1.1 控制阀的发展历史和现状

控制阀的发展自20世纪初始已有八、九十年的历史，先后产生了十个大类的调节阀产品、自力式阀和定位器等，其发展历程如下：
　　20年代：原始的稳定压力用的控制阀问世，其结构是一种带重锤的球形阀，利用重锤平衡阀芯所受到的流体作用来进行调节。这种控制阀后来演变成利用阀后压力进行调节的自力式调节阀。
　　30年代：产品的种类已经很多，以“V”形缺口的双座和单座，阀体形状为球型的球型阀为代表产品。
　　40年代：出现定位器，调节阀的新品种进一步产生，相继出现隔膜阀、角形阀、蝶阀、球阀等，并在市场上占据主导地位，各种产品已经比较齐全。
　　50年代：球阀得到较大的推广使用，三通阀代替两台单座阀投入系统。
　　60年代：在国内对上述产品进行了系列化的改型设计和标准化、规范化设计后，国内才有了自己完整的系列产品。现在还在大量使用的单座阀、双座阀、角型阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀七种产品仍然是六十年代水平的产品；这时国外推出了第八种结构控制阀新产品—套筒阀，很快受到重视并成为球形阀的主流产品。
　　70年代：有一种新结构的产品----偏心旋转阀问世，它容量大，流路简单，不平衡力小，这些优点使它成为角行程阀门的佼佼着，成为第九大类结构的控制阀品种，这一时期套筒阀在国外被广泛应用。70年代末，国内联合设计了套筒阀，使中国有了自己的套筒阀产品系列。
　　80年代：80年代初由于改革开放，中国成功引进了石化装置和调节阀技术，使套筒阀、偏心旋转阀得到了推广使用，尤其是套筒阀、大有取代单、双座阀之势，其使用越来越广。80年代末，控制阀的又一重大进展是日本的CV3000精小型调节阀，它在结构方面，只是将单弹簧的气动薄膜执行机构改为多弹簧是薄膜执行机构，阀的结构只是改进，不是改变。它的突出特点是使调节阀的重量和高度下降30%，流量系数提高30%。
　　90年代：智能化、模块化阀门的出现，为控制阀的出现翻开了新的一页。

1.2 现代工业对控制阀的要求
1.2.1 质量更稳定、工作更可靠、操作更安全。
1.2.2 调节精度更高。
1.2.3 保护环境 防止大气污染 防止噪音
1.2.4 节约能源 采用低阻抗阀门 提高阀芯、阀座的密封性能 尽量使用气/电动执行机构

1.3 控制阀基础知识
1.3.1 自动化过程工厂是由无数个控制回路组成的。每一个控制回路都经过设计以保证重要的过程变量如压力、流量、温度等不超过要求的工作范围，每一个回路都会接受并从内部产生扰动。这些干扰对过程变量产生决定性影响。为了减少这些负载扰动的影响，传感器和变送器会收集关于过程变量及其与要求的设定点之间的关系的信息。控制器然后处理这些信息并决定必须怎样做才能使得过程变量在负载扰动发生后恢复到它的正常范围。终端控制元件必须执行有控制器选择的控制策略。过程控制工业里最常用的终端元件就是控制阀。控制阀调节流动的液体、气体、蒸汽、水或化学混合物，以补偿负载扰动并使得被控制的过程变量尽可能地靠近需要的设定点。
1.3.2 国际电工委员会IEC对控制阀（control valve）的定义为：“工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元件，它包括一个阀体部件，内部有一个改变过程流体流率的组件，阀体部件又与一个或多个执行机构相连接。执行机构用来响应控制元件送来的信号”,控制阀或阀门，其实指的是控制阀组件。控制阀组件典型地由阀体、阀内件零件、提供阀门操作驱动力的执行机构，以及各种各样的阀门附件所组成。阀门附件包括定位器、转换器、供气压力调节器、手动操纵器、阻尼器或限位开关。

