Fisher 控制阀手册 (Control Valve Handbook - September 2019) Manuals & Guides [zh]

控制阀手册

第五版

艾默生自动化解决方案

流量控制

美国爱荷华州马歇尔敦 50158
巴西索罗卡巴 18087
法国塞尔奈 68700
阿联酋迪拜
新加坡 128461

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前言

控制阀是世界上现代制造业里越来越重要的组件。选型正确且维护良好的控制阀有
助于提高效率、安全性、赢利能力和生态保护能力。

这本《控制阀手册》自从 1965 年首次出版以来就作为行业的主要参考书。第五版
包括有关控制阀性能和最新技术的重要信息。

第一章提供关于控制阀的介绍，包括控制阀和仪表的通用术语的定义。

第二章提出有关控制阀性能的重要主题。

第三章讨论阀门和执行机构的类型。

第四章介绍数字式阀门控制器、模拟式定位器、流量放大器和其他控制阀附件。

第五章是为某一应用场合而选择一个最佳控制阀的完整指南。

第六章讨论特殊控制阀的选型和应用。

第七章讨论减温器、蒸汽调节阀和透平旁路系统。

第八章说明典型的控制阀的安装和维护过程。

第九章包含世界上有关控制阀标准和认证机构的信息。

第十章介绍隔离阀和执行机构。

第十一章介绍离散自动化。

第十二章讨论各种过程安全仪表系统。

第十三章提供有用的工程参考数据表。

第十四章包括管道连接参考数据。

第十五章是有关常用单位转换的参考依据。

其他资源是最新的费希尔产品或过程控制行业信息。每一章底部都有一个可跳转到

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这本《控制阀手册》是关于控制回路里的最重要的环节－控制阀及其附件的一本教
材和参考书。这本书包含过程控制领域里一些著名专家的广泛且经过时间考验的知
识，包括来自 ISA 的专家们的贡献。

目录

控制阀手册 | 目录

控制阀介绍 ........................................................................................... 14

什么是控制阀？................................................................................................15

1.2 直行程控制阀术语 ...................................................................................... 15

1.3 旋转式控制阀术语 ...................................................................................... 20

1.4 控制阀的功能和特性术语 ........................................................................... 22

1.5 过程控制术语 .............................................................................................24

控制阀的性能 ....................................................................................... 30

2.1 过程偏差度 ................................................................................................. 31

2.1.1 死区 .................................................................................................................. 32

2.1.1.1 死区的成因 .............................................................................................................. 33

2.1.1.2 死区造成的影响 ....................................................................................................... 33

2.1.1.3 性能测试 .................................................................................................................. 33

2.1.1.4 摩擦力 ..................................................................................................................... 34

2.1.2 执行机构和定位器的设计 ................................................................................. 34

2.1.3 阀门响应时间 ................................................................................................... 35

2.1.3.1 时滞时间 .................................................................................................................. 35

2.1.3.2 动态时间 .................................................................................................................. 35

2.1.3.3 解决方案 .................................................................................................................. 35

2.1.3.4 供气压力 .................................................................................................................. 36

2.1.3.5 最小化时滞时间 ....................................................................................................... 36

2.1.3.6 阀门响应时间 .......................................................................................................... 36

2.1.4 阀门类型与特性化 ............................................................................................ 38

2.1.4.1 安装增益 .................................................................................................................. 38

2.1.4.2 回路增益 .................................................................................................................. 39

2.1.4.3 过程优化 .................................................................................................................. 40

2.1.5 阀门选型 ........................................................................................................... 41

2.2 经济效果 ..................................................................................................... 42

2.3 概括 ............................................................................................................ 43

阀门和执行机构类型 ............................................................................. 44

3.1 控制阀类型 ................................................................................................. 45

3.1.1 直通式阀 ........................................................................................................... 45

3.1.1.1 单阀座阀体 .............................................................................................................. 45

3.1.1.2 后导向和阀口导向阀体 ............................................................................................ 46

3.1.1.3 阀笼式阀体 .............................................................................................................. 46

3.1.1.4 双阀座阀体 .............................................................................................................. 47

3.1.1.5 三通阀体 .................................................................................................................. 47

3.1.2 卫生级阀门 ....................................................................................................... 48

3.1.3 旋转阀 .............................................................................................................. 48

3.1.3.1 蝶阀阀体 .................................................................................................................. 48

3.1.3.2 截球体球阀 .............................................................................................................. 48

5

控制阀手册 | 目录

3.1.3.3 高性能蝶阀体 .......................................................................................................... 49

3.1.3.4 偏心旋塞阀体 .......................................................................................................... 49

3.1.3.5全通径球阀体 ........................................................................................................... 50

3.1.3.6 多口流量选择阀 ....................................................................................................... 50

3.2 控制阀连接端 .............................................................................................51

3.2.1 旋入式管螺纹 ................................................................................................... 51

3.2.2 螺栓紧固带垫片法兰......................................................................................... 51

3.2.3 焊接连接端 ....................................................................................................... 52

3.2.4 其他阀门连接端 ................................................................................................ 52

3.3 阀体阀盖 ..................................................................................................... 52

3.3.1 伸长型阀盖 ....................................................................................................... 53

3.3.2 波纹管密封型阀盖 ............................................................................................ 53

3.4 控制阀填料 ................................................................................................. 54

3.4.1 PTFE V 形环 ....................................................................................................... 54

3.4.2 石墨片和丝 ....................................................................................................... 54

3.4.3 美国关于泄漏排放的法规要求 .......................................................................... 55

3.4.4 国际关于泄漏排放的标准 ................................................................................. 56

3.4.5 单层 PTFE V 形环填料 ........................................................................................ 57

3.4.6 ENVIRO-SEAL PTFE 填料 .................................................................................... 57

3.4.7 ENVIRO-SEAL 双层填料 ..................................................................................... 59

3.4.8 ISO-Seal PTFE 填料 ............................................................................................ 59

3.4.9 ENVIRO-SEAL 石墨 ULF ...................................................................................... 59

3.4.10 HIGH-SEAL 石墨 ULF........................................................................................ 59

3.4.11 ISO-Seal 石墨填料 ........................................................................................... 59

3.4.12 适用于旋转阀的 ENVIRO-SEAL 石墨填料 ......................................................... 59

3.4.13 适用于旋转阀的石墨带填料 ............................................................................ 59

3.4.14 直行程阀门的环保填料的选择 ........................................................................ 59

3.4.15 旋转式阀门的环保填料的选择 ........................................................................ 59

3.5 阀笼导向阀体的特性化 ............................................................................... 61

3.5.1 特性化的阀芯 ............................................................................................................. 61

3.6 阀芯导向 ..................................................................................................... 61

3.7 限制流通能力的控制阀阀内件 .................................................................... 62

3.8 执行机构 ..................................................................................................... 62

3.8.1 膜片式执行机构 ................................................................................................ 62

3.8.2 活塞式执行机构 ................................................................................................ 63

3.8.3 手动执行机构 ................................................................................................... 64

3.8.4 齿条和齿轮执行机构......................................................................................... 64

3.8.5 电动执行机构 ................................................................................................... 65

控制阀附件 ........................................................................................... 66

4.1 环境和应用因素 .......................................................................................... 67

6

控制阀手册 | 目录

4.2 定位器 ........................................................................................................67

4.2.1 气动式定位器 ................................................................................................... 67

4.2.2 模拟 I/P 定位器.................................................................................................. 67

4.2.3 数字式阀门控制器 ............................................................................................ 68

4.2.3.1 诊断 ......................................................................................................................... 69

4.2.3.2 双向数字通信 .......................................................................................................... 69

4.3 I/P 转换器 ...................................................................................................69

4.4 流量放大器 ................................................................................................. 70

4.5 安全仪表系统 (SIS) ......................................................................................70

4.5.1 部分行程动作测试 ............................................................................................ 71

4.5.2 安全功能和产品认证......................................................................................... 71

4.6 控制器 ........................................................................................................71

4.7 阀位变送器 ................................................................................................. 74

4.8 限位开关 ..................................................................................................... 74

4.9 电磁阀 ........................................................................................................74

4.10 保位系统 ................................................................................................... 74

4.11 手轮 .......................................................................................................... 74

控制阀选型 ........................................................................................... 76

5.1 控制阀尺寸 ................................................................................................78

5.1.1 法兰连接直通式控制阀的端面至端面尺寸 ........................................................ 78

5.1.2 对焊连接直通式控制阀的端面至端面尺寸 ........................................................ 80

5.1.3 插焊连接直通式控制阀的端面至端面尺寸 ....................................................... 81

5.1.4 螺纹连接直通式控制阀的端面至端面尺寸 ........................................................ 82

5.1.5 凸面法兰连接直通式角形阀的端面至中心线尺寸 ............................................ 82

5.1.6 可拆卸法兰直通阀的端面至端面尺寸 ............................................................... 83

5.1.7 法兰连接和无法兰旋转阀（不含蝶阀）的端面至端面尺寸 .............................. 83

5.1.8 单法兰（凸缘）和无法兰（对夹式）蝶阀的端面至端面尺寸 .......................... 84

5.1.9 偏心高压蝶阀的端面至端面尺寸 ...................................................................... 84

5.2 控制阀阀座泄漏等级 ..................................................................................85

5.3 VI 级最大允许阀座泄漏量 ........................................................................... 86

5.4 控制阀的流量特性 ...................................................................................... 86

5.4.1 流量特性 ........................................................................................................... 86

5.4.2 流量特性的选择 ................................................................................................ 87

5.5 阀门选型计算 .............................................................................................87

5.7 公式常数 .................................................................................................... 89

5.8 液体控制阀选型 .......................................................................................... 90

5.8.1 确定为管件调整的管道几何形状系数 (FP) 和液体压力恢复系数 (F

5.8.2 确定用于选型计算的压降 (∆P

5.8.3 计算所需的流量系数 (Cv) .................................................................................. 91

) ..................................................................... 91

sizing

) 90

LP

7

控制阀手册 | 目录

5.8.4 液体工况选型计算例题 ..................................................................................... 91

5.9 可压缩流体阀门选型计算 ........................................................................... 93

5.9.1 确定带有连接管件的阻塞流时的管道几何形状系数 (FP ) 和压降比系数 (x

5.9.2 确定用于选型计算的压降比 (x

) 和膨胀系数 (Y) ........................................... 94

sizing

5.9.3 计算流量系数 (Cv) ............................................................................................. 94

5.9.4 可压缩流体选型计算例题 1 .............................................................................. 95

5.9.5 可压缩流体选型计算例题 2 .............................................................................. 96

5.10 选型计算系数示例 .................................................................................... 98

5.10.1 单阀座直通阀阀体的选型计算系数示例 ......................................................... 98

5.10.2 旋转式阀门的选型计算系数示例 .................................................................... 99

5.11 执行机构选型计算 .................................................................................. 100

5.11.1 直通阀 .......................................................................................................... 100

5.11.1.1 A．不平衡力 ........................................................................................................ 100

5.11.1.2 B．提供阀座关闭需要的力 .................................................................................. 101

5.11.1.3 C．填料摩擦力 .................................................................................................... 101

5.11.1.4 D．附加力 ........................................................................................................... 101

5.11.2 执行机构出力计算 ........................................................................................ 103

5.12 旋转式执行机构选型 ..............................................................................103

5.12.1 力矩公式 ....................................................................................................... 103

5.12.2 开启力矩： ................................................................................................... 103

5.12.3 动态力矩 ....................................................................................................... 103

5.13 典型的旋转阀的力矩系数 ....................................................................... 104

5.13.1 带复合密封的 V 形切口球阀的力矩系数 ....................................................... 104

5.13.2 带复合密封的高性能蝶阀的力矩系数 ........................................................... 104

5.13.2.1 最大转角 .............................................................................................................. 104

5.14 气蚀和闪蒸 ............................................................................................. 104

5.14.1 阻塞流引起闪蒸和气蚀 ................................................................................. 104

5.14.2 闪蒸工况阀门选型 ........................................................................................ 106

5.14.3 气蚀工况阀门选型 ........................................................................................ 106

5.15 噪声预测 ................................................................................................. 107

5.15.1 空气动力学噪声 ............................................................................................ 107

5.15.2 液体动力学噪声 ............................................................................................ 108

5.16 噪声控制 ................................................................................................. 108

5.17 噪声概述 ................................................................................................. 110

5.18 填料的选择 ............................................................................................. 111

5.18.1 直行程阀门的填料选择指南 .......................................................................... 113

5.18.2 旋转式阀门的填料选择指南 .......................................................................... 114

5.19 阀体材质 ................................................................................................. 115

5.19.1 常用阀体材料代号 ........................................................................................ 117

5.20 压力－温度额定值 .................................................................................. 118

)

TP

94

8

控制阀手册 | 目录

5.20.1 标准等级的 ASTM A216 WCC 铸造阀门的压力－温度额定值 ....................... 118

5.20.2 标准等级的 ASTM A217 WC9 铸造阀门的压力－温度额定值 ........................ 119

5.20.3 标准等级的 ASTM A351 CF3 铸造阀门的压力－温度额定值 ......................... 120

5.20.4 标准等级的 ASTM A351 CF8M 和 CG8M

(1)

阀门的压力－温度额定值 121

5.21 非金属材料的缩写 .................................................................................. 123

5.22 无损检测步骤 .........................................................................................123

5.22.1 磁粉（表面）检验 ........................................................................................ 123

5.22.2 液体渗透（表面）检验 ................................................................................. 123

5.22.3 射线照相（立体）检验 ................................................................................. 124

5.22.4 超声（立体）检验 ........................................................................................ 124

特殊控制阀 ......................................................................................... 126

