压力调节阀机械密封改造

　　压力调节阀机械密封改造压力调节阀门是装在泵出口处的压力调节装置，是使泵正常工作的保护装置，阀出口、入口分别联接在泵入口、出口处。正常工作时，泵出入口压差一定，阀关闭。当泵出口管线堵塞或其他原因造成出口管路系统压力升高时，泵出口压力会超出泵的出口设计压力，导致泵出入口压差增大不能正常工作时，阀打开，使泵出口介质返回入口，降低泵出口压力，将压差控制在允许范围内，保证泵的正常工作。阀改造前工作示意图如图1所示，K面为阀工作面，靠调节A处大小调整弹簧压力，正常工作时入口侧压力与弹簧力之和等于出口压力。当入口处压力大于弹簧力和出口压力之和时K面打开，介质通过K面流入出口端，平衡两侧压差。
 

　　压力控制阀应用中存在的问题
 

　　①压力控制阀的品种多，规格多，参数多。压力控制阀为适应不同工业生产过程的控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品，使压力控制阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理不方便。
 

　　②压力控制阀的可靠性差。压力控制阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很大差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复现性变差等，给稳定运行带来困难。
 

　　③压力控制阀笨重，给控制阀的运输、安装、.维护带来不便。通常，控制阀重量比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台DN200的控制阀重达700kg，运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给控制阀的应用带来不便。
 

　　④压力控制阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变差。压力控制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各不相同，力口上压降比变化，使控制阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使控制系统控制品质变差。
 

　　⑤压力控制阀噪声过大。工业应用中，控制阀噪声已成为工业设备的主要噪声源，因此，降低控制阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国的重视。
 

　　⑥压力控制阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，更应采用节能技术，降低控制阀的能耗，提高能源的利用率。

　　二、压力调节阀机械密封改造调节阀失效原因分析
 

　　原阀因结构上的缺陷，使用周期较短，分析其失效原因主要有以下几点，同时对阀结构进行了针对性的设计。
 

　　(1)该阀失效表现为泵无法正常保压，泵振动往往是阀失效的一个原因。经现场观察，泵运行时泵体如振动较大，若振动频率与弹性元件的固有频率接近，则阀会出现磨损式疲劳损伤，导致端面失效。
 

　　(2)原阀端面为楔型端面，虽工作过程两端面接触较好，但端面无法研磨(无合适研磨器具进行研磨)经分析，该装置为静止两端面接触，工作时两端面并无相对运动，只需端面贴和好，保证平面度，就可以正常工作。故可将楔型端面改为可研磨的平端面。
 

　　(3)经分析为端面处失效，拆开后发现端面有伤痕，是泵内杂质在端面处压伤端面。因原阀为整体阀，端面与阀体铸造在一起，无法进行部分更换，只好整体更换。维修成本太高，加工周期长，急需改造。

　　三、压力调节阀机械密封改造阀的针对性改造
 

　　(1)将原楔型端面改为平端面，两端面间接触面积尽量减小，使杂质压在端面间的机会减小，万一杂质夹到端面间压伤端面，可将端面卸下在一般密封研磨台上进行研磨，零件可修复再利用。
 

　　(2)原阀体为整体阀，阀内端面在阀中部靠后，维修极不方便，现改为阀体两分式，将阀体端面夹在两部分阀体中间，靠两个密封圈与阀体连接，既保证了端面的防抽空，又使端面有一定的浮动性，可以更好的同另一端面配合，可取的一点是阀体密封端面可拆卸，可维修，可更换。
 

　　(3)原阀体为铸造件，为大批量生产的化生产方案，而小批量生产，铸造成本非常高，为降低成本，将原铸造件改为焊接件，降低成本。

　　四、压力调节阀机械密封改造阀设计步骤及参数选择
 

　　1.设计依据
 

　　(1)工况条件以公称直径为DN50mm的调节阀为例，额定调压范围0.2~0.8MPa，温度：40℃。
 

　　(2)原阀的设计理论。
 

　　(3)力平衡原理。
 

　　(4)改造阀的可维修性。
 

　　(5)原阀的结构。

　　2.设计程序
 

　　(1)根据该阀的工作原理及安装方式，新改造的阀外形及工作原理同以前相似。
 

　　(2)根据介质的性质，合理选用阀体材质，选用该材质完满足该阀的使用要求。
 

　　(3)调压范围的确定
 

　　原调压范围定为0.2~0.8MPa，为使整个阀体安装过程中弹簧力不影响安装，即弹簧自由状态小于弹簧座与动环之间大距离，设计时将范围底限0.2MPa降至0，这样并不影响整个阀的工作，而且组装阀时也比较省力。
 

