一、自力式弹簧压力调节阀选型计算分析工作原理及结构特点
弹簧式自力式压力调节阀工作原理，以常用型阀后式为例（见图1），阀芯的初始位置为开启状态，阀后压力P2经导压管输入上膜室作用在执行机构膜片上，其作用力与弹簧的作用力相平衡时的阀芯位置决定了阀的开度，从而控制阀后压力。当阀后压力P2增加时，P2作用在膜片上的作用力也随之增加。此时，膜片上的作用力大于设定弹簧的作用力，使阀芯向着关闭的位置运动，阀的开度减小，P2降低，直到膜片上的作用力与弹簧作用力相平衡为止，从而使P2降为设定值。同理，当阀后压力P2降低时，动作方向与上述方向相反。自力式压力调节阀的阀前式调节其阀芯的初始位置为关闭状态，其力平衡原理与阀后式相同（见图2）。
自力式压力调节阀优点在于结构简单，维护工作量小压力设定点可调且范围宽，便于用户在设定范围内连续调节阀内采用压力平衡机构，使调节阀反应灵敏、控制精确、允许压差大被调介质为腐蚀性低、具有流动性的轻质油品、水、空气等，也可控制温度在350℃以下的非腐蚀性气体、蒸汽等。对于高温、高粘度的介质需要配置冷凝器、隔离罐等附件。此产品广泛应用于天然气采输、城市供热及冶金、石油、化工、电力等行业中介质连续使用工况下的调节控制。但此产品在阀后介质用量减少、或无用量时、或者间断用量时的控制又会如何呢？根据用户反应的现象是调节阀会出现泄露情况，导致阀的前后差压相等；当使用末段关闭后重新开始使用介质时，阀门又恢复了减压功能，同时存在憋压后再开启时造成瞬间高压冲击，极有损坏设备的可能性。下面以我公司该类产品在某企业的应用实例来阐述弹簧式自力式压力调节阀（以下简称阀）针对这类特殊工况的设计和应用。
二、自力式弹簧压力调节阀选型计算分析特殊工艺参数
控制系统为稳定阀后压力的系统，介质为氮气，系统的初始管道压力为2800KPa，后工段所需要的最大流量为2000NM3/h。工艺要求是后工段使用介质10分钟后停止使用1小时，并按此方式循环使用；正常使用时阀后压力稳定在700KPa，停止使用时阀后压力不得高于800KPa。阀后输送管道长度为800～1000米左右（如图3所示）。系列产品有单座（ZZYP）、套筒（ZZYM）、双座（ZZYN）、三种结构；执行机构有薄膜式、活塞式二种；作用型式有减压用阀后压力调节(B型)和泄压用阀前压力调节（K型）。产品公称压力等级有PN16、40、64；阀体口径范围DN20～300；泄漏量等级有II级、IV级和VI级三档；流量特性为快开；压力分段调节从15～2500Kpa。可按需要组合满足用户工况要求。
自力式压力调节阀是一种无需外加驱动能源，依靠被调介质自身的压力为动力源动作的产品。当被调介质压力变化时按预定设定值进行自动调节的节能型控制装置。它集检测、控制、执行诸多功能于一体，自成一个独立的仪表控制系统。由于自力式压力调节阀是一款使用简单方便的节能产品，所以世界各国调节阀公司纷纷推出了各种类型的产品，主要分为杠杆式自力式调节阀、指挥器式自力式调节阀、弹簧式自力式调节阀等（以下用弹簧式自力式压力调节阀为例）。
三、自力式弹簧压力调节阀选型计算分析设计分析
根据上述工艺要求，为了保证控制系统介质正常使用时的压力，可选择一台阀降压也可以选择两台，但考虑到后工段关闭介质时的特殊要求，选择使用两台阀进行双级降压能够更好的分解设定压力，减小单台阀过重的负载，以化的方式满足此工艺要求。
（1）在阀内件设计方面，两台阀的密封形式均采用软密封形式，以提高阀的泄漏等级，减小因内漏造成的阀后压力升高。
（2）两台阀需要合理分配设定压力。第一台阀的关键任务
①当系统正常使用介质时降低大部分阀前压力，使阀后压力稳定在一个适中的压力值上
②能够切断介质且在切断介质后阀后压力只有小幅上升以利于第二台阀的控制。第二台阀的任务除了正常的减压外，也应能较好起到切断介质的作用，并在第一台阀因其他未知原因不能正常关闭的情况下起到二次切断介质的作用，最终保证阀后压力，满足工艺要求。