1.3.3 控制阀基本参数
公称通径
公称通径是管路系统中所有管路附件用数字表示的尺寸，公称通径是供参考用的一个方便的圆整数，与加工尺寸仅呈不严格的关系。公称通径用字母“DN”后面紧跟一个数字标志。
公称压力
公称压力PN是一个用数字表示的与压力有关的标示代号，是仅供参考用的一个方便的圆整数，同一公称压力（PN）值所标示的同一公称通径（DN）的所有管路附件具有与端部连接形式相适应的同一连接尺寸。
中、美、日公称压力等级对照表
ANSI 150  300   600   900   1500   2500
PN　 20   50　  110   150   260    420
JIS  10　 20　　40　　63
流量系数CV
当调节阀全开，阀两端压差△P为1磅/平方英寸，介质为60°F清水时每分钟流经调节阀的流量数，以加仑/分计。国内流量系数通常有KV表示，它们之间的换算关系为；
Cv=1.167 Kv
流量特性
当百分比额定行程从0变化到100％时，流经阀门的流量与百分比额定行程之间的关系。
等百分比流量特性
一种固有的流量特性：额定行程的等量增加会理想地产生流量系数的等百分比的改变。
直线流量特性
一种固有的流量特性：可以用一条直线在流量系数相对于额定行程的长方形图上表示出来。行程的等量增加提供流量系数的等量增加。
快开流量特性
一种固有的流量特性：在截流元件很小的行程下可以获得很大的流量系数。

1.3.4 控制阀基本分类

通用分类法
这种分类方法既按原理、作用又按结构划分，是目前国际、国内最常用的分类方法。一般分闸阀、截止阀、节流阀、仪表阀、柱塞阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、止回阀、减压阀安全阀、疏水阀、调节阀、底阀、过滤器、排污阀等

按用途和作用分类
调节阀类——主要用于调节介质的流量、压力等。包括调节阀、节流阀、减压阀等。
止回阀类——用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回阀。
分流阀类——用于分离、分配或混合介质。包括各种结构的分配阀和疏水阀等。
安全阀类——用于介质超压时的安全保护。包括各种类型的安全阀。
截断阀类——主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、截止阀、隔膜阀、球阀、旋塞阀、蝶阀、柱塞阀、球塞阀、针型仪表阀等。

按压力分类
真空阀——工作压力低于标准大气压的阀门。
低压阀——公称压力PN 小于1.6MPa的阀门。
中压阀——公称压力PN 2.5－6.4MPa的阀门。
高压阀——公称压力PN10.0－80.0MPa的阀门。
超高压阀——公称压力PN大于100MPa的阀门。

按介质温度分类
高温阀——t 大于450℃的阀门。。
中温阀—120℃小于 t 小于450℃的阀门。
常温阀——40℃小于 t 小于120℃的阀门。
低温阀——100℃小于 t 小于-40℃的阀门。
超低温阀——t 小于-100℃的阀门。

按阀体材料分类
金属阀体衬里阀门—：衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷阀门。
非金属材料阀门——如：陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门
金属材料阀门——如：铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、钛合金阀门、蒙乃尔合金阀门、铸铁阀门、碳钢阀门、铸钢阀门、低合金钢阀门、高合金钢阀门。

