浅谈GP系列先导式控制阀V级泄漏的实现

调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。调节阀由执行机构和阀组成。调节阀在选用时要保证自控系统正常运行，又需要满足经济性的要求。近几年电力、石油、化工等领域已将大修周期由一年至一年半提高到二年至三年甚至四年，为了节约资金和现场空间，很多用户在非重要场合已取消了调节阀旁路设计，现场使用中也对控制阀的可靠性提出了更高的要求。其中最大阀座泄漏量是用户最为关注的技术指标之一，尤其在很多高温、高压差场合使用的控制阀一般都要求具有调节和切断功能，由于软密封结构使用的密封件温度范围很小，因此在高温和高压差下一般都采用阀芯、阀座硬密封结构，而且要求控制阀硬密封泄漏等级为V级。硬密封V级泄漏是要求阀芯、阀座硬密封时达到的最高等级，尤其在大口径控制阀上，硬密封达到V级泄漏是十分困难的，因此很多控制阀生产厂家都在阀内件结构上进行设计改进，而我们天津精通控制仪表技术有限公司选择的方法是根据用户需求专门设计了GP系列先导式控制阀结构来保证在高压差的条件下大口径阀门硬密封泄漏等级为V级。

• 一、不同标准的V级泄漏的试验要求及计算公式

在GB/T 4213-2008《气动调节阀》、ANSI FCI 70-2-2006  《control valve seat leakage 》\IEC60534-4-2006标准中分别对V级泄漏的试验要求及计算公式进行了规定。

1、试验介质：

A、在GB/T 4213-2008《气动调节阀》标准中规定：测试介质应为5°～40°的清洁气体（空气或氮气）或水。

B、在ANSI FCI 70-2-2006《control valve seat leakage 》标准中规定：

测试介质应为10°～52°清洁气体（空气或氮气）或水。

C、在IEC60534-4-2006《Industrial-process control valve—Part4:inspection and routine testing》标准中规定：测试介质应为5°～50°清洁气体（空气或氮气）或水，水中可以包含可溶解的油或防锈剂。

2、试验介质压力：

A、在GB/T 4213-2008《气动调节阀》标准中规定：按试验程序1时，应取为0.35MPa,当阀门的允许压差小于0.35MPa时用设计规定的允许压差；按试验程序2时，试验压差应取为阀的最大工作压差。试验程序见表1。

B、在ANSI FCI 70-2-2006《control valve seat leakage 》标准中规定：按试验程序B时，试验入口压力应为的最大工作压差；按试验程序B1时，试验入口压力应为3.5bar(50psi)。试验程序见表1。

C、在IEC60534-4-2006《Industrial-process control valve—Part4:inspection and routine testing》标准中规定：按试验程序1时，试验介质压力应在300kPa～400 kPa(3bar～4bar)表压之间，如果压力低于350 kPa（3.5 bar），则应在买方规定的最大工作压差 5%范围内。

按试验程序2时，试验压差应在买方规定的控制阀前后最大工作压差5%以内。试验程序见表1。

3、V级泄漏的阀座最大泄漏量计算公式见表1

• 二、Ⅳ级和Ⅴ级泄漏量数值的对比

在以往的控制阀产品供货中，用户一般要求硬密封泄漏等级为Ⅲ级或Ⅳ级的产品，其泄漏量的数值关系：Ⅳ级为Ⅲ级的1/10,近几年在一些重要场合用户也提出了要求硬密封泄漏等级为Ⅴ级的产品，可能有部分的工艺人员误认为Ⅴ级泄漏量的数值也为Ⅳ级的1/10,因此在一些非重要场合也提出了需要硬密封泄漏等级为Ⅴ级的产品，认为这是控制阀厂家产品质量提升的重要标志。但是这只是个误区，一方面Ⅴ级泄漏量的数值并不是Ⅳ级的1/10,另一方面控制阀要达到硬密封泄漏等级为Ⅴ级时，一般需要特殊设计阀芯和阀座的密封结构或加大执行机构选配等，这样就增加了同口径阀门的成本及售价，也为整个工程项目增大了资金的投入。下面以GP系列先导阀Ⅳ级和Ⅴ级的泄漏量数值为例，看一下Ⅳ级和Ⅴ级的泄漏量数值之间的关系，如表2所示：

由于在试验介质为水时，计算Ⅳ级和Ⅴ级泄漏量数值所采用的入口压力有所区别，因此在进行比较时采用试验介质为空气或氮气，此时试验压力数值相同。

表2   GP系列先导阀泄漏量数值

由上表可以看出Ⅴ级和Ⅳ级泄漏量的比值并不是1/10的关系，而且随着公称通径的增加，这个比值越来越大，因此对于大口径控制阀在保证硬密封Ⅴ级泄漏也是有一定的难度的，这不仅表现在零件的加工精度上，在整机结构的设计上也需要优化设计才能够达到。