（3）在关键的控制元件一一弹簧的设计中，需充分考虑两台阀的作用。相对来说第二台阀的弹簧承受压力的变化较大，特别是两台阀在关闭介质时，阀后的压力都会有一定的变化，单单对于第二台阀来说阀前压力和阀后压力均有所变化，根据系统受力平衡分析，阀后压力升高的幅度对弹簧的影响远远大于阀前压力，所以此时弹簧所承受的负载也相对变大，因此在设计计算此弹簧时应充分考虑这一因素。
（4）调节阀距控制系统末端有800～1000米左右的输送管道，当控制系统末端关闭后重新开启时产生的瞬间高压会慢慢的消耗在输送过程中，所以此压力在这种工况下可以忽略不计。
（5）此工艺要求两台阀须频繁的打开和关闭，所以阀的关键部件所采用的材料也应合理捧择，并建议用户及时更新易损件，以保障产品的良好性能。
四、自力式弹簧压力调节阀选型计算分析选型计算
（1）压力分配计算
为确保阀后压力在设定范围内，其阀前压力和阀后压力应满足减压比（10：1～10：8）的关系，详细数值见表1：
两台阀对阀前、阀后介质压力的合理分段应首先保证第二台阀关闭时阀后压力不高于800KPa，那么对于第二台阀的阀前压力应该满足大于最小减压比，所以选择第一台阀的阀后压力稳定在1000KPa左右较为合适，这个压力值作为第二台阀的阀前压力，便于满足第二台阀的阀后压力稳定在700KPa。所以两台阀的压力分配如下：
第一台阀：阀前压力2800KPa、阀后稳压为1000KPa、调压范围为900-1100PKa：
第二台阀：阀前压力1000KPa、阀后稳压为700KPa、调压范围为600-800KPa。
（2）口径计算
调节阀的选型主要是根据客户提供的阀前压力、阀后压力及最大流量等参数通过计算来确定阀的流量系数（Kv值）、口径等主要参数。Kv值的计算公式有很多种，表2中的公式是针对介质为气体，涉及物化参数较少的计算公式。
由已给的条件计算出两台阀的流量系Cv。
己知系统初始管道压力为2800KPa，后工段所需要的最大流量为2000NM3/h。设定第一台阀的流量控制在4000NM3/h，阀后压力稳定在1000kpa；第二台阀的流量为已知的2000NM3/h，阀前压力为1000kpa，阀后压力稳定在700kpa。介质为氮气，温度为常温。第一台阀：p1≥2p2，所以选择公式（1）计算kv值，第二台阀：p1<2p2，所以选择公式（2）计算kv值： 代入已知条件计算出kv，再根据式（3）计算出的Cv大小对应选型，第一台阀口径为DN25；第二台阀口径为DN40。
五、设计计算
（1）阀体壁厚的计算
第一、二台阀的公称压力分别为4.0MPah和1.6MPa，介质为氮气，选择阀体材质为碳素钢即可满足要求。根据如下常用的钢及合金钢阀体壁厚计算公式，代入已知参数计算阀体壁厚。
式中，P（MPa）：计算压力（由设计给定）；Dn（mm）：计算口径（由设计给定）；
[OL]（MPa）：许用拉应力，可查机械设计手册得出；
C（mm）：腐蚀余量（由设计给定，一般取C=6.3mm）；
选择SB≥S''B即可满足设计要求，SB（mm）实际选用厚度。
（2）阀杆强度校核计算
由于该阀的结构特点，阀杆只做上下直线运动，所以对阀杆强度核算的计算采用升降杆明杆强度验算公式
关闭时阀杆总轴向力（N）：
开启时阀杆总轴向力（N）：
阀杆最大轴向力（N）：取Q0及QK中最大值
轴向应力（MPa）：
合成应力OE（MPa）：取轴向应力中的最大值
KI～K4：为应力系数值，查机械设计手册可得具体数值
QV（N）：密封面处介质作用力；QT（N）：密封面上密封力；
Q0（N）：阀杆径向截面上介质作用；QT（N）：阀杆与填料摩擦力；
FS（mm2）：阀杆最小截面积；
强度校核条件。OE>[OE]许用合成应力[QE]可查机械设计手册得出。
（3）弹簧的设计计算