6.1 大流通能力控制阀 .................................................................................... 127

6.2 小流量控制阀 ...........................................................................................128

6.3 高温控制阀 ............................................................................................... 128

6.4 低温工况用阀门 ........................................................................................ 128

6.5 受气蚀和夹带颗粒流体影响的阀门...........................................................129

6.6 特征化流量特性的降噪和防气蚀内件 ....................................................... 129

6.7 在美国用于核工况的控制阀 .....................................................................129

6.8 受硫化应力裂纹影响的阀门 .....................................................................130

6.8.1 MR0175 2003 年前的修正本 ........................................................................... 130

6.8.2 NACE MR0175/ISO 15156 ............................................................................... 131

6.8.3 NACE MR0103 ................................................................................................. 131

蒸汽调节阀 ......................................................................................... 134

7.1 理解过热减温 ...........................................................................................135

7.1.1 过热减温的技术特点....................................................................................... 135

7.2 典型的减温器型式 .................................................................................... 138

7.2.1 固定几何形状喷嘴型....................................................................................... 138

7.2.2 可变几何形状喷嘴型....................................................................................... 138

7.2.3 自包含型 ......................................................................................................... 138

7.2.4 蒸汽辅助雾化型 .............................................................................................. 139

7.2.5 几何形状辅助对夹型....................................................................................... 139

7.3 理解蒸汽调节阀门 .................................................................................... 140

7.4 蒸汽调节阀 ............................................................................................... 140

7.4.1 蒸汽减温器 ..................................................................................................... 141

7.4.2 蒸汽喷洒器 ..................................................................................................... 141

7.6 汽轮机旁路系统的部件 ............................................................................. 142

7.6.1 汽轮机旁路阀 ................................................................................................. 142

7.6.2 汽轮机旁路水控制阀....................................................................................... 143

9

控制阀手册 | 目录

7.6.3 驱动系统 ......................................................................................................... 143

安装和维护 ......................................................................................... 144

8.1 正确的存储和保护 .................................................................................... 145

8.2 正确的安装技术 ........................................................................................ 145

8.2.1 阅读指导手册 ................................................................................................. 145

8.2.2 确认管道清洁 ................................................................................................. 145

8.2.3 检查控制阀 ..................................................................................................... 145

8.2.4 采用良好的管接实践....................................................................................... 146

8.2.5 冲洗/水压试验/启动阀内件 ............................................................................. 146

8.3 控制阀维护 ............................................................................................... 147

8.3.1 被动性维护 ..................................................................................................... 147

8.3.2 预防性维护 ..................................................................................................... 147

8.3.3 预测性维护 ..................................................................................................... 147

8.3.4 使用控制阀诊断 .............................................................................................. 147

8.3.4.1 仪表空气泄漏 ........................................................................................................ 148

8.3.4.2 供气压力 ................................................................................................................ 148

8.3.4.3 行程编差和放大器调整 .......................................................................................... 148

8.3.4.4 仪表空气质量 ........................................................................................................ 148

8.3.4.5 服务中的摩擦力和摩擦力趋势 ............................................................................... 149

8.3.4.6 其它示例 ................................................................................................................ 149

8.3.5 诊断技术的持续发展....................................................................................... 149

8.4 维修零件 ................................................................................................... 149

8.4.1 建议备件 ......................................................................................................... 149

8.4.2 使用原始设备制造商 (OEM) 零件 .................................................................... 150

8.4.3 考虑升级阀内件 .............................................................................................. 150

8.5 执行机构维护 ...........................................................................................150

8.5.1 执行机构膜片 ................................................................................................. 150

8.5.2 活塞执行机构 ................................................................................................. 150

8.5.3 阀杆填料 ......................................................................................................... 150

8.5.4 阀座 ................................................................................................................ 151

8.5.4.1 更换阀座 ................................................................................................................ 151

8.5.4.2 连接：阀芯到阀杆、球到阀轴和蝶板到阀轴 ......................................................... 151

8.5.5 弹簧设定范围 ................................................................................................. 151

8.5.6 阀门行程 ......................................................................................................... 151

标准和认证 ......................................................................................... 152

9.1 控制阀标准 ............................................................................................... 153

9.1.1 美国石油组织 (API) ......................................................................................... 153

9.1.2 美国机械工程师学会 (ASME) .......................................................................... 153

9.1.3 欧洲标准化委员会 (CEN) ................................................................................ 153

9.1.3.1 欧洲工业阀门标准 ................................................................................................. 153

10

控制阀手册 | 目录

9.1.3.2 欧洲材料标准 ........................................................................................................ 153

9.1.3.3 欧洲法兰标准 ........................................................................................................ 154

9.1.4 流体控制组织 (FCI) ......................................................................................... 154

9.1.5 美国仪表学会 (ISA) ......................................................................................... 154

9.1.6 国际电工委员会 (IEC) ...................................................................................... 154

9.1.7 制造商标准化学会 (MSS) ................................................................................ 155

9.1.8 国际腐蚀工程师协会 NACE ............................................................................. 155

9.2 危险（分类）场所产品认证 .....................................................................155

9.2.1 危险场所认证和定义....................................................................................... 155

9.3 分类系统 ................................................................................................... 156

9.3.1 级别/分区系统 ................................................................................................ 156

9.3.2 区域系统 ......................................................................................................... 157

9.3.3 设备组 ............................................................................................................ 157

9.3.4 设备子组 ......................................................................................................... 157

9.3.4.1 组 II（通常称为“气体组”） ................................................................................ 157

9.3.4.2 组 III（通常称为“粉尘组”） ............................................................................... 157

9.3.5 保护类型 ......................................................................................................... 158

9.3.5.1 电气设备 ................................................................................................................ 158

9.3.5.2 非电气设备 ............................................................................................................ 158

9.3.6 保护级别 ......................................................................................................... 159

9.3.7 设备保护级别 (EPL) ......................................................................................... 159

9.4 温度代号 ................................................................................................... 160

9.5 命名方法 ................................................................................................... 161

9.5.1 级别/分区系统 ................................................................................................ 161

9.5.2 区域系统 ......................................................................................................... 161

9.5.3 布线方法 ......................................................................................................... 161

9.5.4 欧盟 (EU) – ATEX 指令 2014/34/EU ................................................................. 161

9.6 保护技术和方法 ........................................................................................ 162

9.6.1 防爆或防火技术 .............................................................................................. 162

9.6.2 本质安全技术 ................................................................................................. 163

9.6.3 非易燃或 n 型技术 .......................................................................................... 163

9.6.4 增安 ................................................................................................................ 164

9.6.5 防止粉尘点燃或外壳防尘 ............................................................................... 164

9.7 外壳等级 ................................................................................................... 164

隔离阀 ............................................................................................... 168

10.1 基本阀门类型 .........................................................................................169

10.1.1 闸阀 .............................................................................................................. 169

10.1.2 直通阀 .......................................................................................................... 170

10.1.3 止回阀 .......................................................................................................... 173

10.1.4 旁路阀 .......................................................................................................... 174

11

控制阀手册 | 目录

10.1.5 隔膜阀 .......................................................................................................... 174

10.1.6 夹管阀 .......................................................................................................... 175

10.1.7 球阀 .............................................................................................................. 175

10.1.8 蝶阀 .............................................................................................................. 176

10.1.9 旋塞阀 .......................................................................................................... 176

电磁阀 ................................................................................................ 192

11.1 电磁阀 ....................................................................................................193

安全仪表系统 ..................................................................................... 196

12.1 安全和多层保护 ...................................................................................... 197

12.2 安全仪表系统 (SIS) ..................................................................................197

12.3 安全标准 ................................................................................................. 198

12.4 安全完整性等级 (SIL) ..............................................................................198

12.5 需求时失效的概率 .................................................................................. 199

12.6 终端元件、证明试验和部分行程动作测试技巧 ......................................200

12.7 部分行程动作测试 .................................................................................. 200

12.8 终端元件的在线测试方法 ....................................................................... 201

12.9 用于部分行程动作测试的数字式阀门控制器 .......................................... 201

12.10 高完整性压力保护系统

12.11 HIPPS 的功能 ........................................................................................ 202

12.12 测试要求 ............................................................................................... 202

(HIPPS) ............................................................202

工程数据............................................................................................. 204

13.1 保压阀门材料的标准规格 ....................................................................... 205

13.2 阀门受压部件的材料性能 ......................................................................212

13.3 碳氢化合物的物理常数 ........................................................................... 214

13.4 比热比 (k) ...............................................................................................217

13.5 各种流体的物理常数 ..............................................................................218

13.6 致冷剂 717（氨）液体和饱和蒸汽的特性 .............................................. 220

13.7 水的特性 ................................................................................................. 227

13.8 饱和蒸汽的特性 ...................................................................................... 228

13.9 过热蒸汽的特性 ...................................................................................... 237

管道数据............................................................................................. 246

14.1 管道螺纹接合 .........................................................................................247

14.2 碳钢和合金钢－不锈钢 ........................................................................... 247

14.3 美制管道法兰尺寸 .................................................................................. 255

14.3.1 螺孔中心圆直径 ........................................................................................... 255

12

控制阀手册 | 目录

14.3.2 双头螺栓数量和直径..................................................................................... 256

14.3.3 法兰直径 ....................................................................................................... 257

14.3.4 带法兰管件的法兰厚度 ................................................................................. 258

14.4 铸钢法兰标准 .........................................................................................260

14.4.1 PN 10 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................... 260

14.4.2 PN 16 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................... 261

14.4.3 PN 25 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................... 262

14.4.4 PN 40 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................... 263

14.4.5 PN 63 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................... 264

14.4.6 PN 100 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................. 264

14.4.7 PN 160 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................. 265

14.4.8 PN 250 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................. 265

14.4.9 PN 320 公称压力的铸钢法兰标准 ................................................................. 266

14.4.10 PN 400 公称压力的铸钢法兰标准 ............................................................... 266

单位转换与换算 .................................................................................. 268

15.1 长度换算 ................................................................................................. 269

15.2 整数英寸－毫米换算 ..............................................................................269

15.3 分数英寸－毫米换算 ..............................................................................270

15.4 其它分数/小数英寸－毫米换算 ..............................................................271

15.5 面积换算 ................................................................................................. 273

15.6 体积换算 ................................................................................................. 273

15.7 体积流量换算 .........................................................................................273

15.8 质量转换－磅至公斤 ..............................................................................274

15.9 压力换算 ................................................................................................. 274

15.10 压力换算－磅

15.11 温度换算公式 .......................................................................................276

15.12 温度换算 ............................................................................................... 276

15.13 A.P.I.和 Baumé 比重表和重量因子 ........................................................ 279

15.14 其它有用的换算 .................................................................................... 281

15.15 公制前缀与后缀 .................................................................................... 282

/平方英寸至巴 ................................................................ 275

标题索引............................................................................................. 284

其他资源............................................................................................. 296

13

第一章

控制阀介绍

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

什么是控制阀？

现代工厂由成百上千个控制回路组成，
所以这些控制回路被连接成网络以生产
可供销售的产品。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、液位、温度等不超出要求的工作
范围，这样可以确保最终产品的质量。
每一个回路都会接受扰动，而且会在内
部产生扰动。这些扰动对过程变量产生
决定性的影响。网络里其它回路之间的
相互作用也会产生影响过程变量的扰
动。见图 1.1。

Manipulated

操纵变量

Variable

控制阀

图 1.1 反馈控制回路

过程

控制器 变送器

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。所有的测量、比较和
计算工作完成后，某种类型的终端控制
元件必须执行由控制器选择的控制策
略。

过程控制工业里最常用的终端控制元件
就是控制阀。控制阀调节流动的流体，
如气体、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
可能地接近需要的设定点。

控制阀是控制回路的核心元件。许多人
讨论控制阀或阀门，其实他们指的是控
制阀组件。控制阀组件通常由阀体、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

Controlled

受控变量

Variable

传感器

限位开关。

目前有两种主流的控制阀类型，其主要
区别在于截流元件的操作方式，即直行
程控制阀或旋转式控制阀。如图 1.2 和

1.3 所示，直行程控制阀通过线性运动
将截流元件移入或移出座合表面。如图

1.13 和 1.17

所示，旋转式控制阀通过

旋转运动将截流元件移入或移出座合表



面。

1.2 直行程控制阀术语

以下术语适用于配备薄膜或活塞执行机
构的标准直行程控制阀的物理和工作特
性。有些术语，尤其是那些与执行机构
有关的术语，也适用于旋转式控制阀。
尽管也包括其它通用术语，但是本手册
提出的许多定义符合 ANSI/ISA-75.05.01，
控制阀术语。对于一些较复杂的术语，
本手册也提供附加的解释。本章的其余
部分定义旋转式控制阀的术语、一般过
程控制、控制阀的功能和特性术语。

图 1.2 直行程控制阀

15

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

1

2

3

6

1. 阀盖

2. 填料函

3. 阀笼或阀座

压环

4. 阀杆

5. 阀芯

6. 阀体

7. 阀座

8. 阀口

4

5

7

8

图 1.3直行程控制阀

执行机构弹簧：包含在支架或执行机构
膜盖或活塞气缸腔室里的一根或一组弹
簧。它（们）向与负载压力相反的方向
移动执行机构推杆。

执行机构推杆：把执行机构连接到阀杆
上并将运动（力）从执行机构传递给阀
门的零件。

执行机构推杆加长轴：活塞执行机构推
杆的加长部分，提供一种把活塞运动传
递给阀门定位器的方法。

执行机构推力：执行机构提供的净力，
用来对阀芯进行实际定位，也称为阀门
行程。

角形阀：一种阀门结构，它的一个入口
和出口相互垂直。（也可见直通阀。）

图 1.4 角形阀

波纹管密封型阀盖：使用波纹管来防止
截流元件连接杆周围泄漏的一种阀盖。
见图 1.5。

阀盖：阀门的包含填料函和阀杆密封并
能对阀杆进行导向的部分。它为阀腔提
供主要的开孔以安装内部零件，也可以
是阀体的一个不可分割的部分。它把执
行机构连接到阀体上。典型的阀盖与阀
体是用螺栓连接的、用螺纹旋入的、用
焊接连接的、用压力密封的、或者集成
不可分隔的。这个术语通常指的是阀盖
及其包含的填料零件。更加准确地说，
这一组零部件应该称为阀盖组件。