　　(4)基本结构的确定
 

　　阀内存在两个端面，阀本身有出口和入口接在泵上，阀本身使端面贴合的力由弹簧提供，弹簧力的调节由调整螺栓调节。
 

　　以将该阀设计为可拆卸更换端面式为设计思路，将原整体阀改为两部分，用螺栓联接在一起，以定位销定位，保证出入口两法兰平面度，阀两部分结合处安装阀内端面，端面与阀体间安装密封圈(材质聚四氟乙烯)，既可防止入口压力高将端面压出，又增加了端面的浮动性，使阀工作时两端面间为柔性接触，密封更可靠。
 

　　运动端面靠导向柱导向，导向柱和动环之间用螺纹联接，维修时将导向柱卸下，可以直接研磨端面进行修复。导向柱螺纹做成尖角，旋紧后以尖角锁紧，防止泵振动过程中将导向柱振松。
 

　　(5)端面位置的确定
 

　　因本阀出入口位置已确定，法兰位置一定要在两口之间，才能保证端面在两口之间，为使螺栓联接方便，尽量把法兰设在两口中间，同时为了使弹簧有更大的使用空间，尽量把端面靠近入口。

　　3.主要结构的几何尺寸确定及技术要求
 

　　(1)端面宽度
 

　　为使两端面间接触面积尽量减小，使杂质压在端面间的机会减小，又让端面受压强不至于太高，端面宽度取b=3mm。
 

　　(2)端面尺寸
 

　　确定根据原阀体外形尺寸大小，新设计阀体不能大于原阀体，否则安装时可能和泵外接管线干涉，去掉阀体壁厚及法兰空间，端面尺寸基本确定在φ58.5mm以内。为减少介质在端面附近沉积，端面附近设计成大倒角尺寸以减少介质沉积，初步确定尺寸为φ36mm×φ30mm。
 

　　(3)确定阀调压范围内压力调节范围
 

　　端面受压面积：
 

　　式中S--端面面积，单位为mm2；
 

　　R--端面半径，单位为mm。
 

　　大弹簧力(阀受压0.8MPa时端面应受闭合力)：
 

　　F1=pS=0.8×1017=813.5N
 

　　式中F1---大弹簧力，单位为N；
 

　　p---阀体大压力，单位为MPa。
 

　　即该阀正常工作时额定压力调整范围为0~813.5N。
 

　　(4)设计弹簧
 

　　长度：总长应小于或等于阀内弹簧空间才能使安装时螺钉联接省力，经计算，L≤108mm。
 

　　大工作长度：f应小于阀帽内空间(去除两端螺钉头和螺母)，经计算，f≤33mm。
 

　　外径：整根弹簧应能装在阀体内，所以φ外<φ58.5，暂时设定中径D2=45mm
 

　　①选取材料和许用应力
 

　　属一类弹簧，材料选用0Cr17Ni14Mo2，由《机械设计手册》表30.2-4查得τp=324MPa。
 

　　②求弹簧钢丝直径
 

　　按《机械设计手册》弹簧设计用公式(30.2-6)
 

　　查《机械设计手册》弹簧设计用图30.2-4得C=7.4；
 

　　③求有效圈数
 

　　按《机械设计手册》弹簧设计用公式30.2-5
 

　　按《机械设计手册》弹簧设计用公式30.2-5
 

　　④计算其余尺寸参数
 

　　总圈数n1=n+1.5=6
 

　　大工作载荷下的变形量
 

　　压并载荷及压并变形量根据弹簧工作区应在全变形量20%~80%的条件，取f1=0.8fb，则
 

　　表明f1满足工作区的条件。
 

　　压并高度Hb=(n1-0.5)d=(6-0.5)×6=33mm
 

　　自由高度H0=Hb+fb=33+33=66mm
 

　　节距螺旋角γ=5.13°，满足5°~9°的要求，弹簧设计完成。
 

　　4.主要参数
 

　　本阀主要工作原理是当出入口介质压差与弹簧压力之合力波动时，由弹簧控制端面间力大小，所以只要控制弹簧力合适，就可使阀正常工作。即只要控制A尺寸大小(见图2)就可控制整个阀的工作。
 

　　根据公式p=FS=Δlks得
 

　　由此计算各压力范围时A尺寸大小，如图3：
 

　　按照此图可直接使用本阀。

　　五、压力调节阀机械密封改造改造后的效果
 

　　(1)因将阀密封面由楔形面改成了平面，延长了运行寿命，改造后此阀寿命一般都在10000h以上，大大超出原阀3200h的使用寿命。