【论文精选】燃气调压器关闭性能影响因素及浮动阀垫设计

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作 者： 周士钧，阮若冰，顾俊杰，惠虎，徐维普，潘瑶琼

第一作者单位： 上海飞奥燃气设备有限公司

摘自《煤气与热力》2023年7月刊

参考文献示例

周士钧，阮若冰，顾俊杰， 等 .  燃气调压器关闭性能影响因素及浮动阀垫设计 ［J］.    煤气与热力， 2023，43（7） ：B21-B25.

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调压器、调压站

1    概述

近年来，天然气消费快速增长， 2021 年中国天然气消费量 3 690 × 10 ⁸   m ³ ，同比增长 12.5% 。全国主干天然气管道总里程达到 11.6 × 10 ⁴   km ^{［ 1 ］} 。燃气 调压器 是天然气输配系统中重要的设备，其主要性能指标通过调压器的静特性来体现。静特性的主要参数包括稳压精度等级 AC 、关闭压力等级 SG 等。稳压精度等级 AC 反映了 调压器 在不同进口压力下，随着流量的变化其出口压力的稳定性能。关闭压力等级 SG 反映了调压器在流量为 0 的情况下其关闭压力的升高情况，因此直接影响到燃气输配系统的用气安全。本文主要针对直接作用式调压器（简称调压器）进行分析。

文献［ 2 ］针对 调压器 静特性影响因素进行了分析，并提出了增强调压器调压性能的补偿设计。文献［ 3 ］分析了调压器在不加弹簧或者配重条件下的关闭压力，即影响调压器自封压力的参数。本文通过调压器的工作原理和密封原理，从设计角度对影响调压器关闭性能的影响因素进行分析，并提出一种改善关闭性能的设计方案，最后通过试验对设计方案进行验证。

2    调压器关闭压力的影响因素

2.1   调压器关闭压力平衡方程

以流开型带平衡膜片的调压器为例，文献［ 2 ］给出了调压器在正常运行状态下阀垫的受力分析。由调压器正常运行状态下阀垫阀杆组合体受力平衡关系式可以得到 ^{［ 2 ］} ：

图 1    关闭状态下阀垫阀杆组合体受力分析

平衡膜片与阀杆相互固定，阀杆、阀垫和平衡膜片成为一个整体，称为阀垫阀杆组合体。调压器摩擦力主要是阀杆运动过程中与其他配合件（图上未体现）之间的摩擦力。 此时关闭状态下阀垫阀杆组合体受力平衡关系式为：

2.2   影响调压器关闭性能的主要因素

①主膜片有效面积

由式（ 4 ）可知，增大调压器主膜片有效面积可以有效减小调压器的出口压力升高量，因此为了保证调压器满足声称指标要求，低压调压器的主膜片有效面积一般大于中压调压器主膜片有效面积，使调压器在较低压力下能提供更高的关闭作用力，从而保证良好的关闭性能。但是增加主膜片有效面积会导致调压器头部腔盖也整体变大，从而导致调压器成本和体积增大，因此调压器性能和主膜片应进行匹配设计，即在满足关闭性能的条件下尽量减小主膜片有效面积，保证调压器经济性。

②不平衡阀芯设计

平衡阀芯设计是用于补偿由于进口压力变化所产生的不平衡力，从而提高调压器静特性的设计，主要设计原理为：调压器内设置平衡膜片，平衡膜片和阀垫同时受到进口压力影响，当两者有效面积相等时，进口压力对两者产生大小相等且方向相反的作用力，使得出口压力不受进口压力的影响，此时 A ₂ 等于 A ₁ 。由式（ 4 ）可知，当 A ₂ 大于 A ₁ 时，Δ p 相对于采用平衡阀芯时的Δ p 会降低，并且 A ₂ 与 A ₁ 的差越大，降幅越明显，但是相应地会导致不平衡力越大。因此采用不平衡阀芯设计在一定程度上可以提升调压器的关闭性能，但是如果 A ₂ 与 A ₁ 的差过大，可能导致调压器的静特性曲线过于离散 ^{［ 2 ］} ，从而使调压性能降低。

