)、定位器等連接安裝調(diào)試后形成氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥就是以壓縮空氣為動(dòng)力源，以氣缸為執(zhí)行器，并借助于電氣閥門(mén)定位器、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥等附件去驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量或比例式調(diào)節(jié)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥接收工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制信號(hào)來(lái)完成調(diào)節(jié)管道介質(zhì)的流量、壓力、溫度等多種工藝參數(shù)。
▋氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作原理
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥就是以壓縮空氣為動(dòng)力源，以氣缸為執(zhí)行器，并借助于電氣閥門(mén)定位器、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥等附件去驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(lái)完成調(diào)節(jié)管道介質(zhì)的：流量、壓力、溫度等多種工藝參數(shù)。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作原理(如左圖)
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)動(dòng)作形式分氣開(kāi)型和氣關(guān)型兩種，即所謂的常開(kāi)型和常閉型，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)或氣關(guān)，通常是通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用和閥態(tài)結(jié)構(gòu)的不同組裝方式實(shí)現(xiàn)。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作用方式
氣開(kāi)型（常閉型）是當(dāng)膜頭上空氣壓力增加時(shí)，閥門(mén)向增加開(kāi)度方向動(dòng)作，當(dāng)達(dá)到輸入氣壓上限時(shí)，閥門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)。反過(guò)來(lái)，當(dāng)空氣壓力減小時(shí)，閥門(mén)向關(guān)閉方向動(dòng)作，在沒(méi)有輸入空氣時(shí)，閥門(mén)全閉。顧通常我們稱(chēng)氣開(kāi)型調(diào)節(jié)閥為故障關(guān)閉型閥門(mén)。
氣關(guān)型（常開(kāi)型）動(dòng)作方向正好與氣開(kāi)型相反。當(dāng)空氣壓力增加時(shí)，閥門(mén)向關(guān)閉方向動(dòng)作；空氣壓力減小或沒(méi)有時(shí)，閥門(mén)向開(kāi)啟方向或全開(kāi)為止。顧通常我們稱(chēng)氣關(guān)型調(diào)節(jié)閥為故障開(kāi)啟型閥門(mén)。
氣開(kāi)氣關(guān)的選擇是根據(jù)工藝生產(chǎn)的保險(xiǎn)角度出發(fā)來(lái)考慮。當(dāng)氣源切斷時(shí)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是處于關(guān)閉位置保險(xiǎn)還是開(kāi)啟位置保險(xiǎn)。
舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)加熱爐的燃燒控制，調(diào)節(jié)閥安裝在燃料氣管道上，根據(jù)爐膛的溫度或被加熱物料在加熱爐出口的溫度來(lái)控制燃料的供應(yīng)。這時(shí)，宜選用氣開(kāi)閥更保險(xiǎn)些，因?yàn)橐坏庠赐Ｖ构┙o，閥門(mén)處于關(guān)閉比閥門(mén)處于全開(kāi)更合適。如果氣源中斷，燃料閥全開(kāi)，會(huì)使加熱過(guò)量發(fā)生危險(xiǎn)。又如一個(gè)用冷卻水冷卻的的換熱設(shè)備，熱物料在換熱器內(nèi)與冷卻水進(jìn)行熱交換被冷卻，調(diào)節(jié)閥安裝在冷卻水管上，用換熱后的物料溫度來(lái)控制冷卻水量，在氣源中斷時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于開(kāi)啟位置更保險(xiǎn)些，宜選用氣關(guān)式(即FO)調(diào)節(jié)閥。氣瓶閥
▋閥門(mén)定位器
閥門(mén)定位器是調(diào)節(jié)閥的主要附件，與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥大大配套使用，它接受調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，然后以它的輸出信號(hào)去控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后，閥桿的位移又通過(guò)機(jī)械裝置反饋到閥門(mén)定位器，閥位狀況通過(guò)電信號(hào)傳給上位系統(tǒng)。閥門(mén)定位器按其結(jié)構(gòu)形式和工作原理可以分成氣動(dòng)閥門(mén)定位器、電-氣閥門(mén)定位器和智能式閥門(mén)定位器。