弹簧是自力式压力调节阀中的关键零件，采用的材料为60Si2MnA优质硅锰弹簧钢。图4为弹簧应力及应变的关系图，图中F1及F2为阀后稳压范围中最小压力及最大压力时，对应弹簧的最小受力及最大受力，Flim为设计弹簧的极限受力。△h对应的是弹簧正常的压缩量同时也是阀的行程。
当控制系统处于平衡状态时，根据工艺要求的设定压力值计算出弹簧受到的最小压力和最大压力F1及F2并，将此计算值代入压缩弹簧计算公式：
根据弹簧所选择的材料确定许用应力TP，然后在4～14范围内初步确定旋绕比，由公式（4）计算出弹簧的簧丝直径d，取d的圆整值由D2=Cd计算出D2：再由式（5）计算有效圈数n；最后确定弹簧的所有参数。在设计中应初设几个旋绕比C值做计算，比较结果选取的方案。
自力式弹簧压力调节阀选型计算分析产品特点（1）自力式压力调节阀无需外加能源，能在无电无气的场所工作，既方便又节约了能源。
（2）压力分段范围细且互相交叉，调节精度高。
（3）压力设定值在运行期间可连续设定。
（4）对阀后压力调节，阀前压力与阀后压力之比可为10：1～10：8。
（5）橡胶膜片式检测，执行机构测精度高、动作灵敏。
（6）采用压力平衡机构，使调节阀反应灵敏、控制精确。 
自力式弹簧压力调节阀选型计算分析技术参数| 公称通径DN | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | | 额定流量系数Kv | 7 | 11 | 20 | 30 | 48 | 75 | 120 | 190 | 300 | 480 | 760 | 1100 | 1750 | | 噪音衡量系数Z值 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.55 | 0.55 | 0.5 | 0.5 | 0.45 | 0.4 | 0.35 | 0.3 | 0.2 | 0.2 | 允许压差
(Mpa) | PN16 | 1.6 | 1.5 | 1.2 | 1,0 | | PN40 | 2.0 | | 阀盖形式 | 标准型-17～+300℃、高温型+300℃～+450℃ | | 压盖型式 | 螺栓压紧式 | | 密封填料 | V型聚四氟乙烯填料、含浸聚四氟乙烯石棉填料、石棉纺织填料、石墨填料 | | 阀芯形式 | 单座、套筒型阀芯 | | 流量特性 | 线性 |
执行器参数| 有效面积(cm ) | 32※ | 80 | 250 | 630 | | 压力设定范围(MPa) | 0.8～1.6 | 0.1～0.6 | 0.015～0.15 | 0.005～0.035 | | 0.3～1.2 | 0.05～0.3 | 0.01～0.07 | 保证压力阀正常工作的
最小压差△Pmin(MPa) | ≥0.05 | ≥0.04 | ≥0.01 | ≥0.005 | | 允许上下膜室之间最大压差(MPa) | 2.0 | 1.25 | 0.4 | 0.15 | | 材料 | 膜盖：钢板镀锌； 膜片：EPDM或FKM夹纤维 | | 控制管线、接头 | 铜管或钢管10×1； 卡套式接头：R1/4" |
注：※该有效面积所对应的压力设定范围不适用于DN150-250。 自力式弹簧压力调节阀选型计算分析性能指标| 设定值偏差 | ±8% | 允许泄露量
(在规定实验条件下) | 硬密封 | 4×0.01%阀额定容量 | | 软密封 | DN15～50 | DN65～125 | DN150～250 | | 10气泡/min | 20气泡/min | 40气泡/min |
自力式弹簧压力调节阀选型计算分析工作温度| 公称通径 | 15～125mm | 150～250mm | | 密封型式 | 硬密封 | ≤150℃ | ≤140℃ | | 冷却罐≤200℃ | 冷却罐和加长件≤200℃ | | 冷却罐和散热片≤350℃ ※ | 冷却罐和加长件≤300℃ ※ | | 软密封 | ≤150℃ |