阀盖组件

称为阀盖组件）

（通常称为阀盖，更加准确地

：一个组件，包括阀杆

可以在其中运动的零件以及防止阀杆周
围泄漏的密封形式。它通常提供安装执
行机构和装入填料组件的方法，并使得
阀芯与控制阀组件的其余部分保持正确
定位。见图 1.6。

16

1. 阀盖

1

2

3

4

5

图 1.5 波纹管密封型阀盖

1

2

3

4

图 1.6 阀盖组件

2. 填料

3. 填料函

4. 波纹管

5. 阀杆

1. 阀盖

2. 填料

3. 填料函

4. 阀杆

底法兰：一个封闭与阀盖开孔相对的阀
体开孔的零件。它包括一个导向轴套或
用来调换阀门的作用方式。

轴套：支持及（或）导向移动零件如阀
杆和阀芯的装置。

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及（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

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

流量特性的开孔。见图 1.7。

截流元件：阀门的可运动部件，它置于
流体通道中，用来调节通过阀门的流
量。

截流元件导向面：截流元件的一部分，
它使得截流元件在阀笼、阀座环（阀口
导向）、阀盖、底法兰、阀杆或以上任
意两个零件里运动。

气缸：活塞执行机构的气室，活塞在其
中运动。

气缸端盖密封：活塞执行机构气缸与
支架的连接处的密封元件。

膜片：一个活动的把力传递给膜片支
撑板和执行机构推杆的压力响应元
件。

薄膜执行机构：一个流体驱动的装
置，其中的流体（通常是压缩空气，
见负载压力）作用在一个活动的部
件，即膜片上以产生力，从而推动截
流元件。

膜盖：包含上下两个部分的壳体，用
来支撑膜片并建立一个或两个气压
室。

膜片支撑板：与膜片同心的用来把力
传递给执行机构推杆的板。

正作用执行机构：一种执行机构，它
的推杆会随着负载压力的增加而伸出
来。见图 1.9。

伸长型阀盖：一种阀盖，填料函与阀
盖法兰之间的距离较长，用于高温或
低温工况。

图 1.7 阀笼（从左到右）：线性、等百分比、快开

17

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

图 1.8 三通直通阀

直通阀：一种阀门，带线性运动的截
流元件，有单阀口或多阀口，它的阀
体因为阀口区域有一个球形的内腔而
与众不同。直通阀可以进一步分为：
二通单阀口（图 1.3）、二通双阀口、
角形、三通（图 1.8）。

负载压力：流体，通常是压缩空气，施
加在气动执行机构中的膜片或活塞上。

补偿式阀门：一种阀门结构，在不同的
但互成 180 度的对立面上有入口和出口
管线连接。

填料函（组件）：阀盖组件的一部分，
用来防止截流元件连接杆周围的泄漏。
包括在完整的填料函组件里的是下列零
部件的部分或全部的组合：填料、填料
压盖、填料螺母、套环、填料弹簧、填
料法兰、填料法兰双头螺栓或单头螺
栓、填料法兰螺母、填料环、填料隔离
圈环、毛毡隔离圈、Belleville 弹簧和抗
挤压环。见图 1.11。

活塞：一个可移动的把力传递给活塞执
行机构推杆的压力响应元件。

1

3

4

图 1.9 正作用执行机构

18

2

1. 负载压力连接

5

6

7

8

10

9

11

2. 膜盖

3. 膜片

4. 膜片板

5. 执行机构弹簧

6. 执行机构推杆

7. 弹簧座

8. 弹簧调节器

9. 阀杆连接件

10. 阀杆

11. 支架

1

2

3

4

6

图 1.10 活塞式执行机构

5

1. 负载压力连接

2. 活塞

3. 活塞密封

4. 气缸

7

5. 气缸端盖密封

6. 密封轴套

7. 阀杆连接件

活塞式执行机构：一个流体驱动的装
置，其中的流体（通常是压缩空气）作
用在一个可移动的活塞上使执行机构推
杆产生运动，并在关闭时提供座合力。
活塞式执行机构可以分为：双作用式，
可在任一方向上产生最大的驱动力；或
者弹簧复位式，因此在失去气源时，执
行机构会使阀门沿着要求的行程方向移
动。见图 1.10。

阀口：控制阀的流量控制口。

保持环：一个用来把可拆卸法兰保持在

阀体上的分体环。

反作用执行机构：一种执行机构，它的

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

推杆会随着负载压力的增加而退回来。
反作用执行机构有一个密封轴套安装在
支架的上端，以防止负载压力沿着执行
机构推杆泄露。见图 1.12。

橡胶套：一个防止破坏性异物进入活塞
执行机构的密封轴套的保护性装置。

密封轴套：用来提供一种防止活塞执行
机构气缸泄漏方式的上、下轴套。合成
橡胶 O 型圈被用在轴套里，以密封气
缸、执行机构推杆和执行机构推杆加长
轴。

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。

阀座负载：在规定的静态条件下，截流
元件与阀座之间的净接触力。实际上，
对于一个给定的控制阀，执行机构的选
择就是以需要多大的力来克服静态、阀
杆和动态不平衡力，并留有一个余量给
阀座负载为基础的。

阀座环：阀体组件的一个零件，它为截
流元件提供座合表面，并成为流体控制
口的一部分。

可拆卸法兰：一个安装在阀体流通口上
的法兰。它通常被一个保持环保持在其
位置上。

弹簧调整件：一个管件，通常旋拧在执
行机构推杆上或旋入支架里面，以调整
弹簧压缩量（见控制阀的功能和特性术
语中的弹簧设定范围）。

弹簧座：一块板，保持弹簧到位并提供

图 1.11 填料

1

2

3

4

5

6

7
8

3
4

5

9

PTFE 填料

1. 上擦拭圈

2. 填料压盖

3. 凹填料环

4. V 形环

5. 凸填料环

6. 套环

7. 垫片

8. 弹簧

9. 函环/下隔离圈

1

2

4

1
3

1
2

1

石墨填料

1. 石墨丝环

2. 复合石墨填

料环

3. 隔套环

4. 镀锌垫片

4

4

19

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

一个让弹簧调整件接触的平面。

静态不平衡力：在规定的压力条件下，
且流体处于静止状态时，由于流体压力
作用在截流元件和阀杆上而产生的净
力。

阀杆连接件：把执行机构推杆连接到阀
杆上的装置。

阀内件：调节受控流体流量的阀门内部
组件。在直通阀体里，阀内件通常包括
截流元件、阀座环、阀笼、阀杆和阀杆
销钉。

阀内件，软阀座：带有弹性、塑性或其
它易变形材料的阀内件，用在截流部件
或者阀座环里，以用最小的执行机构力
取得严密的关闭。

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，并支
撑阀座表面和阀门截流元件。最常用的
阀体结构有：a) 带一个阀口和阀芯的单
阀口阀体；b) 带二个阀口和一个阀芯的
双阀口阀体；c) 带一个入口和一个出口
二个流体连接端的二通阀体；d) 带三个
流体连接端的阀体，其中二个连接端可

以是入口，而一个是出口（用于混合流
体），或者一个连接端是入口，而二个
是出口（用于分散流体）。术语阀体通
常指的是带有阀盖组件和包含阀内件零
部件的阀体。更加准确地说，这一组部
件应该称为阀体组件。

阀体组件

准确地称为阀体组件）

（通常称为阀体或阀门，更加

：一个阀体、阀

盖组件、底法兰（如使用）和阀内件元
件的组合件。阀内件包括截流元件，它
打开、关闭或部分地阻挡一个或多个阀
口。

阀芯：在直行程阀门中，一个经常指代
截流元件的术语。

阀杆：直行程阀门里，连接执行机构推
杆和截流元件的零件。

支架：把执行机构的动力单元刚性地连
接到阀门上的结构。



1.3 旋转式控制阀术语

下面的术语仅适用于配备薄膜或活塞执
行机构的旋转式控制阀的物理和工作特

3

4

1

6

图 1.12 反作用执行机构

20

1. 负载压力连接

2. 膜盖

3. 膜片

2

4. 膜片板

5

7

8

10

11

9

12

5. 密封轴套

6. 执行机构弹簧

7. 执行机构推杆

8. 弹簧座

9. 弹簧调节器

10. 阀杆连接件

11. 阀杆

12. 支架

性。旋转阀设计中的截流元件（即球
体、阀板、偏心球塞等）具有与直行程
控制阀中的阀芯类似的功能。也就是
说，随着它们的旋转，它们会通过对流
体打开或关小的密封面积来改变流束的
大小和形状。尽管本文中也提到了一些
其它通用术语，但是大部分符合控制阀
术语 ISA S75.05。与执行机构有关的一
些术语，也适用于旋转式控制阀。对于
一些较复杂的术语，本手册提供了附加
的解释。在本章接下来的部分中，将对
一般过程控制、控制阀的功能和特性术
语进行定义。

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

图 1.14 部分球

V 形切口球：最常见的部分球控制阀类
型。V 形切口球包括一个抛光的或涂层
的部分球表面，它紧靠阀座环在全行程
范围内作旋转运动。在球上的 V 形切口
可以实现很高的可调比，并提供一个等
百分比的流量特性。

图 1.13 旋转式控制阀

执行机构杠杆：连接到旋转阀阀轴上的
臂。它把执行机构推杆的线性运动转换
成旋转力（扭矩），以定位旋转式阀门
的阀板或球。这根杠杆正常是通过间隙
很小的花键或其它减小空隙和运动损失
的方法连接到旋转式阀轴上的。

全球：旋转式控制阀的流体控制元件。
它使用一个完整的球并带有一个通过它
的流体通道。流体通道与管道直径相等
或相一致。

部分球：旋转式控制阀的流体控制元
件。它使用一个部分球并带有一个通过
它的流体通道。

图 1.15 V 形切口球

传统阀板：用于最常见的各种各样的蝶
阀里的对称的截流元件。在调节工况
里，非常高的动态力矩往往会把传统阀
板限制在 60 度的最大转角里。

动态设计的阀板：蝶阀阀板经过流线型
轮廓处理，可减小大旋转角度增量时的
动态力矩，因此使得它适用于需要最大
至 90 度的阀板旋转角的调节工况。

偏心阀板：阀门结构常用名词，在这种
阀门结构里，阀轴与阀板连接的偏心位
置会使得阀板在打开时沿着一条很小的
偏心路径运动。这使得阀板在被打开时
能够尽可能快地偏离与密封的接触，这
样可以减少摩擦和磨损。

21

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

图 1.16 偏心蝶阀

无法兰阀门：常见的旋转式控制阀类
型。无法兰阀门用长螺栓夹在 ANSI/ASME
等级的法兰之间（有时候也称为对夹式
阀体）。

偏心球塞：带偏心旋转球塞的旋转式控
制阀类型。偏心球塞会塞进或偏离阀
座，可以减少摩擦和磨损。此类阀门非
常适合于侵蚀性的应用场合。

反向流：流体从阀板、球或球塞背面的
阀轴一侧流出。有些旋转式控制阀能够
在任意一个方向上均衡地处理流体。其
它类型的旋转阀可能需要修改执行机构
的连接件以处理反向流。

万向轴承：通常用于执行机构推杆与执
行机构杠杆之间的连接。其目的是促进
执行机构线性推力向旋转力（扭矩）转
换，并尽可能减少运动损失。在旋转式
阀体上配备一个标准的可互换作用方向
的执行机构，通常需要使用两个万向轴
承的连接件。然而，选择为旋转式阀门
工况而特别设计的执行机构时只需要一
个这样的轴承，因而减少了运动损失。

旋转式控制阀：一种阀门类型，它的流
体截流元件（全球、部分球、阀板或球
塞）在流体通道里旋转，以控制阀门流
量。见图 1.17。

密封环：旋转式控制阀的对应于直通阀
阀座环的那个零件。阀板或球的相对于
密封环的位置决定了在某个旋转行程增
量时的流通面积和流通能力。

阀轴：旋转式控制阀的对应于直通阀阀
杆的那个零件。阀轴的旋转对流体通道

里的阀板或球进行定位，因此可以控制
通过阀门的流体流量。

滑动密封：气动活塞式执行机构气缸下
面的密封，为旋转式阀门工况而设计。
这个密封允许执行机构推杆垂直移动和
周向旋转，而不会使得下气缸负载压力
泄放，因此仅需一个万向轴承。

标准流向：带有独立的密封环或流体环
的那些旋转式控制阀的流动方向：流体
通过与密封环相邻的管道进入阀体并从
与密封环相对的另一端流出。有时候称
为前向流或流向截流元件的正面。也可
见“反向流”。

