活塞閥在城市供水工程中的應用研究

李佳林，吳順勇，馬天添，張光輝

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著國家經濟和人口快速的增長，人們對供水提出了更大的需求，這種需求在大城市顯得尤為突出。一方面，這種需求無疑推進了科技與工程技術的進程；另一方面，對供水的數量、質量、生態和環保提出了更高的要求。水從原水經凈化后需要通過長距離的傳送，最終到達千家萬戶，用來滿足人們的需要。在水的傳輸過程中，可能需要經過分配、調流、調壓、控制等等幾個環節。人們通過管網來管理供水系統。閥門在管線和水廠的生產、儲存、處理、運輸、分配的系統中起到了開關的作用，用來進行開關控制和調節。

近年來，活塞閥因為其出眾的調節和控制能力，在供水的水廠和管線中扮演著重要的角色。

以VAG 活塞閥為例，它不同于一般管線的關斷閥（如蝶閥、閘閥）。它能通過活塞狀的出口部件做軸向運動調節水的流量，能夠滿足管線和水廠的特殊調節需求。水流以環形弧狀進入閥體。無論活塞在任何位置，閥腔內水流的斷面均為環形，并在出口處向軸心收縮，從而避免因節流而可能產生的氣蝕對閥體和管道造成的破壞。

1 活塞閥的發展

活塞閥的發展分為三個階段，還是以VAG 為例。第一階段是在1930 年，活塞閥還是以針閥的形態的存在（如圖1）。

第二階段從20 世紀末到2005 年，活塞閥才真正以活塞閥的形態存在，但保留了針閥的兩段式的結構（如圖2）。

圖1 針閥

圖2 兩段式活塞閥

第三階段從2005 年不斷地到現在的活塞閥已經不再是兩段式閥體了，完全可以做到一體式整體結構（如圖3）。

2 活塞閥的結構形式

活塞式控制閥調節機構為曲柄滑塊機構,關閉件滑塊為圓筒或錐形的活塞。可在閥體內圓筒里由導軌引導沿管路中心作軸向運動，因而改變流道面積，以實現調節流量及減壓功能。與管道的連接形式為法蘭聯接，法蘭連接尺寸、結構長度符合相應DIN 的要求。

圖3

活塞式控制閥由閥體、活塞、曲柄、連桿、消能裝置、閥桿、軸套、閥座、密封圈等主要部件組成。活塞式控制閥閥體為流線形軸對稱流道，流體在閥體內能被很好地無紊流引導，能顯著降低閥門的噪聲和振動。保證閥門在高壓差下也具有良好的抗氣蝕特性，其允許氣蝕系數應不大于0.4。活塞式控制閥具有優良的線性調節性能，以便控制系統通過出口壓力變送器的反饋信號調控閥門，保持出水壓力的恒定。活塞式控制閥具有可靠的密封性能，在調節閥處于全關狀態下，保證無任何滲漏。活塞式控制閥在正常運行工況下，無卡阻和有害振動現象，確保設備安全可靠運行。活塞式控制閥具有良好的抗阻塞能力。可適用于有泥沙及小顆粒雜質的流體。活塞式控制閥在最大工作壓差和動水啟閉運行工況下，保證整體抗推力安全可靠，不發生有害的振動。活塞式控制閥驅動方式為電機驅動或氣動驅動。

3 活塞閥的控制特性

流量系數比kv/kvs 取決于S/Smax 的比率，被用來評估其控制特性。調節行為受整個管道系統的總流阻系數的影響，簡單來說，管道系統的流阻系數越大，閥門的節流效果越不明顯。閥門特性曲線受整個管道系統流阻系數的影響，會對操作性能曲線起重要的作用。

式中，εα為活塞閥的流阻系數；εγ為整個管道系統的流阻系數。

活塞閥的操作性能在管道系統的不同流阻系數下，活塞閥的操作特性近似于線性。隨著管道流阻系數的增加，活塞閥的控制性能也受到了極大的影響。

4 氣蝕

閥門的性能或者說操作特性表明當工況達到了氣蝕工區，就會開始產生氣蝕。氣蝕和衡量氣蝕的氣蝕系數是可以計算出來的。通過噪音釋放量和空化程度測量可以得到不同出口部件的活塞閥在不同開度下的臨界氣蝕系數值。我們在設計工作中，所有工作條件下，也就是任何情況下都不允許產生氣蝕。普通用戶往往會忽略氣蝕帶來的風險，嚴重時會造成爆管等事故。幸運的是，現在有足夠的手段來防止氣蝕的發生，活塞閥就是一種。以VAG 活塞閥為例，在閥門選型時，VAG 的工程師會向用戶索要工況的參數，這包括最大和最小的壓差、流速和流量等。有了這些，VAG 的工程師能通過一種名為USECAD 的軟件進行選型，通過軟件計算使閥門運行時遠離氣蝕工區。這無疑是一種簡便高效的方法。

5 活塞閥的優勢特點

（1）線性度好。由于閥體內部采用特殊結構設計，對于流體的流量控制特性具有良好的線性度，即使在第—個10%行程中仍具有良好的流量控制效果。

（2）抗氣蝕、抗震動。充分利用流體動力學原理進行流道設計，消除汽蝕和震動現象對管網的損傷，大大提高閥門和管道的使用壽命。

（3）工作可靠。合理設計的流道和密封型式，使該閥可以適用于含有泥沙等小顆粒雜質的流體，不會因雜物造成關閉不嚴而導致泄漏或控制失效。

（4）高壓消能。即使在高壓差的情況下，該閥也能有效消除高壓能，將高壓減為低壓，而且不會產生震動和氣蝕現象，有效保證閥門的使用壽命。

（5）選材精良。閥門的關鍵部位如閥座、擋塊、導軌等部件均采用特殊的不鋼筋材料制作，此材料耐磨、耐氣蝕，硬度為普通不鋼筋的三倍。

（6）浮動閥座。閥座與錐體的連接采用特殊的硅膠黏合，黏性高，耐剪切。浮動閥座在密封時閥座產生自定心效果，使密封更可靠。

（7）流體阻力小。該閥先進的結構設計，合理的流道分布，使整個閥門的壓力損失降至影氐有利于節約整個管網的動力消耗。

（8）操作扭矩小。閥門中的啟閉件為套閘，其運動方向與主管流體流動方向一致，而且有效受力面積小，因此啟閉閥門所需的操力矩也很小，驅動裝置成本可大幅降低。

（9）使用壽命長。閥門中主要密封為金屬對屬，密封可靠，抗流體沖蝕力強，不易被夾雜的垃圾損壞，加之大部分部件采用不銹鋼制造，閥門的使用壽命大大提高。

6 活塞閥在供水工程中的廣泛應用

根據活塞閥以上特性，具有較佳的調流特性。在供水工程中的以下工況中具有優勢：（1）引水工程中重力流管道中的調壓；（2）水廠進口流量調節；（3）水廠濾池恒水位過濾的出水調節；（4）供水管網中各區域的壓力平衡；（5）供水管網減少漏損；（6）泵房水泵運行時流量壓力調節。

活塞閥作為一種多功能閥門，近年來在供水工程中的使用越來越多地得到了用戶的關注。在大多數需要調節的場合，使用效果較蝶閥閘閥有著明顯的優勢，其高效、穩定、節能的特點也越能突出體現。但因其造價高，曾令不少用戶望而卻步。隨著社會經濟整體水平的不斷提升，各地供水企業對運行管理的要求不斷地提高，相信活塞閥必將迎來更大的市場機遇，有著美好的市場前景，活塞閥的優勢功能將不斷被發掘，活塞閥的應用將越來越廣泛。