用執(zhí)行機(jī)構(gòu)分氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有直行程、角行程之分。用以自動(dòng)、手動(dòng)開(kāi)閉多類(lèi)伐門(mén)、風(fēng)板等。
▋氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝原則
(1)氣動(dòng)調(diào)節(jié)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(jìn)行閥的拆裝和修理。對(duì)于裝有氣動(dòng)閥門(mén)定位器和手輪的調(diào)節(jié)閥，須保證操作、觀察和調(diào)整方便。
(2)調(diào)節(jié)閥應(yīng)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(wěn)固可靠。對(duì)于特殊場(chǎng)合下，需要調(diào)節(jié)閥水平安裝在豎直的管道上時(shí)，也應(yīng)將調(diào)節(jié)閥進(jìn)行支撐(小口徑調(diào)節(jié)閥除外)。安裝時(shí)，要避免給調(diào)節(jié)閥帶來(lái)附加應(yīng)力)。
(3)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境溫度要在(－30～+ 60) 相對(duì)濕度不大于95% 95% ，相對(duì)濕度不大于95%。
(4)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥前后位置應(yīng)有直管段，長(zhǎng)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(diào)節(jié)閥的口徑與工藝管道不相同時(shí)，應(yīng)采用異徑管連接。在小口徑調(diào)節(jié)閥安裝時(shí)，可用螺紋連接。 閥體上流體方向箭頭應(yīng)與流體方向一致。
(6)要設(shè)置旁通管道。目的是便于切換或手動(dòng)操作， 可在不停車(chē)情況下對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行檢修。
(7)調(diào)節(jié)閥在安裝前要徹底清除管道內(nèi)的異物，如污垢、焊渣等。氧氣點(diǎn)閥箱
▋氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥常見(jiàn)故障及處理
1、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥不動(dòng)作
首先確認(rèn)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(zhuǎn)換器的放大器有無(wú)輸出；若無(wú)輸出，則放大器恒節(jié)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(xì)鋼絲疏通恒節(jié)流孔，清除污物或清潔氣源。
如果以上皆正常，有信號(hào)而無(wú)動(dòng)作，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障或閥桿彎曲，或閥芯卡死。遇此情況，須卸開(kāi)閥門(mén)進(jìn)一步檢查。
2、調(diào)節(jié)閥卡堵
如果閥桿往復(fù)行程動(dòng)作遲鈍，則閥體內(nèi)或有黏性大的物質(zhì)，結(jié)焦堵塞或填料壓得過(guò)緊，或聚四氟乙烯填料老化，閥桿彎曲劃傷等。調(diào)節(jié)閥卡堵故障大多出現(xiàn)在新投入運(yùn)行的系統(tǒng)和大修投運(yùn)初期，由于管道內(nèi)焊渣、鐵銹等在節(jié)流口和導(dǎo)向部位造成堵塞從而使介質(zhì)流通不暢，或調(diào)節(jié)閥檢修中填料過(guò)緊，造成摩擦力增大，導(dǎo)致小信號(hào)不動(dòng)作、大信號(hào)動(dòng)作過(guò)頭的現(xiàn)象。
遇到此類(lèi)情況，可迅速開(kāi)、關(guān)副線(xiàn)或調(diào)節(jié)閥，讓贓物從副線(xiàn)或調(diào)節(jié)閥處被介質(zhì)沖跑。另外還可以用管鉗夾緊閥桿，在外加信號(hào)壓力的情況下，正反用力旋動(dòng)閥桿，讓閥芯閃過(guò)卡處。若不能解決問(wèn)題，可增加氣源壓力、增加驅(qū)動(dòng)功率反復(fù)上下移動(dòng)幾次，即可解決問(wèn)題。如果還是不能動(dòng)作，則需要對(duì)控制閥做解體處理，當(dāng)然，這一工作需要很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技能，一定要在專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員協(xié)助下完成，否則后果更為嚴(yán)重。
3、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥泄漏
調(diào)節(jié)閥泄漏一般有調(diào)節(jié)閥內(nèi)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(nèi)漏