枢轴式安装：一种安装方式，用二个在
直径方向相对的轴承把阀板或球安装在
阀轴或短轴上。



1.4 控制阀的功能和特性术语

弹簧设定范围：在执行机构弹簧的校准

程序中，使控制阀达到额定行程的压力
范围（见固有膜片压力范围）。

流通能力：在规定条件下通过阀门的流
量（C

或 Kv）。

v

间隙流：当截流元件没有完全座合时低
于最小可控流量的那个流量。

膜片压力范围：膜片负载压力范围高低
值之差。

双作用执行机构：在任意一个方向上都
可以提供气动、液压或电力动力的执行
机构。

动态不平衡力：由于过程流体压力的作
用，在任何规定的开度下，在阀芯上产
生的净力。

有效面积：在执行机构里，有效面积是
产生输出力的那部分膜片或活塞面积。
膜片的有效面积可能会随着它的运动而
改变，通常在行程的开始时为最大，而
在行程的末尾时为最小。模压膜片比平
板膜片有较小的有效面积改变，因此推
荐使用模压膜片。

22

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

失气 - 关闭：这样一种状态：当失去驱
动能源时，阀门截流元件移至关闭位
置。

失气 - 打开：这样一种状态：当失去驱
动能源时，阀门截流元件移至打开位
置。

失气 - 安全：阀门及其执行机构的一种
特性：在驱动能源供应中断时，会使得
阀门截流元件移至全闭、全开、或留在
上次的位置，任何一种位置都被认为是
保护工艺过程及设备所必需的。失气 －
安全作用方式可能需要采用连接到执行
机构上的辅助控制。

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。这个术语应该总
是表述为固有流量特性或安装流量特性
（见过程控制术语一节的定义）。

流量系数（C

）：一个与阀门的几何结

v

构有关的、对于一个给定行程的常数，
可用来衡量流通能力。它是在每平方
英寸 1 磅的压降下，每分钟流过阀门的
16°C (60°F) 水的美国加仑数。

高压力恢复阀门：一种阀门结构，由于
流线型的内部轮廓和最小的流体紊流，

它会分散相对少的流体能量。因此，在
阀门缩流断面下游的压力会恢复到入口
压力的一个很高的百分比值。直流通式
阀门，如旋转式球阀是典型的高压力恢
复阀门。

固有模片压力范围：阀体内压力为大气
压时，作用于膜片以产生额定阀芯行程
的压力高和低值。这个范围通常指的是
弹簧设定值范围，因为当阀门被设定在
该工作范围上时，这个范围将是阀门的
动作范围。

固有流量特性：在经过阀门的压降恒定
时，随着阀门从关闭位置运动到额定行
程，流速与截流元件行程之间的关系。

安装膜片压力范围：在阀体承受规定的
工况下，作用于膜片以产生额定阀芯行
程的压力高和低值。由于作用在截流元
件上的力，固有膜片压力范围可能会不
同于安装膜片压力范围。

安装流量特性：当经过阀门的压降受到
变化的过程工况影响时，随着阀门从关
闭位置运动到额定行程，流量与截流元
件位置之间的关系。

低压力恢复阀门：一种阀门结构，由于
流体通道轮廓产生的紊流，它会分散很

13

14

图 1.17 旋转式控制阀

1

3

5

11

8

10

12

9

2

4

6

7

1. 负载压力连接

2. 膜盖

3. 膜片

4. 膜片板

5. 弹簧

6. 执行机构推杆

7. 连杆

8. 阀轴

9. 行程限位器

10. 填料

11. 阀板

12. 阀体

13. 密封件

14. 密封护圈

23

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

大一部分的流体能量。其结果是，在阀
门缩流断面下游的压力会恢复到比带有
更多流线型通道的阀门更小的一个入口
压力百分比值。尽管每个阀门结构不尽
相同，但是普通的直通阀通常有低的压
力恢复能力。

修正的抛物线流量特性：一种流量特
性，它在截流元件的低位行程处提供等
百分比的特性，而在截流元件的高位行
程处提供线性特性。

常关阀：见“失气 － 关闭”。

常开阀：见“失气 － 打开”。

向下推关闭 (PDTC) 结构：一种直通式

阀门结构，它的截流元件位于执行机构
和阀座环之间，这样执行机构推杆的推
出会将截流元件移向阀座环，最后关闭
阀门。该术语也可用于旋转式阀门结
构。在旋转式阀门结构里，执行机构推
杆的线性伸出会将球或阀板移向关闭位
置。（也称为正作用。）

向下推打开 (PDTO) 结构：一种直通式
阀门结构。它的阀座环位于执行机构和
截流元件之间，这样执行机构推杆的推
出会将截流元件从阀座上移开，因此打
开阀门。该术语也可用于旋转式阀门结
构。在旋转式阀门结构里，执行机构推
杆的线性伸出会将球或阀板移向打开位
置。（也称为反作用）。

可调比：与指定的流量特性的偏差不超
过规定的限制时，最大的流量系数（C
或 K

）与最小的流量系数（Cv 或 Kv）之

v

间的比例。当流量增加到 100 倍最小可
控制流量时，一个仍然能够很好地控制
的阀门就有一个 100∶1 的可调比。可
调比也可表示为最大与最小可控制流量
之间的比例。

额定流量系数（C

的流量系数（C

）：额定行程下阀门

v

）。

v

额定行程：阀门截流元件从关闭位置运
动至额定全开位置的距离。额定全开位
置是由制造商推荐的最大开度。

相对流量系数（C

）：指定行程时的流

v

量系数 (C
(C

) 之间的比例。

v

) 与额定行程时的流量系数

v

阀座泄漏量：当阀门在规定的压差和温
度下处于全闭位置并被施加了最大可用
阀座负载时，流经阀门的流体量。

弹簧系数 (K

)：弹簧长度每单位改变时

s

弹簧力的改变。在薄膜执行机构控制阀
里，弹簧系数通常用磅力/英寸压缩量
来表示。

缩流断面：流速最大、流体静压和截面
积最小处的那部分流束。在一个控制阀
里，缩流断面通常位于实际的物理限制
的下游。



1.5 过程控制术语

与控制阀、仪表和附件有联系的人经常
会碰到下面一些以前没有定义过的术语
和名词。有些术语（用 * 表示）摘录自
ISA 标准：过程仪表术语，
它包括的术语也被广泛运用于整个控制
阀工业。

附件：一种安装在控制阀组件上的装
置，用于补充各种功能或产生所需的动
作，尤其是致动。（即定位器、供气压
力调节器、电磁阀、限位开关等）。

执行机构*：一个提供力和运动去打开
或关闭阀门的气动、液动或电动装置。

执行机构组件：一个包括所有相关附件
使其成为完整操作单元的执行机构。

v

ANSI: 美国国家标准组织的缩写。

API: 美国石油组织的缩写。

ASME: 美国机械工程师学会的缩写。

ASTM:表示美国测试和材料学会。随着

该组织成为国际化组织，该名称改为
ASTM 国际组织。因此，

缩写。

自动控制系统*：一种不需要人工干预
就能工作的控制系统。

空程：一种死区形式，是由装置输入改

ISA51.1。其

ASTM 不再是

24

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

变方向时，装置输入和输出之间的暂时
中断引起的。（例如：机械连接的松弛
或脱落）。

Bode 图

*：一幅转换函数的在对数基线

上的对数幅度比例和相位角度值图。这
是图形化表示频率响应数据的最常见形
式。

校验曲线*：校验结果的图形化表示。
一个装置的稳态输出表示为它的稳态输
入的函数。该曲线通常以百分比的输出
量程对百分比的输入量程的形式来表
示。

校验循环*：在仪表的量程范围内，在
上升然后下降的方向上，使用被测量变
量的已知值，并记录相应的输出读数
值。校验循环曲线可以通过先增加然后
减小装置的输入而获得。它通常以百分
比的输出量程对百分比的输入量程的形
式来表示。它提供回差的一种测量。

流通能力*（阀门）：在额定工况下通
过阀门的流量（C

）。

v

闭环回路：过程控制组件的互连使得关
于过程变量的信息被连续地反馈到控制
器设定点，以对过程变量提供连续的自
动校正。

截流元件：阀门内部元件（包括球塞、
阀板，部分球或全球），用于调节控制
阀内的流量。

控制器：使用固定算法，自动操作以调
节被控变量的装置。控制器输入接收有
关过程变量状态的信息，然后向终端控
制元件提供适当的输出信号。

控制回路：见闭环回路或开环回路。

控制范围：控制阀可以将阀门增益维持

在 0.5 和 2.0 的标准值之间的阀门行程
范围。

控制阀组件：一种用于通过改变流通通
道尺寸来调节流体流通的装置，其接收
来自控制器的信号以进行工作。

死区：一种可在任何装置上发生的普遍
现象，在此范围内，当输入信号在方向

反转时发生变化，不会引起输出信号产
生可观察到的变化。对于控制阀，控制
器输出 (CO) 是阀组件的输入，过程变量

(PV) 是输出，如图

1.18 所示。使用术

语“死区”时，必须确定输入和输出变
量，并且确保测量死区的任何测试在全
部负载条件下进行。死区通常表示为百
分比的输入量程。

100%

过程变量

Process Variable

100%

控制器输出

Controller Output

图 1.18 死区

时滞时间：在较小（通常为 0.25％ - 5％）
阶跃输入后，未检测到系统响应的时间
间隔 (T

)。此时间即从阶跃输入启动到

d

检测出系统的第一个响应。时滞时间可
适用于阀门组件或整个工艺过程。见
T63。

焓：一个热动态量，它是阀体的内部能
量和其体积与压力之积的和：H = U + pV。
（也称为热容量）。

熵：在一个热动态系统里，不能转化为
机械功的能量的理论量度。

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在理想情
况下产生相对于现有 C

的流量系数 (Cv)

v

的等百分比变化。

反馈信号*：测量直接的被控制变量而
得到的返回信号。对于一个带定位器的
控制阀，反馈信号通常是反馈给定位器
的截流元件连接杆位置的机械指示。

FCI：流体控制组织的缩写。提供标准
和培训材料，帮助购买者和用户掌握相
关知识及使用流体控制和调节设备。

终端控制元件：执行由控制器输出确定

25

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

的控制策略的装置。虽然该终端控制元
件有多种形式（阻尼器、开/ 关装置
等），但当今工业中最常见的终端控制
元件是控制阀组件。控制阀调节流动的
流体（即气体、蒸汽、水、化合物等）
以补偿负载扰动并使调节的过程变量保
持尽可能接近所需的设定点。

一阶：描述装置输入和输出之间的动态
关系的一个术语。一阶系统或装置仅具
有一个能量存储设备，并且输入和输出
之间的动态瞬态关系是由指数行为表征
的。

频率响应特性*：以幅度和相位表示的
稳态正弦输入及其引起的基本正弦输出
之间的频率依赖关系。输出的幅度和相
位移动可以被看作输入测试频率的函
数，并用来描述控制装置的动态行为。

摩擦：倾向于阻止彼此接触的两个表面之
间的相对运动的力。摩擦力是将这两个表
面压在一起的法向力和两个表面的特性的
函数。摩擦力有两种：静摩擦和动摩擦。
静摩擦（也称为黏附摩擦或静态摩擦）是
在两个表面之间产生相对运动之前必须克
服的力。静摩擦也是造成阀组件中死区的
主要原因之一。一旦相对运动开始，动摩
擦（也称为移动摩擦或滑动摩擦）是维持
相对运动必须克服的力。

增益：用于描述给定系统或装置的输出
改变量相对于引起该输出改变量的输入
改变量比例的术语。增益有两种：静态
增益和动态增益。静态增益（也称为灵
敏度）是输入和输出之间的增益关系，
是系统或装置处于稳态状态时，输入能
够引起输出改变的程度的指标。动态增
益是系统处于运动或流动状态时输入和
输出之间的增益关系。动态增益是输入
频率或变化率的函数。

硬度：金属抵抗塑性变形（通常以凹陷
形式）的能力。塑料和橡胶的抵抗尖头
刺入其表面的能力。

振荡*：外部激励消失之后，仍然存在
的一种具有明显幅度的振动。振荡有时
候被称为循环或极限循环。振荡是在或

接近稳定极限处工作的证据。在控制阀
里，控制系统或阀门定位器的不稳定会
引起执行机构负载压力的波动，振荡会
随之而出现。

回差*：校准周期内任何单个输入对应
的值的最大输出值差异，不包括死区引
起的误差。当作用在阀体上的力发生变
化时（如黏性力或内部摩擦力），作用
的延迟。

100

快开

线性

额定流量系数 (%)

Rated Flow Coefficient (%)

0

图 1.19固有阀门特性

额定行程 (%)

Rated Travel (%)

等百分比

100

固有特性*： 在经过阀门的压降恒定
时，随着阀门从关闭位置运动到额定行
程，流量系数与截流元件行程之间的关
系。通常，这些特性可以绘制在曲线
上，其中水平轴以百分比行程表示，垂
直轴用百分比流量（或 C

）表示。由于

v

阀门流量是阀门行程和阀门压降的函
数，因此在恒定压降下进行的流量特性
测试提供了一种比较阀门特性类型的系
统方法。用这种方式测得的典型阀门特
性有线性、等百分比和快开。

固有阀门增益：在恒定压降条件下，通
过阀门的流量改变量相对于阀门的行程
改变量的比例。固有阀门增益是阀门设
计的固有函数。它等于固有特性曲线在
任意行程点上的斜率，也是阀门行程的
函数。

安装特性*：当通过阀门的压降受到变
化的过程工况影响时，随着阀门从关闭
位置运动到额定行程，流量与截流元件
（阀板）行程之间的关系。

26

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

安装阀门增益：在实际过程工况下，通
过阀门的流量改变量相对于阀门行程改
变量的比例。安装阀门增益是当阀门安
装在特定系统中，且压力降允许根据总
系统的指令而自然改变时产生的阀门增
益关系。安装阀门增益等于安装特性曲
线的斜率，也是阀门行程的函数。