注：※表示该阀允许工作温度，仅当介质为蒸汽时有效，且耐温至350℃需选用PN40的阀体。 自力式弹簧压力调节阀选型计算分析零件材料| 材料代号 | C（WCB） | P（304） | R（316） | 主要
零件 | 阀体 | WCB（ZG230-450） | ZG1Cr18Ni9Ti（304） | ZG1Cr18Ni12Mo2Ti（316） | | 阀芯、阀座 | 1Cr18Ni9Ti（304） | 1Cr18Ni9Ti（304） | 1Cr18Ni12Mo2Ti（316） | | 阀杆 | 1Cr18Ni9Ti | 1Cr18Ni9Ti | 1Cr18Ni12Mo2Ti | | 膜片 | 丁睛橡胶、乙丙橡胶、氯丁胶、耐油橡胶 | | 膜盖 | A3、A4钢涂四氟乙烯 | | 填料 | 聚四氟乙烯、柔性石墨 | | 弹簧 | 60Si2Mn | | 导向套 | HPb59-1 |
外形结构图 
自力式弹簧压力调节阀选型计算分析主要外形尺寸| 公称通径(DN) | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | | 法兰接管尺寸(B) | 383 | 512 | 603 | 862 | 1023 | 1380 | 1800 | 2000 | 2200 | | 法兰端间距(L) | 150 | 160 | 180 | 200 | 230 | 290 | 310 | 350 | 400 | 480 | 600 | 730 | 850 | | 压力调节范围(KPa) | 15-140 | H | 475 | 520 | 540 | 710 | 780 | 840 | 880 | 915 | 940 | 1000 | | A | 280 | 308 | | 200-500 | H | 455 | 500 | 520 | 690 | 760 | 800 | 870 | 880 | 900 | 950 | | A | 230 | | 120-300 | H | 450 | 490 | 510 | 680 | 750 | 790 | 860 | 870 | 890 | 940 | | A | 176 | 194 | 280 | | 480-1000 | H | 445 | 480 | 670 | 740 | 780 | 850 | 860 | 880 | 930 | | A | 176 | 194 | 280 | | 600-1500 | H | 445 | 570 | 600 | 820 | 890 | 950 | 1000 | 1100 | 1200 | | A | 85 | 96 | | 1000-2500 | H | 445 | 570 | 600 | 820 | 980 | 950 | 1000 | 1100 | 1200 | | A | 85 | 96 | | 大约重量(Kg) | 26 | 37 | 42 | 72 | 90 | 114 | 130 | 144 | 180 | 200 | 250 | | 导压管接口螺纹 | M16X1.5 |
自力式压力调节阀广泛应用于工业和民用领域，用于自动调节管道中的流体压力。正确的安装与操作不但能确保其性能，还能延长使用寿命并提高系统的稳定性。以下是一些实用的安装与操作技巧。 首先，选择合适的自力式压力调节阀型号重要。根据应用需求（如工作压力范围、介质性质等）选择合适的规格和材质。确保阀门的性能参数与系统要求相匹配，以保证快速的流体控制。其次，仔细阅读并遵循制造商提供的安装手册。手册中详细介绍了阀门的安装步骤、工具要求以及注意事项。按照手册中的指导，逐步进行安装，确保每个步骤都正确无误。 在安装过程中，确保管道连接处平整且无毛刺。使用适当的法兰或螺纹连接方式，并确保连接件之间的密封垫片安装正确。使用螺栓均匀紧固法兰，避免因受力不均导致的泄漏。 