1.4 控制阀结构与设计标准

1.4.1 直行程控制阀
　　一种阀门，带线性运动的截流无件，有单座或多座阀，它的阀体因为阀座区域有一个球形的内腔而与众不同，也叫球形阀。直通阀可进一步分为：单座阀、双座阀、角形阀、三通阀、不平衡笼式阀、平衡笼式阀。
单座阀
　　单座阀阀体是最常见的阀体类型，而且结构简单。
　　单座阀阀门有各种各样的形式，如直通式、角形、棒形、铸造和分体式结构。
通常单座阀阀门被指定用于要求严密关闭的场合。它们使用金属对金属阀座表面、或者由PTFE或其它复合材料组成的密封的软阀座。单阀座阀门能够处理大部分的工况要求。
由于高压流体通常把负载加在阀座的整个区域，在为单座阀控制阀体选择执行机构时必须考虑产生的不平衡力。
　　尽管较小口径的单阀座最常用，但是它们也经常有4英寸至8英寸的口径，配备大推力的执行机构。
　　很多现代的单座阀体采用阀笼或保持架式的结构以固定阀座环，提供阀芯就可以改变流量特性的特点。
　　通过更换阀内件零部件，阀笼或保持架式的单座阀体也可以很容易地被修改，以实现减小流通能力、降低噪声、或减少或消除气蚀的目的。
平衡阀芯笼式阀
　　有两组阀芯密封面，芯上开有平衡孔，不平衡力小，但泄漏量大，可用于对泄漏量没有特殊要求的场合。
双座阀
●流体压力作用于两个阀芯上，不平衡力相互抵消许多，因此许用压差大，
●在关闭时，因存在着加工误差，阀芯和阀座的两个密封面不能同时密封，因此泄漏量比单座阀大很多，同时温度变化泄漏量也会增大，这是它的突出缺点，所以不能用在工艺要求泄漏小的场合。
●阀体流路较复杂，加之上下导向处易被固体颗粒卡住，不使用于高粘度、悬浮液，含固体颗粒等易沉淀、易堵塞的场合。
套筒阀
●阀的稳定性好，由于套筒阀的阀塞设有平衡孔，可以减少介质作用在阀塞上的不平衡力，加上足够的阀塞导向，因此不易引起阀芯的振荡。
●套筒提供的节流窗口可以改进为降低噪音的低噪音阀。
●阀的泄漏量大，许用压差大，因为是双密封结构。
●维修方便，套筒通过上阀盖压紧在阀体上，因此拆装简便。
●阀塞自身导向，加上流路复杂，更容易堵卡。
角型阀
一种阀门结构，它的一个口与阀杆或执行机构在同一直线上，另一个口则与阀杆成一垂直角度。
●流路简单，具有“自洁”性能，可使用于不干净介质场合；
●流阻小，流量系数大。
●需要角形连接的场合
●阀体利于锻造毛坯，所以高压阀通常采用角形阀。
三通阀
　　三个管道连接口具有通常的合流（流体混合）或分流（流体分散）作用。可用于混温调节，减温减压器减温水配比调节，换热器调节及两种介质的混合及切换等，利用一个三通阀可代替两个两通阀并是调节系统简化。
1.4.2旋转式控制阀
蝶阀
　　阀体需要最小的安装空间。
　　它们具有大的流通能力、小的经过阀门的压力损失。
蝶阀阀体具有每投资1美元流通能力的经济性，尤其是较大尺寸的蝶阀。
传统轮廓的阀板提供阀板旋转角最大至60度的调节式控制。拥有专利的动态流线型阀板适合用于需要90度阀板旋转角的应用场合。
　　阀体配合标准的凸面管道法兰。
　　如果阀门很大或压力降很高，蝶阀阀体可能需要高输出或大型的执行机构，因为操作力矩可能会很大。
　　有极其严格的泄漏要求的用于核电厂应用工况的阀体也可提供。
　　蝶阀展示出近似等百分比的流量特性。它们可以用调节或开关控制。在阀体或阀板表面上使用内衬或可调软阀座环可以获得软阀座结构。
球阀
　　球阀有“O”形球阀和“V”形球阀之分，它利用球芯转动与阀座相割打开的面积来调节流量，其使用特点如下：
　　最大的特点是流路简单，损失最小，“自洁”性能最好。
　　“O”形球阀无阻调节，流量系数最大，通常用于介质的两位切断。
　　这个结构类似于一个传统的球阀，但是在球上带有拥有专利轮廓设计的V形切口。V形切口球提供等百分比的流量特性。这种控制阀有良好的可调比、控制和关闭能力。“V”形球阀与阀座相对转动时产生剪切作用，尤其适用于高粘度、悬浮液、纸浆等不干净，含纤维介质的调节、切断。
偏心旋转阀
它有偏心的阀芯旋转来调节和切断介质，综合了球阀与蝶阀的优点。具有泄漏量小，可兼做切断阀、可调比大、体积小、重量轻、流量系数大、动态稳定性高，阀效应不明显（一般阀门在临界点流量特性曲线将发生畸变，这种现象称阀效应）；阀芯不平衡力较小，适用温度广，通用性好。该阀综合性能优越，可以代替普通调节阀，它特别适用于要求调节范围宽，泄漏量小，流通能力大，阻力小的场合。如火力发电厂中的除氧器加热蒸汽调节阀、主凝水调节阀等。另外，流路简单还适用于高粘度介质（重油），主要缺点是公称压力较小，不能在高压系统中使用。
1.4.3控制阀连接端
把控制阀安装在管道里的三种常用方法是旋入式管螺纹、螺栓紧固带垫片法兰和焊接连接端。
旋入式管螺纹
旋入式管螺纹,常用于小型控制阀，具有比法兰连接端更好的经济性。通常指的螺纹是阀体上的锥管阴螺纹NPT（美国国家管道螺纹）。
螺栓紧固带垫片法兰
法兰端阀门很容易从管道上拆下，适合用于大多数控制阀为之而制造的工作压力范围。法兰连接端可以用于从绝对0℃至约815℃的温度范围。它们可用于所有口径的控制阀。最常见的法兰连接端包括平面，　凸面和环型合面法兰连接端。
焊接连接端
控制阀的焊接连接端在所有压力和温度下都是严密防泄漏的，而且初始成本低廉。采用焊接端的阀门从管线上拆卸比较困难，并且明显地局限于可焊接的材质。焊接端有两种形式：套焊和对焊。