仪表压力：由一个自动控制器提供的用
来使阀门工作的输出压力。

I/P：电流转压力 (I-to-P) 的简写。通常
应用于输入转换器模块。

ISA：国际自动化学会的缩写。

线性度*：与两个变量相关的一条曲线

与一条直线的接近程度。线性度也意味
着相同直线作用于向上和向下方向。因
此，上面所定义的死区通常被认为是非
线性的。

线性特性*：固有的流动特性，可以用
一条直线在流量系数 (C

) 相对于额定行

v

程的矩形图上表示出来。因此，行程的
等量增加提供流量系数 C

的等量增加。

v

负载压力：对气动执行机构进行定位的
压力，是实际作用在执行机构膜片或活
塞上的压力。如果没有使用阀门定位
器，负载压力可以是仪表压力。

控制回路：见闭环回路或开环回路。

回路增益：所有回路元件被看作串联在

回路里时的组合增益。有时也称为开路
增益。必须明确指明在某个频率下是静
态回路增益还是动态回路增益。

手动控制：见开环回路。

NACE: 曾代表美国腐蚀工程师协会。随
着该组织成为国际化组织，该名称改为

NACE 国际组织。因此，

NACE 不再是缩

写。

开环回路：这样一种情况：过程控制元
件的连接被中断，这样，过程变量的信
息不再被反馈到控制器设定点，对过程
变量的校正也不再进行。这通常是通过
将控制器设置于手动操作状态来实现
的。

工作介质：这是指流体，通常为空气或
气体，用来为阀门定位器和自动控制器
的工作提供动力。

工作极限*：一个装置能够承受而不会
导致工作特性永久性损害的工作条件范
围。

OSHA：职业安全和健康法令（美国）
的缩写。

填料：阀门组件的一个部件，用来防止
阀板或阀杆周围的泄漏。

定位器：一个位置控制器（伺服机构），
其与终端控制元件或其执行机构的运动
部件进行机械连接，并自动调节其到执
行机构的输出，以保持与输入信号成比
例的所需阀门位置。

过程：除控制器外，控制回路中的所有
组合元件。有时指的是通过回路的流
体。

过程增益：被控过程变量的改变量对于
相应的控制器输出改变量的比例。

过程偏差度：衡量过程是如何被紧密地
控制在设定点周围的一种精确的统计学
测量。过程偏差度通常以百分比定义为
(2s/m)，式中 m 是被测过程变量的设定
点或平均值，s 是过程变量的标准偏差。

快开 (QO) 特性*：一种固有流量特性，
在截流元件最小的行程下可以获得最大
的流量系数。

范围：二个极限之间的区域，其间距可
以被测量、接受、或传递，并用上下范
围值来表示。例如：3 至

15 Psi；-40 至

100°C（-40 至 212°F）。

放大器：一种作用类似于功率放大器的
装置。它接受电气、气动或机械输入信
号，并向执行机构输出大流量的空气或
液压流体。放大器可以是定位器的内部
元件，也可以是单独的阀门附件。

可重复性*：在全部行程范围内，沿着
相同的方向，在相同的工作条件下，对
于相同的输入值，一系列连续的输出测
量值的接近程度。它通常是作为不可重

27

控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

复性来测量的，但以百分比量程来表
示。它不包括回差。

分辨率：当输入不改变方向时用来产生
一个能检测到的输出变化所需要的最小
可能的输入变化。分辨率通常表示为百
分比的输入量程的百分比。

响应时间：通常由一个包括时滞时间和
时间常数的参数来测量。（见 T63、时
滞时间和时间常数。）应用于控制阀
时，包括整个阀门组件。

二阶：一个术语，指的是一个装置的输
入和输出之间的动态关系。一个二阶系
统或装置有两个能量存储装置，它们可
以在它们之间来回传递动能和势能，这
样可能会引发振荡行为或超调。

敏感性*：在达到稳定状态后，输出幅
度的改变与引起该改变的输入改变之间
的比例。

传感器：一种用于检测过程变量值并向
变送器提供相应输出信号的装置。传感
器可以是变送器的集成部分，也可以是
单独的元件。

设定点：一个参考值，代表被控过程变
量的期望值。

阀轴扭转：阀轴一端扭转而另一端不扭
转的现象。这种现象通常发生在旋转式
阀门中，其中执行机构通过一根相对长
的阀轴连接到阀门截流元件上。当阀门
的密封摩擦力将阀轴的一端保持在某一
个位置时，执行机构端的阀轴的旋转被
阀轴的扭转所吸收，直到执行机构的输
入传递足够的力来克服这个摩擦力。

信号*：一个物理变量，它的一个或多
个参数携带关于该信号所代表的另外一
个变量的信息。

信号幅度排序（分程）*：一种动作方
式，其中有二个或更多个信号产生，或
者有二个或更多个终端控制元件被一个
输入信号驱动，每一个终端控制元件连
续地、带或不带重叠对该输入信号的幅
值作出响应。

选型（阀门）：一种系统流程，旨在确
保在一系列特定过程工况的每种条件下
都拥有正确的阀门流通能力。

量程*：上下范围值的算术差。例如：
范围 =0 至 66°C (150°F)，量程 = 66°C

(150°F)；范围 = 3 至 15 Psig，量程 = 12
Psig。

静摩擦：使两个接触的物体开始相对运
动需要的力。另见摩擦。

气源压力*： 一个装置供气口处的压
力。常用的控制阀气源压力值对于 3 至
15 Psig 的弹簧设定范围为 20 Psig，对
于 6

至 30 Psig 的弹簧设定范围为 35

Psig。

T63：一个测量装置响应的指标。通过
向系统应用小的（通常 1-5%）阶跃输入
即可测量 T63。从启动阶跃输入的时间
到系统输出达到最终稳态值的 63% 的时
间即是 T63。它是系统时滞时间 (Td) 和
系统时间常数 (t) 的总和。（见时滞时
间和时间常数。）

时间常数：通常应用于一阶元件的时间
参数。它是从系统产生第一个相对于小
阶跃输入（通常为 0.25% - 5%）的能检
测到的响应时起一直到系统输出达到其
最终稳态值的 63% 时的时间间隔。（见
T63。）当应用于开路过程时，时间常
数通常表示为“T”(T

au)。当应用于闭
路系统时，时间常数通常表示为为 λ
(Lambda)。

变送器：一个测量过程变量值并提供一
个相应的输出信号给控制器以跟设定点
进行比较的装置。

行程*：截流元件从关闭位置到一个中
间或额定全开位置的运动。

行程指示器：一个指针和标尺，用于从
外部显示截流元件的位置，通常以行程
百分比或旋转度等为单位。

阀内件*：调节被控制流体流量的阀门
内部部件。

阀门：见控制阀组件。

28

流量放大器：一种独立放大器，通常被
称为流量放大器或简称放大器，因为它
增加或放大了供给执行机构的压缩空气
量。见放大器。

零误差*：当输入为低范围值时，一个
装置在规定的使用条件下的误差。它通
常表示为百分比的理想量程。



控制阀手册 | 第一章 控制阀介绍

29

第二章

控制阀的性能

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

在今天这个动态的商业环境里，制造商
们承受着极大的经济压力。市场全球化
也给减少制造成本带来巨大压力，以与
低工资和低材料成本的发展中国家竞
争。竞争使得跨国公司要提供最高质量
的产品，并以更少的资源来最大化产
出，与此同时要满足客户不断变化的需
求。它们尽管完全遵守公众和法规政
策，但是还必须面对这些市场挑战。

2.1 过程偏差度

为了向它们的股东提供可以接受的回
报，国际工业领袖们正在认识到他们必
须降低原材料和废弃成本，同时增加生
产力。通过应用过程控制技术减少制造
过程中的过程偏差度已经被认为是一种
改善投资回报和克服全球竞争压力的有
效方法。

一个公司的基本目标就是通过生产高质
量的产品来赚取利润。高质量的产品满
足一系列的技术规格。任何对于已经建
立的技术规格的偏离就是意味着由于原
料的过量使用、重新加工成本或废弃产
品而损失利润。因此，通过改善过程控
制就可以取得很大的经济效益。通过较
好的过程控制来减少过程偏差度可以实
现过程的优化和第一批产品的正确生
产。

原材料和生产过程里的固有的不一致性
是产生偏差的常见起因。它们会使得过
程变量产生一个高于或低于设定点的偏
差。一个处于控制状态且只有常见的偏
差起因存在时的过程通常会遵循钟形正
态分布。

Lower Limit

规格下限

Specification

图 2.1 过程偏差度

2-σ

设定点

设定点

2-σ

分布

P

V

分布

P

V

在这个分布上，由统计学得到的一个数
值区域称为 +/-2 σ 区。它描述了过程变
量偏离设定点的程度。这个区域就是过
程偏差度。它是一个反映过程控制紧密
程度的测量。过程偏差度是过程控制紧
密程度的一种精确测量，它表示为设定
点的一个百分比。

例如，如果一个产品必须满足某个技术
规格的下限，那么设定点需要建立在这
个下限之上的 2 σ 值处。这样做将确保
在这个下限右面生产的所有产品都会满
足质量规格。

然而，问题是在一个比技术规格要求大
很多的水准上生产很大百分比的产品会
浪费很多金钱和资源（见图 2-1 上面的
分布图）。

最理想的解决方案是通过选用一个能产
生较小的 σ 的阀门来减小偏差的分布程
度（见图 2-1 下面的分布图）。

减小过程偏差度是取得企业目标的一个
关键。大多数公司已经认识到这一点。
对它们来说，把成千上万美元花费在仪
表上面，以解决过程偏差度减小的问题
是一件寻常的事情。

不幸的是，由于其对动态性能的影响未
被认识到，控制阀在这个方面常常被忽
略了。对控制回路的广泛研究表明多达

31

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

图 2.2 性能测试回路

80% 的回路在减小过程偏差度方面做得
不好。不仅如此，人们发现控制阀由于
各种各样的原因是造成这个问题的主要
元凶。

为了检验阀门的性能，制造商们必须在
动态的过程条件下测试它们的产品。这
些测试通常是在流量试验室里的实际闭
环回路控制下进行的（图 2-2）。在闭
环回路条件下评估控制阀组件提供了对
偏差度情况的唯一真实的测量。闭环回
路性能数据证明为应用工况选择一个合
适的阀门可以显著减小过程偏差度。

控制阀减小过程偏差度的能力取决于许
多因素。不仅要考虑孤立的一个参数。
控制阀工业里的研究已经发现终端控制
元件包括阀门、执行机构和定位器的特
殊的设计特点对于在动态条件下取得好
的过程控制是非常重要的。更加重要的
是，控制阀组件必须作为一个元件而进
行优化或制造。不是作为一个完整的组
件而设计的阀门部件通常不会产生最好

32

的动态性能。设计时需要考虑的一些最
重要的因素包括：



死区



执行机构/定位器的设计



阀门响应时间



阀门类型和特点



阀门选型

每一个设计因素都会在本章里讨论，从
而阐明一个优异的阀门设计由哪些要素
构成。

2.1.1 死区

死区是造成超大过程偏差度的主要原
因。由于各种各样的原因，如摩擦力、
空程、阀轴扭转、放大器或滑阀的死区
等，控制阀组件可以是一个仪表回路里
死区的主要来源。

死区是一种常见现象，指的是当输入信
号改变方向时，不能使得被测过程变量

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

Time (seconds)

(PV) 产生变化的控制器输出 (CO) 值的范
围或宽度。当一个负载扰动发生时，过
程变量 (PV) 会偏离设定点。这个偏差会
通过控制器产生一个纠正性动作，并回
复到过程中。然而，控制器输出的一个
初始变化可能不会产生一个相应的过程
变量的纠正性的改变。只有当控制器的
输出变化量大得足以克服死区的改变
时，一个相应的过程变量的改变才会发
生。

如果控制器输出改变方向，控制器的信
号必须克服死区，才能产生过程变量的
纠正性改变。工艺过程里死区的存在使
控制器的输出必须增加到大得足于克服
死区，只有这时一个纠正性的动作才会
发生。

金属密封 4 英寸部分球阀，薄膜执行机构和标

4” Segmented Ball Valves with Metal Seals,

Diaphragm Actuators and Standard Positioners

阀门 A (Fisher

65

60

55

%

50

45

40

0.5%

阀门 B

65

60

55

%

50

输入信号

45

执行机构位置
流量（已过滤）

40

阀门 C

65

60

55

%

50

45

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400

图 2.3 死区对于阀门性能的影响

准定位器

™

V150HD/1052(33)/3610J)

2% 阶跃

时间（秒）

5% 10%1%

2.1.1.1 死区的成因

死区有很多原因，但是控制阀的摩擦力
和空程、旋转阀阀轴的扭转以及放大器
的死区是几种常见的形式。由于大部分
的调节式控制的动作是由小信号改变
（1% 或更小）组成的，一个有超大死

区的控制阀可能根本不会对这么多的小
信号改变作出响应。一个制造精良的阀
门应该能够对 1% 或更小的信号作出响
应以有效地减小过程偏差度。然而，也
常见有些阀门出现有 5% 或更大的死
区。在最近的一次工厂审计里，发现

30% 的阀门有超过
65% 的被审计的控制回路有大于

4% 的死区。超过

2% 的

死区。

2.1.1.2 死区造成的影响

图 2-3 表明了死区的组合效果是多么大。
这个图代表正常过程条件下三个不同的
控制阀的开环回路测试。这些阀门接受
一系列一系列从 0.5% 到 10%

的阶跃输
入。流体工况下的阶跃测试很有必要，
因为这些工况可以评估整个控制阀组件
的性能，而不像大部分的标准测试一样
仅仅评估阀门执行机构的性能。

2.1.1.3 性能测试

有些对控制阀性能的测试，仅局限于比
较输入信号和执行机构推杆的行程。这
是一种误导，因为它忽略了阀门本身的
性能。

关键的是测量流体工况下阀门的动态性
能，这样，过程变量的改变才能与阀门
组件的输入信号改变相比较。如果只有
阀杆对于阀门输入信号的改变作出响
应，那么这种测试的意义不大，因为如
果没有相应的控制变量的改变，也就没
有对于过程偏差的纠正。