閥桿長(zhǎng)短不適，氣開(kāi)閥閥桿太長(zhǎng)，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(dǎo)致不嚴(yán)而內(nèi)漏。同樣氣關(guān)閥閥桿太短，也可導(dǎo)致閥芯和閥座之間有空隙，不能充分接觸，導(dǎo)致關(guān)不嚴(yán)而內(nèi)漏。解決方法：應(yīng)縮短（或延長(zhǎng)）調(diào)節(jié)閥閥桿使調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)度合適，使其不再內(nèi)漏。
（2）填料泄漏
填料裝入填料函以后，經(jīng)壓蓋對(duì)其施加軸向壓力。由于填料的塑性變形，使其產(chǎn)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(méi)有接觸上。調(diào)節(jié)閥在使用過(guò)程中，閥桿同填料之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)叫軸向運(yùn)動(dòng)。在使用過(guò)程中，隨著高溫、高壓和滲透性強(qiáng)的流體介質(zhì)的影響，調(diào)節(jié)閥填料函也是發(fā)生泄漏現(xiàn)象較多的部位。造成填料泄漏的主要原因是界面泄漏，對(duì)于紡織填料還會(huì)出現(xiàn)滲漏（壓力介質(zhì)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(shí)壓力介質(zhì)就會(huì)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(hù)環(huán)，注意該保護(hù)環(huán)與填料的接觸面不能為斜面，以防止填料被介質(zhì)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?yàn)樗臍饷苄院?、摩擦力小，長(zhǎng)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(fā)生變化，耐壓性和耐熱性良好，不受內(nèi)部介質(zhì)的侵蝕，與閥桿和填料函內(nèi)部接觸的金屬不發(fā)生點(diǎn)蝕或腐蝕。這樣，有效地保護(hù)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(diào)節(jié)閥生產(chǎn)過(guò)程中的鑄造或鍛造缺陷可導(dǎo)致腐蝕的加強(qiáng)。而腐蝕介質(zhì)的通過(guò)，流體介質(zhì)的沖刷也會(huì)造成調(diào)節(jié)閥的泄漏。腐蝕主要以侵蝕或氣蝕的形式存在。當(dāng)腐蝕性介質(zhì)在通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生對(duì)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(shí)間的推移，導(dǎo)致閥芯、閥座不匹配，存在間隙，關(guān)不嚴(yán)而發(fā)生泄漏。
把好閥芯、閥座的材質(zhì)選型關(guān)。選擇耐腐蝕的材料，對(duì)存在麻點(diǎn)、沙眼等缺陷的產(chǎn)品要堅(jiān)決剔除。若閥芯、閥座變形不太嚴(yán)重，可用細(xì)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(yán)重，則應(yīng)重新更換新閥。
4、振蕩
調(diào)節(jié)閥的彈簧剛度不足，調(diào)節(jié)閥輸出信號(hào)不穩(wěn)定而急劇變動(dòng)易引起調(diào)節(jié)閥振蕩。還有所選閥的頻率與系統(tǒng)頻率相同或管道、基座劇烈振動(dòng)，使調(diào)節(jié)閥隨之振動(dòng)。選型不當(dāng)，調(diào)節(jié)閥工作在小開(kāi)度存在著劇烈的流阻、流速、壓力的變化，當(dāng)超過(guò)閥的剛度，穩(wěn)定性變差，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生振蕩。
由于產(chǎn)生振蕩的原因是多方面的，要具體問(wèn)題具體分析。對(duì)振動(dòng)輕微的，可增加剛度來(lái)消除，如選用大剛度彈簧的調(diào)節(jié)閥，改用活塞執(zhí)行結(jié)構(gòu)等；管道、基座劇烈振動(dòng)，可通過(guò)增加支撐消除振動(dòng)干擾；閥的頻率與系統(tǒng)的頻率相同時(shí)，更換不同結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥；工作在小開(kāi)度造成的振蕩，則是選型不當(dāng)造成的，具體說(shuō)是由于閥的流通能力C值過(guò)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(diào)節(jié)閥工作在小開(kāi)度所產(chǎn)生的振蕩。
5、調(diào)節(jié)閥噪音大