1.4.4 控制阀部件

阀体
　　 阀门的主要的压力承受腔，它也提供管道连接端和流体流通通道，并阀座表面和阀门截流元件。阀体通常用来指的是带有阀盖组件和包含阀内件零部件的阀体，也称为阀体组件。

上阀盖和填料：
　　 上阀盖位于执行机构与阀体之间，其作用为使填料函中填料在一定的温度范围内正常工作而保证密封性能，它有以下四种常见结构：
A）标准型：使用工作温度范围为：-20—250℃；
B）加长型阀盖：使用的工作温度范围：碳钢-30--427℃，不锈钢-100--650℃
C）伸冷加长型阀盖：使用的工作温度范围：不锈钢-196--100℃
D）金属波纹管密封阀盖：使用工作温度-60--150℃

填料装于上阀盖填料室内，起作用是防止介质因阀杆移动而向外泄漏。最常用的填料是聚四氟乙烯和石墨。聚四氟乙烯填料，具有摩擦系数小、密封性能好和耐腐蚀性能好等优点，但耐温差，寿命较短。柔性石墨具有密封性和自润滑性好，耐腐、耐高低温、温度变化影响小的特点。但石墨填料需要较大的压紧力，因此对阀杆的摩擦力较大。

阀芯
一个经常用来指的是截流元件的术语，阀门的可移动部件，它置于流体通道中用来调节通过阀门的流量。
阀杆
直行程阀门里，连接执行机构推杆和截流元件（阀芯）的零件。
阀座
截流元件与它的配合表面相接触的区域，它实现阀门的关闭。
阀笼
阀内件的一个零件，它包容截流元件并能规定流量特性或提供座合表面。它也提供了稳定性、导向、平衡和对中性，而且有助于其它阀内件零件的组装。阀笼壁包含通常决定控制阀流量特性的开孔。
1.4.5国内常用阀门标准