在所有三个阀门测试里（图 2-3），执
行机构推杆的运动都能对输入信号的改
变作出很好的响应。另一方面，这些阀
门在对应于输入信号的改变而改变流量
的能力方面却有很大的不同。

对于阀门 A，过程变量（流速）能对小
到

0.5% 的输入信号作出很好的响应。
阀门 B 要求输入信号的改变大于 5%，才
开始对每一个输入信号阶跃作出很好的
响应。阀门 C 明显更差，要求信号改变
大于 10%，才开始对每一个输入信号阶
跃作出很好的响应。总的来说，阀门 B

33

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

或 C 的改善过程偏差度的能力是非常差
的。

2.1.1.4 摩擦力

摩擦力是造成控制阀死区的一个主要原
因。旋转阀对于密封要求的高的阀座负
载引起的摩擦力非常敏感。对于有些密
封型式，高的阀座负载是为了获得关闭
等级所必需的。由于高的摩擦力和低的
驱动应变刚度，阀轴会扭转，无法把运
动传递给控制元件。结果是，一个设计
很差的旋转阀可能会展示出很大的死
区，这个死区明显对过程偏差度有决定
性的影响。

制造商们通常会在制造过程中润滑旋转
阀的密封，但是经过只有几百次的循环
动作之后，润滑层就会磨损掉。另外，
压力引起的负载也会导致密封磨损。结
果是，对于某些阀门型式，阀门的摩擦
力可能会增加 400% 或更多。这就说明
在力矩稳定之前，通过使用标准类型的
数据来评估阀门而得出的性能方面的结
论是误导。阀门 B 和 C（图 2-3）表明这
些较高的摩擦力矩因素会对一个控制阀
的性能产生毁灭性的影响。

填料摩擦力是直行程控制阀的摩擦力的
主要来源。在这些类型的阀门里，测量
得到的摩擦力可能会随着阀门形式和填
料结构的不同而有很大的差别。

执行机构的类型对于控制阀组件的摩擦
力也有根本性的影响。总的来说，弹簧
薄膜执行机构比活塞执行机构对控制阀
组件产生更小的摩擦力。弹簧薄膜执行
机构的另外一个优点是它的摩擦力比较
恒定，随着时间的变化，其摩擦特性稳
定的发生变化。活塞执行机构的摩擦力
会随着导向面和 O 型圈的磨损、润滑层
的损失以及弹性体的性能等级下降而显
著增加。这样，为了确保连续的最佳性
能，活塞执行机构比弹簧薄膜执行机构
需要更加频繁的维护。如果不进行维
护，过程偏差度就会显著增加，而操作
人员对此一无所知。

当装置改变方向时，这种空程会引起运
动的不连续性。空程通常发生在具有各
种各样配置的齿轮驱动的装置里。齿条
齿轮执行机构由于空程特别容易产生死
区。有些阀轴的连接也展示出死区的效
果。总的来说，花键连接比键槽连接的
阀轴或双 D 形结构有更小的死区。

尽管摩擦力可以通过优良的阀门设计而
大幅减小，但是要完全消除它却是一个
困难的问题。一个设计制造精良的控制
阀应该能够消除由于空程和阀轴扭转而
引起的死区。

为了在减小过程偏差度方面取得最佳效
果，整个阀门组件的总死区应该等于或
小于 1%，最理想的结果是低到 0.25%。

2.1.2 执行机构和定位器的设计

执行机构和定位器的设计必须一起考
虑。这两个设备的组合会在很大程度上
影响控制阀组件的静态性能（死区）和
动态响应，以及阀门仪表的总空气消耗
量。

今天，定位器被用于大部分指定的控制
阀应用场合。与普通的数字式控制系统
一起使用时，定位器可以提供很高的定
位精度以及联机诊断。随着人们越来越
把重点放在过程控制的经济效果上，在
重视过程优化的每一个阀门应用场合都
应该考虑使用定位器。

一个好的定位器在降低过程偏差度方面
的最重要特性是它是一个高增益装置。
当与执行机构和阀门结合使用时，根据
用途和预期性能，该组件在理想情况下
会表现得像一阶或欠阻尼二阶系统。数
字式阀门控制器具有额外的整定参数，
例如微分增益，其主要用于消除不合需
求的特性并进一步将组件调整到所需的
性能。许多定位器还集成了一个功能，
可以消除阀门设定点和位置之间的任何
偏移。在大多数过程控制情况下，可以
关闭此功能以避免形成缓慢过程振荡，
因为阀门位置和设定点之间的偏移通常
由过程控制器处理。

34

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

一旦定位器检测到设定点的变化，定位
器必须能够向执行机构提供大量空气，
使组件能够及时且受控地移动。这种能
力来自高增益定位器，并且是定位器内
集成气动放大器的功能。该气动放大器
通常包括放大器或滑阀。

典型的高性能两级定位器使用气动放大
器。放大器受到用户的偏爱是因为它们
能提供高动力增益。这种高动力增益用
最小的稳态空气消耗量产生最好的动态
性能。另外，它们不易受到流体污染。
此外，一些大型或高摩擦执行机构可能
使用额外的外部放大器来满足规格，例
如行程动作速度。

定位器设计通过减少空气消耗和提高用
户可访问的诊断功能而不断改进。此
外，还增加了一些功能，以支持提高行
业安全要求，如安全仪表系统 (SIS) 和优
化的数字阀门。

2.1.3 阀门响应时间

对于许多过程的优化控制，重要的是阀
门快速地到达一个指定的位置。对于小
信号改变（1% 或更小）作出快速的响应
是在提供优化过程控制方面的其中一个
最重要的因素。在自动的、调节式控制
场合，从控制器接受的大量信号改变都
是为了取得小的阀门改变。如果一个控
制阀组件能够快速地对这些小信号改变
作出响应，过程偏差度将会得到改善。

阀门响应时间是通过一个称为 T63 的参
数来测量的。T63 是从输入信号改变开
始起到输出达到 63% 的相应改变时测量
所得到的时间。它包括阀门组件的时滞
时间（一个静态时间）和阀门组件的动
态时间。这个动态时间是对于执行机构
从一旦开始移动至达到 63% 的点所需要
的时间的一种度量。

2.1.3.1 时滞时间

死区，不管是源自阀体和执行机构里的
摩擦力，还是来自定位器的，都能在很
大程度上影响阀门组件的时滞时间。重
要的是使得时滞时间尽可能地小，因为

这会成为过程稳定性的限制因素。总的
来说，时滞时间应该不超过阀门总体响
应时间的三分之一。然而，时滞时间与
过程时间常数之间的相对关系是关键
的。如果阀门组件置于一个过程时间常
数接近时滞时间的快速回路里，时滞时
间会严重地影响回路的性能。在这些快
速回路里，关键是要选择时滞时间尽可
能小的控制设备。

从回路整定的角度看，时滞时间在阀门
的两个行程动作方向保持相对一致也是
很重要的。有些阀门组件结构在一个行
程动作方向比在另一个有 3 至 5 倍长的
时滞时间。这种特性通常是是由定位器
设计的不对称特性引起的。它会严重地
限制把回路整定到最佳总体性能的能
力。

2.1.3.2 动态时间

一旦时滞时间已经过去，且阀门开始响
应，阀门响应时间的剩余部分来自阀门
组件的动态时间。这个动态时间主要是
由定位器和执行机构组合的动态特性决
定的。这两个部件必须很好地匹配以减
少阀门的总响应时间。例如，在一个气
动阀门组件里，定位器必须有一个高动
态增益以减小阀门组件的动态时间。这
个动态增益主要由定位器里的动力放大
器提供。换言之，定位器放大器或滑阀
能够越快地提供大量的压缩空气给执行
机构，阀门的响应时间也将越快。然
而，这种高动态增益动力放大器对时滞
时间有很小的影响，除非它有一些故意
设计在其中的死区以减少静态耗气量。
当然，执行机构的设计对动态时间有很
大的影响。例如，需要充填的执行机构
气室的容积越大，阀门的响应时间就越
慢。

2.3.1.3 解决方案

首先，似乎解决方案应该是把执行机构
容积减至最小，并把定位器的动态动力
增益提高至最大，但是事实并非如此简
单。从稳定性角度看，这可能是多个因

35

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

素的危险组合。要知道定位器/执行机
构组合组成了它自己的反馈回路。对于
正在使用的执行机构，使得定位器/执
行机构回路的增益太高，可能会引导阀
门组件进入一个不稳定的振荡状态。另
外，减小执行机构容积对于推力/摩擦
力比例有负面影响。这会增加阀门组件
的死区，从而导致时滞时间的增加。

对于一个给定的应用场合，如果没有足
够的总体推力/摩擦力比例，一个选择
就是通过使用下一个较大尺寸的执行机
构来增加执行机构的推动力、或增加给
执行机构的压力。这个较高的推力/摩
擦力比例会减小死区，有助于减少阀门
组件的时滞时间。然而，这两个选择都
意味着需要较大的压缩空气量供应给执
行机构。作为交换的是通过增加动态时
间而可能对阀门响应时间产生不利的影
响。

减少执行机构气室容积的一个方法是使
用活塞执行机构而非弹簧式薄膜执行机
构，但这不是灵丹妙药。活塞执行机构
通常比弹簧式薄膜执行机构有更大的推
力，但是它们也有更高的摩擦力，这可
能会导致阀门响应时间问题。为了获得
活塞执行机构所需的推力，通常有必要
使用比薄膜执行机构更高的气源压力，
因为活塞通常有更小的受压面积。这意
味着需要供应更大量的空气，随之而产
生的是对动态时间的负面影响。另外，
活塞执行机构有更多的导向表面。它们
由于对准方面的内在困难以及与 O 型圈
的摩擦，趋向于有更高的摩擦力。这些
摩擦力的问题也趋向于随着时间而增
加。不管最初这些 O 型圈是多么好，由
于磨损或其它环境条件，这些弹性材料
会随时间而降低性能。类似地，导向表
面的磨损会增加摩擦力，润滑程度也会
降低。这些摩擦力问题会产生更大的活
塞执行机构死区。这会通过增加时滞时
间而增加阀门的响应时间。

2.3.1.4 供气压力

仪表供气压力也可能对阀门组件的动态

性能产生很大的影响。例如，它能显著
地影响定位器的增益和总耗气量。

固定增益定位器通常已经在某一特殊供
气压力下进行了优化。然而，在较小的
供应压力范围内，这个增益可能会成两
倍或更多倍地变化。例如，一个在 20 psig
的供气压力下进行优化的定位器，能会
被发现当供气压力增加到 35 psig 时，
它的增益减少了一半。

供气压力也会影响供应给执行机构的空
气量，空气量则决定动作速度。它也与
耗气量直接相关。高增益滑阀定位器需
要消耗 5 倍于在动力放大阶段使用放大
器的更加高效的高性能二级定位器所需
的气量。

2.3.1.5 最小化时滞时间

最小化阀门组件的时滞时间需要最小化
阀门组件的死区，不管这个死区是由于
阀门密封结构的摩擦力引起的，还是由
于填料的摩擦力、阀轴的扭转、执行机
构或者定位器的结构引起的。正如先前
指出的，摩擦力是造成控制阀死区的主
要原因。对于旋转式阀门，阀轴扭转也
是造成死区的重要起因。执行机构的类
型也对阀门组件的摩擦力有重要影响。
总的来说，在较长时间内，弹簧式薄膜
执行机构对控制阀的摩擦力要比活塞执
行机构小。如前面所提及的，这是由于
活塞 O 型圈摩擦力增加、对中不佳问题、
以及润滑失效导致的。

采用高增益的定位器设计可以显著降低
死区。它也会对阀门组件的分辨率作出
显著的改善。死区和分辨率为 1% 或更
小的阀门组件已经不能满足许多过程偏
差度降低的需要。许多过程要求阀门组
件要低至 0.25% 的死区和分辨率，尤其
是阀门组件安装于一个快速过程回路的
场合。

2.3.1.6 阀门响应时间

在对控制阀响应时间的许多研究里有一
件令人称奇的事情。那就是对弹簧薄膜
执行机构与活塞执行机构的观念上的变

36

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

阀门响应时间

阶跃大小 T(d) 秒 T63 秒

ENTECH 指标4 英寸阀门口径 % s0.2 s0.6

阀门 A (Fisher V150HD/1052(33)/3610J)

阀门动作：打开 2 0.25 0.34

阀门动作：关闭 -2 0.50 0.74

阀门动作：打开 5 0.16 0.26

阀门动作：关闭 -5 0.22 0.42

阀门动作：打开 10 0.19 0.33

阀门动作：关闭 -10 0.23 0.46

阀门 B

阀门动作：打开 2 5.61 7.74

阀门动作：关闭 -2 0.46 1.67

阀门动作：打开 5 1.14 2.31

阀门动作：关闭 -5 1.04 2

阀门动作：打开 10 0.42 1.14

阀门动作：关闭 -10 0.41 1.14

阀门 C

阀门动作：打开 2 4.4 5.49

阀门动作：关闭 -2 NR NR

阀门动作：打开 5 5.58 7.06

阀门动作：关闭 -5 2.16 3.9

阀门动作：打开 10 0.69 1.63

阀门动作：关闭 -10 0.53 1.25

NR = 没有响应

图 2.4 阀门响应时间摘录

化。过程工业里长期以来的一个误解是
活塞执行机构动作比弹簧薄膜执行机构
快。研究表明对于小信号改变，这是不
正确的。

这个误解来自于测试阀门动作时间的多
年经验。动作时间测试通常是这样进行
的：让阀门组件接受一个 100% 阶跃改
变的输入信号，然后测量阀门组件在某
一方向上完成一次全行程动作所需要的
时间。