三、GP系列先导式控制阀

GP系列先导控制阀是我们天津精通控制仪表技术有限公司专门针对温度高、压差大、公

称通径较大又要求保证硬密封Ⅴ级泄漏的场合而设计的控制阀产品，除了材料选用及零件的加工精度保证以外，合理的设计结构也是很重要的，下面本文主要针对GP系列先导阀的工作原理、设计结构分析、受力分析等方面来进行说明。

GP系列先导阀具有体积小，结构紧凑，泄漏等级高，使用寿命长等特点，近几年在自动控制系统中得到了广泛的应用，该阀一般应用在高温、高压差、可调节及要求切断的场合。

GP系列先导阀的工作原理：如图1、图2所示，GP系列先导控制阀主要是采用先导阀芯、

主阀芯、阀笼及阀座作为主要截流元件，在阀门关闭时，主阀芯首先在执行机构作用下关闭于阀座环上，然后先导阀芯也在执行机构的作用下关闭于主阀芯上，此时阀前压力可以通过主阀芯与阀笼的间隙进入阀笼上腔压在主阀芯上，使主阀芯关闭时产生背压，这样更有利于阀座环密封。介质压力越高，阀门密封越严密。当打开阀门时，执行机构提升阀杆，首先打开先导阀芯，由于先导阀芯与主阀芯的间隙和主阀芯与阀笼之间的间隙相比具有更大的流通能力，使主阀芯很快建立平衡，这样就能够使用较小的力便可以打开主阀芯。

    这个设计中的亮点主要有：一组压缩弹簧和石墨密封环。

其中弹簧的作用是;利用弹簧刚度抵抗介质压力的变化，用于解决由于压力变化原因引起主阀芯和先导阀芯之间产生的振动问题。石墨密封环的作用是：为了保证主阀芯和阀笼之间由于温度变化，引起间隙变大，避免由于主阀芯和阀笼间隙原因造成主阀芯和阀笼之间的流通能力与先导阀阀座的流通能力不匹配的问题，这样就不会出现阀门关闭后不能打开的情况。

图1 GP系列先导阀

图2   阀笼阀芯组件

GP系列先导式控制阀的受力分析

(说明：P1—阀前压力MPa；P2—阀后压力MPa)

图3   GP系列先导式控制阀关闭时压力分布图

如图3所示，关闭GP系列先导式控制阀所需的关闭力包括：

1、主阀芯的密封力（保证泄漏等级为Ⅴ级时的密封比压值）

2、先导阀芯的密封力（保证泄漏等级为Ⅴ级时的密封比压值）

3、主阀芯的不平衡力（在阀前后压差作用下）

4、先导阀芯的不平衡力（在阀前后压差作用下）

5、填料的摩擦力

6、一组弹簧力

(说明：P1—阀前压力MPa；P2—阀后压力MPa)

图4   GP系列先导式控制阀打开先导阀芯时压力分布图

如图4所示，打开GP系列先导式控制阀阀芯所需克服的力包括：

1、先导阀芯的不平衡力（在阀前后压差作用下）

2、填料的摩擦力

3、一组弹簧力

当打开先导阀芯后，此设计结构也就成为了普通的平衡式笼式阀，不平衡面积很小，运行平稳。

因此在应用GP系列先导阀门的时候一定要分析以上各个力的方向，然后进行计算，分别计算出关闭主阀芯和先导阀芯所需的关闭力以及打开先导阀芯所需克服的力，然后按照这个数值取一个安全系数来选配正确执行机构，才能够达到硬密封泄漏等级为Ⅴ级。

综上所述，在高温、高压差的情况下大口径控制阀要达到硬密封Ⅴ级也是需要一定的技术含量的，需要选用适合的材料、恰当的热处理工艺、较高的加工精度以外，还需要有合理的结构设计，因此也就提高了产品的销售价格。因此本人认为控制阀生产厂家的技术人员和现场应用的工艺人员都应该更多的认识和理解国家标准、行业标准和国际标准，根据现场需要提出合适的阀座泄漏等级，也可以根据工况要求提出阀座泄漏等级为Ⅳ级的1/10、Ⅳ级的1/20或Ⅳ级的1/50等，降低控制阀的设计难度，同时也降低了整个项目的采购成本。

参考资料：

《GB/T-4213-2008《气动调节阀》最大阀座泄漏量解析》

《先导式调节阀密封结构分析》