當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥，如前后壓差過(guò)大就會(huì)產(chǎn)生針對(duì)閥芯、閥座等零部件的氣蝕現(xiàn)象，使流體產(chǎn)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(diào)節(jié)閥，以克服調(diào)節(jié)閥工作在小開(kāi)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(diào)節(jié)閥共振時(shí)，才有能量疊加而產(chǎn)生100多分貝的強(qiáng)烈噪音。有的表現(xiàn)為振動(dòng)強(qiáng)烈，噪音不大，有的振動(dòng)弱，而噪音卻非常大；有的振動(dòng)和噪音都較大。這種噪音產(chǎn)生一種單音調(diào)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(dòng)力噪音源?？栈瘯r(shí)，汽泡破裂產(chǎn)生高速?zèng)_擊，使其局部產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流，產(chǎn)生汽蝕噪音。這種噪音具有較寬的頻率范圍，產(chǎn)生格格聲，與流體中含有砂石發(fā)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(xiàn)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(shí)，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(dāng)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(jiàn)、較有效的聲路處理辦法?？捎梦舨牧习≡胍粼春烷y后管線(xiàn)。需要指出，因噪音會(huì)經(jīng)由流體流動(dòng)而長(zhǎng)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(xiàn)不很長(zhǎng)的情況，因?yàn)檫@是一種較費(fèi)錢(qián)的辦法。
（5）串聯(lián)消音器法本法
適用于作為空氣動(dòng)力噪音的消音，它能夠有效地消除流體內(nèi)部的噪音和抑制傳送到固體邊界層的噪音級(jí)。對(duì)質(zhì)量流量高或閥前后壓降比高的地方，本法較有效而又經(jīng)濟(jì)。使用吸收型串聯(lián)消音器可以大幅度降低噪音。但是，從經(jīng)濟(jì)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(huán)境的噪音減小到人們可以接受的范圍內(nèi)。
（7）串聯(lián)節(jié)流法
在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的壓力比高（△P/P1≥0.8）的場(chǎng)***用串聯(lián)節(jié)流法，就是把總的壓降分散在調(diào)節(jié)閥和閥后的固定節(jié)流元件上。如用擴(kuò)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(kuò)散器效率，須根據(jù)每件的安裝情況來(lái)設(shè)計(jì)擴(kuò)散器（實(shí)體的形狀、尺寸），使閥門(mén)產(chǎn)生的噪音級(jí)和擴(kuò)散器產(chǎn)生的噪音級(jí)相同。
（8）選用低噪音閥
低噪音閥根據(jù)流體通過(guò)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(diǎn)產(chǎn)生超音速。有多種形式，多種結(jié)構(gòu)的低噪音閥（有為專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的）供使用時(shí)選用。當(dāng)噪音不是很大時(shí)，選用低噪音套筒閥，可降低噪音10～20分貝，這是較經(jīng)濟(jì)的低噪音閥。
▋閥門(mén)定位器故障
普通定位器采用機(jī)械式力平衡原理工作，即噴嘴擋板技術(shù)，主要存在以下故障類(lèi)型：
（1）因采用機(jī)械式力平衡原理工作，其可動(dòng)部件較多，易受溫度、振動(dòng)的影響，造成調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)；
（2）采用噴嘴擋板技術(shù)，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(shù)在惡劣現(xiàn)場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，造成調(diào)節(jié)閥非線(xiàn)性導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。
（4）智能定位器由微處理器（CPU）、A/D、D/A轉(zhuǎn)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(shí)際值的比較純是電動(dòng)信號(hào)，不再是力平衡。因此能夠克服常規(guī)定位器的力平衡的缺點(diǎn)。但在用于緊急停車(chē)場(chǎng)合時(shí)，如緊急切斷閥、緊急放空閥等，這些閥門(mén)要求靜止在某一位置，只有緊急情況出現(xiàn)時(shí)，才需要可靠地動(dòng)作，長(zhǎng)時(shí)間停留在某一位置，容易使電氣轉(zhuǎn)換器失控造成小信號(hào)不動(dòng)作的危險(xiǎn)情況。此外。用于閥門(mén)的位置傳感電位器由于工作在現(xiàn)場(chǎng)，電阻值易發(fā)生變化造成小信號(hào)不動(dòng)作、大信號(hào)全開(kāi)的危險(xiǎn)情況。因此，為了確保智能定位器的可靠性和可利用性，須對(duì)它們進(jìn)行頻繁地測(cè)試。