清洁是重要的步骤。清洁阀门的内外表面，任何油污、灰尘或杂质。对于有特殊卫生要求的应用，可以使用酒精或其他消毒剂进行清洗。这有助于确保流体的纯净度和系统的卫生标准。 校准阀门的位置也非常重要。使用校准工具检查阀门的对齐情况，确保阀杆与执行机构对齐。这有助于减少磨损和摩擦，提高阀门的使用寿命。 在操作前，进行初步调试。打开阀门，观察是否有异常声音或泄漏现象。进行空载试运行，检查各部件的运动是否顺畅。如有需要，重新调整阀门的位置或紧固连接件。 操作阶段，注意正确的操作方法。根据流体的压力调节阀门的开度，保持稳定的流体控制。特别注意监控阀门的温度和振动情况，确保其正常运行。 定期维护是确保长期稳定运行的关键。制定详细的维护计划，定期检查阀门的状态，更换磨损部件。特别注意检查密封圈、阀芯和执行机构的状况，确保其完好无损。 后，培训操作人员掌握正确的操作和维护技巧。通过培训，操作人员可以较好地理解阀门的工作原理和操作要点，从而提高工作效率和设备的可靠性。 总之，通过选择合适的自力式压力调节阀型号、遵循安装手册、确保管道连接平整、清洁和润滑、校准位置、进行空载试运行以及定期维护，可以确保阀门的性能。这些技巧不但适用于专注技术人员，也适用于需要自行安装和操作阀门的普通用户。 自力式调节阀的安装和调试步骤如下： 
自力式弹簧压力调节阀选型计算分析安装步骤： 1. 选择合适的安装位置：应尽量安装在便于操作和维护的地方，避免受到高温、振动、腐蚀等不良环境的影响。同时，要保证前后管道的直管段长度符合要求，以确保调节阀的性能稳定。 2. 进行管道连接：按照设计要求，将自力式调节阀与前后管道进行连接。连接时要注意密封良好，避免出现泄漏现象。一般采用法兰连接或螺纹连接方式，根据管道的材质和规格选择合适的连接方法。 3. 安装附件：根据需要，安装必要的附件，如过滤器、旁路阀等。过滤器可以防止杂质进入调节阀，影响其正常工作；旁路阀可以在调节阀检修或故障时，提供一种备用的调节方式。 4. 进行接地处理：对于一些特殊场合的自力式调节阀，如易燃易爆环境，需要进行接地处理，以防止静电积聚引发安全事故。 自力式弹簧压力调节阀选型计算分析调试步骤： 
1. 清洁管道：在调试之前，要对管道进行的清洁，去除管道内的杂质、污垢等，以保证调节阀的正常工作。 2. 检查安装：检查自力式调节阀的安装是否符合要求，包括连接是否牢固、密封是否良好、附件是否齐全等。如有问题，及时进行调整和修复。 3. 设定参数：根据工艺要求，设定自力式调节阀的相关参数，如设定压力、设定流量等。这些参数的设定要根据具体的工艺条件和调节阀的特性来确定。 4. 进行手动调试：在设定参数之后，进行手动调试，通过调节调节阀的手动操作机构，观察阀门的动作是否灵活、准确，调节范围是否符合要求。如有问题，及时进行调整。 5. 进行自动调试：在手动调试正常之后，进行自动调试。通过控制系统或现场操作，使调节阀自动调节，观察其调节效果是否符合工艺要求。如有问题，及时调整控制系统的参数或对调节阀进行检修。 6. 验收调试结果：在自动调试完成后，对调试结果进行验收。检查调节阀的调节精度、稳定性、可靠性等是否符合要求，如有问题，及时进行整改。 总之，自力式调节阀的安装和调试是一个细致而重要的工作，需要严格按照相关的标准和规范进行操作，以确保调节阀的性能稳定和安全可靠。在调试过程中，要注意观察和记录相关的数据和现象，及时发现和解决问题，以保证调节阀的正常工作。这套自力式压力调节阀通过现场的实际使用证明能及时将阀后压力控制在规定的范围内，具有良好的稳压性能，并当现场后工段工艺介质全关闭时充分体现了它的密封性能，很好的满足了系统的工艺要求，深得用户的好评。通过这个应用实例可以得出结论在一定的条件下通过特殊设计，自力式压力调节阀可以具备既稳定设定压力又切断介质的双重功能，为该类产品拓展了更广阔的应用领域。 |