③阀垫必需密封力

影响阀垫必需密封力的因素主要是调压器密封面内直径、密封面宽度和密封面必需比压。一般来说，减小调压器密封面内直径，可以减小阀垫必需密封力，从而使得调压器可以在较低的出口压力下关闭，但是调压器密封面内直径的减小也会使得调压器流量系数减少。另外，也可以采用减小密封面宽度的方式来减小密封力，一般采取的措施是将阀座密封部位设计成更窄的尺寸，但此举可能导致阀垫软密封部位在关闭时超压，从而影响调压器寿命。密封面必需比压与软密封硬度有关，硬度过高会使其拥有良好的耐磨性，但是密封面必需比压更大；反之硬度过低则会降低其耐磨性，可以有效降低密封面必需比压，但是也会降低整体使用寿命。因此，一般通过试验和计算选取合适的密封面宽度和硬度，从而平衡使用寿命和密封性能。

④调压器的附加密封力

由调压器基本结构可知，实际安装时阀座密封面与阀垫密封面有可能会产生较大的不平行度，见图 2 。

图 2    阀座与阀垫不平行度

当调压器关闭时，阀座与阀垫的密封面会部分接触形成部分密封，另一部分由于不平行度从而形成一定间隙，此时调压器会继续向上关闭，直到密封面全周均达到密封面必需比压。因此不平行度越大，实际所需密封力比计算出的阀垫必需密封力也越大，一般将额外增加的密封力称为附加密封力。长期受到附加密封力影响的调压器，其阀垫由于受力不均匀使得局部受力过大，从而极大地影响了使用寿命。

3    优化设计

为了减小由于误差所引起的不平行度，可以采用一种浮动阀垫设计。浮动阀垫组件由阀垫、锁紧螺母、弹性体组成，见图 3 。

图 3    浮动阀垫

阀垫与阀杆不直接采用刚性连接，而是通过锁紧螺母将阀垫进行机械限位。锁紧螺母和阀垫之间设置弹性体，使得锁紧螺母和阀垫留有端面间隙。阀垫和阀杆留有径向间隙，因此使得阀垫在被限位的同时留有轴向和径向的浮动量。当阀垫和阀座之间产生不平行度时，由于浮动间隙的作用，阀垫会产生浮动摆角，可以有效地补偿不平行度，使得调压器在相对较小的关闭压力下即可保持密封，从而降低调压器的附加密封力。因此，采用浮动阀垫可以在不影响其他调压器性能指标以及加工工艺的基础上减小调压器关闭压力，从而提高调压器关闭性能。

4    试验分析

4.1   试验设计

为了验证浮动阀垫对调压器的关闭性能的影响，搭建了试验系统，见图 4 。空气经过压缩机进入压力罐，压力罐中的高压气体经过过滤器，被减压阀减压，通过截止阀进入待测调压器的进口，通过待测调压器出口的球阀控制流量。调压器前后端设有压力传感器和温度传感器，通过数字控制器读取数据并自动上传至平台，从而自动形成各项参数随时间变化的曲线。