1.5 阀门材料

1.5.1阀体材料
　　阀体材质通常是以流动介质的压力、温度、腐蚀性和冲刷性为依据的。大多数的控制阀应用场合需要处理在合理的压力和温度下的相对而言腐蚀性不太强的流体。铸造碳钢是最常用的阀体材料，如WCB、WCC等
　　耐高温材料：金属在高温下长期承受载荷，会发生蠕变现象，同时氧化及晶间腐蚀作用都将加剧，所以选用高温材料时必须考虑材料的热强性及高温耐腐蚀性，适于高温条件下工作的材料有1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni12Mo2Ti.
耐低温材料：低温材料要考虑材料的低温冲击值，奥氏体不锈钢低温性能较好。常用材料有1Cr18Ni9及0Cr18Ni12Mo2Ti.
耐气蚀材料：当阀门的压差很大时，即缩流处压力降到介质入口温度下的饱和蒸汽压以下时，将产生汽蚀现象，汽蚀现象会对阀体及阀内组件产生破坏作用，用于耐汽蚀的材料主要是耐磨、耐冲刷的高硬度材料，如经过热处理的9Cr18及17-4PH和具有紧固氧化层、韧性和疲劳强度大的材料烙钼钢、不锈钢。
耐腐蚀材料：金属材料的耐腐蚀问题，不仅与材料本身有关，还与介质的种类、温度、浓度有关，应结合具体情况选择。主要耐腐蚀的材料有：1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni12Mo2Ti.20#合金、哈氏合金、钛材等（具体见附表）

1.5.2阀内组件材料
阀内组件、主要是阀芯、阀座。在一般情况下，选用1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni12Mo2Ti.在大压差及含颗粒状介质时，应进行硬化处理。处理方法有热处理和表面堆焊硬质合金。

1.6 阀门部件的设计与计算

1.6.1直通阀
操作直通阀所需的力包括：
●克服阀芯的静态不平衡需要的力
●提供阀座负载的力
●克服填料摩擦需要的力
●某些特定应用或结构所需的附加力
需要的全部力=A+B+C+D
A、不平衡力
　　不平衡力是阀门关闭是有流体压力引起的力，在大部通常情况下可表示为：
　　不平衡力=净压差*净态不平衡面积
　　通常的做法是把最大上游表压作为净压差，除非工艺流程设计永远确保在最大进口压力是有一个背压。净态不平衡面积是流向向上的单座阀的阀口面积。
B、提供阀座负载的力
　　阀座负载，通常表示为每线形英寸阀口周长的磅力，由关闭等级要求确定。
C、填料摩擦力
填料摩擦力的大小是由阀杆尺寸，填料形式及由介质或螺栓作用在填料上的压缩载荷决定的。较新的活动加载填料型式有很大的摩擦力，尤其是石墨填料。
D、附加力
在驱动阀门时也许需要附加的力，如波纹管刚度、密封导致的异常摩擦力、或软金属密封需要的特殊密封力。
1.6.2 旋转式执行机构尺寸计算
在为旋转阀选择一个最经济的执行机构时，起决定因素是打开和关闭阀门需要的力矩与执行机构的输出力矩。
　　开启力矩 T=A（△P关闭）+B
　　动态力矩 T=C（△P有效）
　　其中A，B，C与旋转阀的类型和转角有关的系数。

1.7 执行机构

提供动力或运动去打开或关闭阀门的气动、液动或电动装置。气动操作的控制阀执行机构是使用最普遍的一种执行机构，但是电动、液动和手动执行机构也被广泛应用。弹簧薄膜气动执行机构由于其结构的可靠性和简单性而被最普遍地指定使用。气动操作的活塞执行机构为要求的工况条件提供很高的阀杆输出力，它比弹簧薄膜气动执行机构具有更高的可靠性和方便性。电动和电液动执行机构比气动执行机构更加复杂、更加昂贵。