尽管活塞驱动的阀门通常比大部分弹簧
薄膜驱动的阀门有更快的动作时间，但
是这种测试并不能反映出阀门在实际的
过程控制情况下性能。在正常的过程控
制应用场合里，阀门很少需要全行程的
动作。通常，阀门只要求在 0.25% 至 2%
的阀位变化范围内作出响应。广泛的阀
门测试表明弹簧薄膜阀门组件在小信号
改变方面的性能总是超过活塞驱动的阀
门，而小信号改变更能代表调节式过程
控制应用工况。活塞执行机构里较高的

37

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

摩擦力是使得它们比弹簧薄膜执行机构
对于小信号的响应更加慢的一个作用因
素。

选择正确的阀门、执行机构和定位器组
合不是容易的。这并不仅仅是一件找到
在物理上匹配的组合的事情。良好的工
程判断必须融入阀门组件的计算和选型
实践，以取得回路的最佳动态性能。

图 2-4 表示由于阀门组件结构不同引起
的时滞时间和总体 T63 响应时间方面的
巨大差别。

2.1.4 阀门类型与特性化

所用的阀门类型和阀门选型可能会对系
统里控制阀组件的性能产生很大的影
响。一个阀门必须有足够大的口径以通
过在所有可能的变化条件下需要的流
量。然而对某一个应用场合，口径太大
的阀门对于过程优化是一个不利因素。

阀门的流通能力也由于阀门的固有特性
而与阀门类型相关。固有特性是当经过
阀门的压差恒定时，阀门的流通能力与
阀门行程之间的关系。

通常，这些特性绘制在曲线上，其中水
平轴以百分比行程标记，垂直轴标记为
百分比流量（或 C
量是阀门行程和通过阀门的压差的一个
函数，所以传统的办法就是在一个恒定
的压降下进行阀门的固有特性测试。这
不是实际应用中的正常情况，但是它提
供了一种比较阀门特性形式的系统方
法。

在恒定压降的特定条件下，阀门流量就
成为阀门行程和阀门内件固有结构的一
个函数。这些特性称为阀门的固有流量
特性。由此方法得出的典型的阀门特性
命名为线性、等百分比和快开。

阀门流量（输出）的增量变化与引起这
个流量变化的相应的阀门行程（输入）
的增量的比例被定义为阀门增益。

）表示。由于阀门流

v

固有阀门增益 = （流量变化/行程变化）
= 固有特性曲线的斜率

线性特性在阀门的全行程范围内有一个
恒定的固有阀门增益，而快开特性在行
程范围的较低一端有一个最大的固有阀
门增益。等百分比阀门的最大固有阀门
增益位于阀门的最大开度处。

阀门固有特性是阀门流体通道几何尺寸
的固有函数。只要压降恒定，它是不会
变化的。许多阀门类型，尤其是旋转球
阀、蝶阀和偏心球塞阀都有固有特性，
它们不会轻易地被改变。然而，大部分
的直通阀有多种阀笼或阀芯可供选择。
这些阀笼或阀芯可以互换以修改固有流
量特性。

了解阀门固有特性是有用的，但是为了
进行过程优化，更加重要的特性是整个
过程包括回路里的阀门和所有其它设备
的安装流量特性。安装流量特性定义
为：当阀门安装在一个特定的系统里且
通过阀门的压降允许自然地改变而不是
设为恒定时，流经阀门的流量与阀门组
件输入之间的关系。这种安装流量特性
的一个示例表示在图 2-5 上方的曲线里。
在这个图里，流量与让人更加熟知的阀
门行程而不是阀门组件的输入联系了起
来。

2.1.4.1 安装增益

示于图 2-5 下方的曲线里的安装增益，
是上面曲线在每一点的斜率的曲线。在
实验室里，让整个回路在某些额定设定
点下工作且不受负载扰动影响，就可以
获得像这样的安装流量特性曲线。回路
置于手动操作状态，随着控制阀组件被
手动输入驱动通过它的全行程范围，测
量并记录流量的变化。测量结果画成曲
线就是示于图 2-5 上面部分的安装流量
特性曲线。然后，求解该曲线上每一个
点的斜率，并把它们画成如图 2-5 下面
部分所示的安装增益曲线。

38

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

安装过程增益的现场测量也可以通过利
用开环阶跃测试在一个单独的操作点上
进行（图 2-3）。在任何操作条件下的
安装过程增益仅仅是输出（流量）的百
分比改变与阀门组件输入信号的百分比
改变的比值。

通过各种各样的阀门内件型式来特性化
固有阀门增益的原因是为了给回路里其
它增益的改变提供补偿。最终目标是维
持一个在整个工作范围内合理稳定的回
路增益，为工艺过程保持一个相对线性
的安装流量特性。由于其如上所定义的
测量方法，图 2-5 所示安装流量特性和
安装增益实际上是整个过程的安装流量
特性和安装增益。

通常，控制装置的增益会随着流量的变
化而变化。例如，一个压力容器的增益
趋向于随着输出增加而减小。在这个例
子里，过程控制工程师可能会使用一个
等百分比的阀门。它有一个随着流量的
增加而增加的增益。理想情况下，这两
种反向的关系应该能够达到平衡以为整
个工艺过程提供一个比较线性的安装流
量特性。

2.1.4.2 回路增益

理论上，在某一设定点的流体工况下，
一个回路已经被调整到最优性能状态。
随着流量在该设定点附近变化，理想的
情况是保持回路增益尽可能地恒定，以
维持最佳性能状态。如果由于固有阀门
特性而产生的回路增益变化不能精确地
补偿被控制装置的变化的增益，那么，
由于安装过程增益的偏差，回路增益也
将产生一个偏差，结果是过程优化变得
越来越困难。也有这样一个危险：回路
增益可能会改变得足以引起不稳定、振
荡、或其它动态问题。

回路增益变化不应该超过 4:1 的比例，
否则，回路的动态性能会受到无法接受
的影响。这个特殊的比例没有什么神奇
之处。只不过许多过程控制的实践者们
都认同这是一个能在大多数的过程控制
回路里产生可被接受的增益范围的比
例。

这一指导原则成为下面的 EnTech 增益
限制指标的基础

标”，3.0 版，
制公司，加拿大安大略省多伦多）

（选自“控制阀动态指

1998 年 11 月，EnTech 控

：

1000

800

流量

Flow

增益

600

400

200

0

3

2

1

安装增益

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(gpm)

(gpm)

Gain

（% 流量/%

(% Flow /

输入）

% Input)

图 2.5安装流量特性和增益

安装特性

Valve Travel (%)

阀门行程 (%)

控制范围

EnTec 增益

指标

39

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

Installed Flow Characteristic and Gain

回路过程增益 = 1.0（变送器量程的百
分比）÷（控制器输出的百分比）

标称范围：0.5-2.0
（注：4:1 的比例）

应注意这个回路过程的定义包括除了控
制器之外的回路配置里的所有装置。换
言之，诸如控制阀组件、热交换器、压
力容器、或其它被控制的系统、泵、变
送器等类的装置的增益总和就是过程增
益。由于阀门是这里所定义的回路过程
的一部分，因此重要的是选择一种阀门
类型和口径，它会产生一种线性的安装
流量特性，足以在系统的工作范围内保
持在指定的增益限制范围内。如果控制
阀本身产生太大的增益变化，就会给控
制器的调整提供较小的灵活性。把尽可
能多的回路增益留给控制器是一种良好
的工程实践。

尽管 4:1 的回路增益改变比例被广泛接
受，但并非每一个人都同意这个 0.5-2.0
的增益。一些行业专家已经提出使用

0.2-0.8 的回路过程增益限制的事例，这
仍然是 4:1 的比例。使用这种较小的增
益范围的固有潜在危险是这个增益范围

的下限可能会在正常工作期间使阀门产
生很大的摆动。良好的工作实践是把阀
门摆动控制在 5% 以下。但是让增益太
大也有危险。如果在行程的某一点处，
回路增益变得太高，回路可能会产生振
荡或甚至变得不稳定。为了确保在一个
宽广的工作条件范围内有良好的动态性
能和回路稳定性，行业专家们推荐回路
设备应该精心设计制造，以保证过程增
益仍然处于 0.5-2.0 的范围内。

2.1.4.3 过程优化

过程优化要求所选择的阀门类型和口径
在最大可能的工作条件范围内能把过程
增益控制在选定的增益限制范围内。由
于减小过程偏差度是如此地依赖于维持
一个统一的安装增益，因此，在能够接
受的增益指标限制范围内，一个阀门可
以工作的范围被称为阀门的控制范围。

一个阀门的控制范围会随着阀门类型而
有很大的变化。图 2-6 表示一个与管线
等口径的蝶阀跟一个与管线等口径的直
通阀相比较的情况。直通阀比蝶阀有更
加宽的控制范围。其它阀门类型，
如：V 形

切口球阀和偏心球塞阀通常位

于这两个范围之间的某处。

1000

800

流量

Flow

(gpm)

增益

Gain

600

400

200

0

3

2

1

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(gpm)

（% 流量/%

(% Flow /

输入）

% Input)

图 2.6 阀门类型对于控制范围的影响

40

蝶阀

蝶阀

直通阀

直通阀

阀门行程 (%)

Valve Travel (%)

安装特性

安装增益

EnTec 增益指

标

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

因为蝶阀通常有最窄的控制范围，所以
它们通常最适合于负载固定的应用场
合。另外，它们必须经过仔细计算，以
便在固定负载处取得最优性能。

如果所选阀门的固有特性可以精确地补
偿随流量产生的系统增益的变化，人们
就会希望安装过程增益（下面的曲线）
最后是一条数值为 1.0 的直线。

不幸的是，由于在提供无限数量的固有
阀门内件特性方面的物理限制，这样一
种精确的增益吻合几乎不可能实现。另
外，有些阀门类型，如蝶阀和球阀，不
提供可以轻易改变阀门固有特性的多种
内件选项。

这种情况可以通过在阀门设定点和位置
之间采用非线性缩放得到改善。这种技
术通过以下方式重新校准阀门输入信
号：接受线性控制器信号，并使用预先
编辑好的数值表以产生所需的阀门输
入，从而获得理想的阀门特性。这种技
术有时候称为前向通道或设定点的特性
化。

由于这种特性化在定位器反馈回路之外
进行，它避免了定位器回路增益变化的
问题。然而，这个方法也有它的动态局
限性。例如，在阀门工作范围内，可能
有这样的区域：1.0% 的过程信号改变也
许会通过这种特性化过程被减小到对阀
门的只有 0.1% 的信号改变（那就是位
于特性化曲线的平坦区域）。许多控制
阀不能对这样小的信号改变作出响应。

当要求的流量特性是通过改变阀门内
件，而不是使用非线性特性化取得的时
候，过程性能表现最佳。正确地选择一
个控制阀以在系统的操作范围内产生比
较线性的安装流量特性是确保最优过程
性能的一个关键步骤。

2.1.5 阀门选型

在试图通过减小过程偏差度来优化过程
性能的时候，有时会出现阀门口径选得
太大的情况。这是由于使用与管线等径
的阀门引起的，尤其是使用大流通能力

的旋转阀、以及在过程设计的不同阶段
保守地加入多个安全系数。

阀门口径选得太大会从两个方面影响过
程偏差度。第一，口径太大的阀门把太
多的增益放在阀门上，而给控制器的调
整留下较小的灵活性。最佳性能仅会在
大部分的回路增益由控制器产生时出
现。

请注意在图 2-5 的增益曲线里面，过程
增益在低于约 25% 的阀门行程区域里变
得非常高。如果阀门口径太大，会使得
阀门更有可能在或接近这个区域工作。
这个很高的增益可能意味着控制器的增
益需要减小以避免回路的不稳定问题。
当然，这就意味着以过程偏差度增加为
代价。

口径太大的阀门影响过程偏差度的第二
个方面是一个口径太大的阀门有可能频
繁地在阀门的较小开度下工作。在阀门
的较小开度处，密封件的摩擦力比较
大，尤其是在旋转阀里。由于一个口径
太大的阀门对于一个给定的阀门行程增
量会产生一个不成比例地大的流量改
变，这个现象会大幅增加由于摩擦力引
起的与死区有关的过程偏差度。

不考虑它的实际固有阀门特性，一个超
大口径的阀门趋向于像快开阀门一样地
动作，这会在较小的开度区域（图 2-5）
引起很高的安装过程增益。另外，阀门
口径选得太大，阀门趋向于在相对低的
行程处就达到系统的流通能力，使得流
量曲线在较高的阀门行程处变得更加平
坦（图 2-5）。对于超过 50 开度的阀门
行程，这个阀门对于过程控制而言已经
变得无效了，因为过程增益接近零，并
且阀门行程的很大变化只会引起流量的
微小变化。结果是在这些区域根本没有
希望取得可以接受的过程偏差度。

图 2-5 所示的阀门被错误地用在该应用
场合，因为它有一个很窄的控制范围（
约 25% 至 45%）。这个情况是因为选择
了一个与管线等径的蝶阀而引起的，选
择此阀门的主要原因是它的低成本，而