图 4   试验系统流程

4.2   试验测试方案

为了验证浮动阀垫对调压器关闭性能的影响，特别选择城镇燃气常用的 2 款调压器进行对比保压试验。 2 款调压器的性能参数见表 1 。

表 1   调压器性能参数

试验测试方案如下：

①将待测调压器安装到试验系统，设置出口压力为 2.5 kPa ；

②调节调压器进口压力为 0.1 MPa ；

③逐渐关闭调压器出口球阀，记录 10 min 后调压器出口压力，此时出口压力即为瞬时关闭压力；

④保持调压器为关闭保压状态 800 min ，记录关闭保压状态期间出口压力数据， 800 min 时出口压力即为保压后关闭压力；

⑤调节调压器进口压力为 0.4 MPa ，重复步骤③ ~ ④；

⑥将待测调压器阀垫更换为浮动阀垫，重复步骤① ~ ⑤。

4.3   试验结果和分析

①试验结果

经过 800 min 保压试验后，通过控制器读取调压器 1 和调压器 2 出口压力随时间的变化曲线。调压器 1 在进口压力为 0.1 MPa 、 0.4 MPa 时出口压力随时间的变化曲线见图 5 、 6 ，调压器 2 在进口压力为 0.1 MPa 、 0.4 MPa 时出口压力随时间的变化曲线见图 7 、 8 。

图 5    调压器 1 在 0.1 MPa 进口压力下出口压力随时间的变化曲线

图 6    调压器 1 在 0.4 MPa 进口压力下出口压力随时间的变化曲线

图 7    调压器 2 在 0.1 MPa 进口压力下出口压力随时间的变化曲线

图 8    调压器 2 在 0.4 MPa 进口压力下出口压力随时间的变化曲线

调压器 1 和调压器 2 安装浮动阀垫前后的关闭压力对比见表 2 。

表 2    调压器 1 和调压器 2 关闭压力对比

②结果分析

从理论上讲，浮动阀垫对于附加密封力越大的调压器补偿效果越明显。由表 2 可知，采用浮动阀垫后，调压器 1 和调压器 2 关闭性能均有了改善，证明浮动阀垫对于减小附加密封力有效。采用浮动阀垫后调压器 1 在 0.1 MPa 、 0.4 MPa 进口压力下，瞬时关闭压力等级降幅分别为 12.5% 、 12.1% ，而调压器 2 在 0.1 MPa 、 0.4 MPa 进口压力下，瞬时关闭压力等级降幅分别为 22.5% 、 21.1% 。

经过长时间保压后， 2 款调压器在采用原始阀垫时均出现了较为明显的升压，这是由于瞬间关闭后原始阀垫并未完全密封从而导致出口压力继续上升，甚至出现关闭压力等级超出声称指标的情况。调压器 1 和调压器 2 在采用浮动阀垫后，虽然出口压力也略微升高，但是出口压力升高量较小，调压器关闭压力等级未超出声称指标。

采用浮动阀垫的调压器保压后关闭压力相对瞬时关闭压力涨幅平均为 1.45% ，而原始阀垫调压器涨幅平均为 5.25% ，可见浮动阀垫的补偿作用使得调压器在瞬间关闭时便基本满足密封面必需比压要求，从而使得调压器在长时间保压下关闭压力无明显升高。

5    结论

①增大调压器主膜片有效面积，采用不平衡阀芯，降低调压器密封面内直径、密封面宽度和密封面必需比压可以有效减小调压器的出口压力升高量。

②采用浮动阀垫可以有效降低调压器的附加密封力，从而降低出口压力升高量。

③通过试验证实，浮动阀垫可以在不降低调压器其他性能指标的前提下，降低调压器瞬间关闭压力和长时间保压后关闭压力，有效提升了调压器关闭性能。

参考文献：

［ 1 ］任京东，凌月明，隆国强，等 .  中国天然气发展报告（ 2022 ）［ M ］ .  北京：石油工业出版社， 2022 ： 3-4.

［ 2 ］周士钧，王杰，羊成，等 .  燃气调压器静特性影响因素分析及补偿设计［ J ］ .  煤气与热力， 2020 （ 12 ）： B31-B34.

［ 3 ］周粉兰，常保平，沈卫东，等 .  直接作用式燃气调压器自封压力的探讨［ J ］ .  煤气与热力， 2007 （ 6 ）： 8-9.

［ 4 ］陆培文 .  实用阀门设计手册［ M ］ .  北京：机械工业出版社， 2020 ： 1100-1102.

（本文责任编辑：李欣雨）

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