气动薄膜执行机构
A）老式气动薄膜执行机构
该执行机构是一种过去应用最广的执行机构。它通常接受20-100KPa的标信号压力，具有结构简单，动作可靠、维修方便、价格低廉等优点。
该执行机构分为正、反作用两种形式，当信号压力增加时，推杆向下动作的叫正作用式执行机构，反之，信号压力增加时，推杆向上动作的叫反作用式执行机构。在结构上，正反作用执行机构基本相同，均有膜盖，膜片，推杆部件，弹簧，支架等组成，
作用原理：当调节器或定位器的输出信号P输入薄膜气室后，信号压力在薄膜上产生推力，使推杆部件移动，并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡为止。这时推杆的移动，就是气动薄膜执行机构的位移，也称行程。
B）精小型气动薄膜执行机构
它主要是针对老式执行机构笨重和反作用可靠性差的问题而设计的，在减少重量和高度方面，它将老式结构的弹簧改为多弹簧，并将弹簧直接置于上下膜盖内内，使支架大大地减小减轻，在可靠性方面，将反作用的老式执行机构的深波纹滚动膜片改成“O”型圈密封，老式结构中的推杆没有导向，动作的平稳差，而精小型执行机构增加了导向。精小型执行机构具有可靠性高，外形小，重量轻的特点
C）薄膜执行机构的优缺点：
优点：结构简单、可靠
缺点：A）膜片承受的压力较低，最大膜室压力不超过300KPa，加上弹簧要抵消绝大部分的压力，余下的输出力就很小了B）为了提高输出力，通常作法是增大尺寸，使得执行机构的尺寸和重量变得很大，另一方面，工厂的气源通常是500-700KPa，气压没充分用足，这是不可取的，活塞执行机构就解决了此问题。
气缸活塞执行机构
　　活塞执行机构是气动操作的，使用高达10Kg的高压气源，通常不需要气源压力调节器。
　　活塞执行机构提供最大的输出力和很快的驱动速度。
　　活塞执行机构可以是双作用的，以在2个方向上提供最大的力；或者是弹簧复位的，以提供失气－打开或失气－关闭的工作方式。
　　可以安装各种各样的附件以便在供气压力切断时定位双作用的活塞。这些附件包括气动保位阀和锁定系统。
电动执行机构
　　传统的电动执行机构的设计使用了一个电动马达和某些形式的准确减速齿轮以移动阀门。这些机构经过改进被用于连续控制，并取得了不同程度的成功。到目前为止，电动执行机构对相同的性能水平仍然比气动执行机构要昂贵得多。这是一个技术快速发展的领域，将来的设计可能会引起一个向更多地使用电动执行机构的转变。
电液执行机构
　　电液执行机构对于无法提供气源压力但又需要精确地控制阀芯位置的偏远地区是非常理想的。
手动执行机构
　　手动执行机构在不需要自动控制的场合是有用的，然而，简便的操作和良好的控制仍然是必需的。在自动控制系统的维护或停车期间，它们常常用来驱动控制阀周围的三通阀旁路回路的旁路阀以进行手动过程控制。
　　手动执行机构有各种各样的尺寸、既可用于直通式阀，也可用于旋转阀。
齿轮齿条执行机构
　　齿轮齿条型执行机构为旋转阀提供了一种小型且经济的解决方案。由于空程，它们典型地用在开关场合或过程偏差度不是一个考虑因素的地方。

1.8 控制阀的检测与测试

1.8.1气动调节阀的主要性能及测试
　　气动调节阀的性能指标有：基本误差、回差、死区、始终点偏差、额定行程偏差、泄漏量、密封性、耐压强度、外观、额定流量系数、固有流量特性、耐振动性能、寿命。由于调节阀的运输、工作弹簧范围的调整因素，安装前通常需要对如下性能进行调整、检验：
1）基本误差
将规定的输入信号平稳地按增大和减小方向输入执行机构气室（或定位器），测量各点所对应的行程值，计算出“信号—行程”关系与理论关系之间的各点误差，其最大值即为基本误差。
2）回差
在同一输入信号上所测得正反行程的最大差值即为回差。
3）始终点偏差
信号的上限（始点）处的基本误差即为始点偏差，信号的下限（终点）处的基本误差即为终点偏差。
4）泄漏量
5）额定行程偏差

1.9 国内外控制阀相关标准

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