41

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

且没有考虑到控制阀的低劣动态性能会
牺性过程偏差度从而引起利润损失。

不幸的是，这种情况经常重复。过程控
制研究表明，对于某些工业，目前在过
程控制回路里的大多数阀门相对于它们
的应用工况都选得太大。这可能看起来
是违反直觉的。但是通常具有经济意义
的是根据目前的工况选择一个控制阀，
然后当工况改变时更换这个阀门。

选择一个阀门的时候，重要的是考虑阀
门的类型、固有特性、以及可以为该应
用场合提供控制范围尽可能宽的阀门口
径。

请参见第五章以了解有关阀门选型的更
多信息。



2.2 经济效果

考虑本章讨论的因素会对一个过程工厂
的经济效果产生很大的影响。越来越多
的控制阀用户把注意力集中在动态性能
参数上，如死区、响应时间和安装增益
（在实际过程负载条件下），作为一种
改善过程回路性能的方法。尽管在开环
回路情况下测量大部分的这些动态性能
参数是可能的，但是只有当测量闭环回
路的性能时，这些参数产生的影响才会
变得清楚。图 2-7 所示的闭环回路测试
结果表明在不同的整定条件下，三个不
同阀门减小过程偏差度的能力。

这个图以百分比设定点变量对闭环回路
时间常数—回路整定的一种测量方式绘
制出过程偏差度。

标有“手动”的水平线表示不试图控制
它（开环回路）时，回路里存在多大的
偏差度。向左边倾斜标有“最小偏差
度”的线代表计算得出的一个理想阀门
组件（没有非线性度）的动态性能，所
有实际阀门组件通常应该处于这两种情
况之间。

不是所有的阀门都能提供相同的动态性
能，尽管它们理论上满足静态性能购买
指标，并且被认为是差不多的阀门（图

2-7）。图 2-7 中的阀门 A 在一个很宽的
控制器整定范围内很好地跟随最小偏差
度线。这个阀门表现出非常好的动态性
能，有最小的偏差度。形成对比的是，
阀门 B 和 C 表现较差，而且随着系统整
定得更快以减小闭环回路时间常数，其
偏差度会增加。

所有三种阀门类型都能够控制过程并减
小偏差度，但是其中的两种表现较差。
如果表现较差的阀门 B 被表现最好的阀
门 A 替换，且系统的闭环回路时间常数
被调整到 2.0 秒，想想会发生什么。

测试数据表明这会引起 1.4% 的过程偏
差的改善。虽然这可能看起来不是很
大，但是长时间的结果是令人印象深刻
的。一个每一天每一秒都能得到这种改
善的阀门在仅仅一年之内就能节约大量
的金钱。

这个例子中良好阀门的优良性能强有力
地证明了一个超乎寻常的控制阀组件能
够产生非常显著的经济效果。这个例子
仅仅是阀门通过更加严格的控制能够增
加利润的一个方面。减少能源成本、增
加产出、减少超标产品的重新加工成本
等都是一个良好的控制阀通过更加严格
的控制来增加经济效果的全部方式。对
于最好的控制阀，最初的成本也许比较
高，但是花费在制造精良的控制阀上的
少量的额外成本能够大幅增加投资回
报。通常，阀门的最初的额外成本可以
在几天的时间内得到补偿。

因此，过程工业已经越来越意识到控制
阀组件在回路/装置

/厂的性能方面扮演
着重要的角色。它们也已经认识到传统
的指定一个阀门组件的方法，再也不足
以确保能够取得过程优化的好处。像流
通能力、泄漏量、材料适应性和标准性
能数据这样的静态性能指标，尽管重
要，但是不足以处理过程控制回路的动
态特性。



42

控制阀手册 | 第二章 控制阀的性能

4 英寸阀门在 4 英寸的测试回路里以流量为 600 加仑/分钟时进行测试

6

5

4

Variability,

偏差度，

2

2 σ/µ

(%)

3

2

1

快速整定

0

(%)

图 2.7 闭环回路随机负载扰动概括

4” Valves Tested at 600 gpm in 4” Test Loop

手动

自动

1 10

闭环回路时间常数，λ（秒）

Closed -Loop Time Constant, (seconds)

2.3 概括

控制阀组件在取得控制回路的可能最佳
性能方面扮演着极其重要的角色。过程
优化意味着优化整个过程，而不仅仅是
用在控制室设备上的控制算法。阀门被
称为终端控制元件，因为控制阀组件是
过程控制被执行的地方。如果建立一个
复杂的过程控制策略，并安装能够取得

0.5% 或更好的过程控制的硬件仪表系
统，却用一个 5% 或更差的控制阀来执
行那个控制策略，那么这将毫无意义。
对几千个过程回路进行的审计已经强有
力地证明了终端控制元件在取得真正的
过程优化方面扮演着非常重要的角色。
当一个控制阀是为其应用场合而精心设
计制造时，工厂的盈利能力会增加。

控制阀是复杂的高科技产品，不应该被
当作一般商品处理。尽管传统的阀门技
术规格起着重要的作用，但是如果要取
得真正的过程优化，阀门技术规格必须
也能够解决真正的动态性能特性问题。
重要的是这些技术规格应该包括诸如：

阀门 A
阀门 B
阀门 C

最小偏差度

慢速整定

死区、时滞时间、响应时间等之类的参
数。

最后，过程优化随着整个回路的优化而
开始和结束。回路里的元件不能被单独
地处理以取得协调回路性能的目的。类
似地，回路里的任何单个元件的性能也
不能被孤立地评估。在没有负载的标准
条件下进行的孤立测试不会提供在实际
过程条件下测试硬件所得到的性能信



息。

43

第三章

阀门和执行机构类型

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

3.1 控制阀类型

阀门截流元件的位置随着执行机构提供
的力的改变而改变，从而调节控制阀流
体的流量。为了实现调节的功能，阀门
必须：



承载流体而没有外部泄漏，



针对应用工况有足够的流通能力，



能够承受过程里的冲蚀性、腐蚀性
和温度的影响，



具有相应的连接端型式以与相邻的
管道相配合，并建立执行机构连接
方式以使得执行机构推力传递给阀
芯连接杆或旋转阀轴。

多年来已经推出了很多类型的控制阀
体。有些用途广泛，其它一些则满足特
殊的工况条件，所以不经常使用。以下
概括介绍了一些今天仍然在使用的常见
的控制阀体类型。

3.1.1 直通式阀

3.1.1.1 单阀座阀体



单阀座阀体是最常见的阀体类型，
而且结构简单。



单阀座阀门有各种各样的形式，如
直通式、角形、棒形、锻造式和分
体式结构。



很多单座阀体采用阀笼或保持架式
的结构以固定阀座环，提供阀芯导
向，并提供一种建立阀门流量特性
的方法。



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
被调整，以实现减小流通能力、降
低噪声、减少或消除气蚀的目的。



角形阀大多是单阀座的（图 3-1）。常
常用于锅炉给水、加热器疏水工
况、以及空间有限且也可以被用作
弯管的管道连接处。图示的阀门采
用阀笼式结构。其它阀门可能采用
扩口的连接端、限流内件或出口内



衬、以及带内衬的出口端，以减少
冲刷性、冲蚀性或气蚀破坏。

图 3.1 法兰连接角形控制阀体



合金阀体通常被指定用于化学工业
里的腐蚀性应用场合（图 3-2）。它
们可由任何金属棒形材料、铸件或
锻件加工而成。当抵抗腐蚀需要稀
有金属合金时，一个棒材加工的阀
体通常比一个铸造阀体更加便宜。
也可以使用具有聚合物衬里的阀
门。



高压阀通常用于碳氢化合物和电力
行业，可提供 CL4500 或 AP
规格。这些阀门可以是直通阀或角
形阀，通常具有可选的专用阀内
件，适用于严苛工况应用。



高压单阀座直通式阀通常用于气体
和石油的加工生产。可提供的选项
包括阀体与阀盖间的螺栓式连接、
以及自排放角形阀体。压力额定值
高达 ANSI 2500 的法兰形式也可提
供。

I 10000

45

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

图 3.2 棒形阀体

3.1.1.2 后导向和阀口导向阀体



通常，此类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
合材料组成密封的软阀座。此类阀
门能够满足大部分的工况要求。



由于高压流体通常把负载加在阀口
的整个区域，因此在为此类控制阀
体选择执行机构时必须考虑产生的
不平衡力。



尽管较小口径最常用，但是它们也
经常有 4 英寸至 8 英寸 (DN 100-200)
的口径，配备大推力的执行机构。



它们易受高压降振动的影响，因此
设计时需要注意以避免这种情况。

图 3.3.单阀座直通阀阀体

图 3-3 展示了其中一种常用的后导向直
通式控制阀体类型。它们广泛用于过程
控制场合，尤其是口径为 1 英寸至 4 英
寸 (DN 20-100) 的单座阀。

正常流向通常是向上通过阀座环。

3.1.1.3 阀笼式阀体

阀笼式阀内件（图 3.4）提供阀芯导向，
固定阀座环，改变流量特性等功能。

46

图 3.4 配备阀笼式阀内件，平衡式阀芯和软阀座
的阀体

另外，位于阀芯外径上部和阀笼缸体之
间的各种材料和样式的密封实际上消除
了上游高压流体进入低压下游系统的泄
漏。在这种平衡式设计中，下游压力同
时作用在阀芯的顶和底部，因此消除了

大部分的静态不平衡力。减少不平衡力
可以使阀门配备比传统的单阀座阀体更
加小的执行机构。阀内件的可替换性允
许选择多种流量特性、降低噪声、抵抗
气蚀或其他严苛工况的部件。对于大部
分可以提供的阀内件形式，标准的流向
是通过阀笼的开口并向下通过阀座环。
然而，降低噪声阀内件通常向上流动。
这些阀体有各种各样的材料组合，口径
大至 36 英寸 (DN 900)，压力额定值高
达 4500 或

AP

I 10000。

3.1.1.4 双阀座阀体



目前，控制阀行业显著地摒弃了双
阀座阀门设计。



流体趋向于打开一个阀座，并同时
关闭另外一个阀座，因此阀芯上的
动态力总体趋于平衡。。



相对于具有类似流通能力的单阀座
非平衡阀体，减少作用在阀芯上的
动态力可以选择一个更小的执行机
构。



阀体通常只有 4 英寸 (DN 100) 或更
大的尺寸。



阀体通常比同等口径的单阀座阀体
有更大的流通能力。



很多双阀座阀体都可以反向，因此
阀芯可以安装成向下推打开或向下
推关闭的作用方式（图 3-5）。



尽管 III 级关断能力也可以实现，但
金属对金属阀座通常只提供 II 级关断
能力。



阀座导向的阀芯通常用于开/关或低
压调节工况。顶/底导向式阀芯为恶
劣工况条件提供非常稳定的操作。

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

图 3.5 反作用双口直通阀体

图 3-5 所示的控制阀体是为向下推打开
阀芯的作用方式而组装的。

双阀座阀体结构常用于炼油厂里以控制
高粘度流体，或者担心有颗粒、污染
物、或阀内件上有流体积圬的场合。

3.1.1.5 三通阀体



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。



可选项包括针对高温工况的阀笼导
向、阀座导向和阀杆导向结构。为
了与大部分的管道连接相配合，可
以指定标准的连接端（法兰、螺
纹、对焊等）。



执行机构的选择需要仔细的考虑，
尤其是对于配备不平衡阀芯的结
构。

图 3-6 所示的是配备圆柱形平衡阀芯的
三通阀体在中间行程位置的示意图。这
个位置打开时，从底下的共同口至右边
的口并关闭左边的口。这种结构可以用
于合流或分流的中间行程位置的调节式
控制。

47

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

图 3.6 三通直通阀

3.1.2 卫生级阀门

卫生级控制阀适用于要求严苛的制药和
生物技术行业，这些行业的设计标准与
适用于传统控制阀设计的标准不同，因
为在许多应用场合中，过程流体最终将
供人类使用。因此，最重要的是防止过
程流体中生长细菌或出现异物。



在这些阀门中已经整合了 ASME-BPE
直行程和非直行程密封件，以满足
广泛的无菌应用场合。此类阀门已
取得相关证书。



这些阀门中使用的金属材料符合 3A
卫生标准。此类阀门已取得相关证
书。



这些阀门设计中使用的弹性元件已
通过 FDA 和 USP CL VI 认证。



此类阀门标配 <35 Ra 微英寸（0.89
微米）电抛光内表面。另提供更多
表面粗糙度更低的阀门型号。



自排放设计的阀门非常适用于就地
清洁 (CIP) 和就地灭菌 (SIP) 的应用。



阀门采用 316L 不锈钢材料机加工制
成，带卡箍式或可选的对接焊端。
另可提供其他材料制成的阀门。



可以承受温度高达 177°C (350°F) 的
连续无菌蒸汽应用场合。

3.1.3 旋转阀

3.1.3.1 蝶阀阀体



阀体需要的安装空间最小（图 3-7）。



流经阀门时压力损失小。



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。



阀体可配合标准的 ASME 和 DN 凸面
管道法兰。



如果阀门很大或压降很高，蝶阀阀
体可能需要高输出或大型的执行机
构，这是因为操作力矩可能会很
大。



蝶阀可用于对泄漏等级有极其严格
要求的核电厂应用工况。



标准蝶阀有最大至 72 英寸 (DN 1800)
的口径，可用于其它控制阀应用场
合。较小口径的蝶阀可以使用传统
的气动膜片或活塞执行机构，包括
现代的旋转式执行机构。较大口径
的蝶阀可能需要高输出的电动、长
行程气缸式执行机构或电动液压执
行机构。蝶阀展示出近似等百分比
的流量特性。它们可以用于调节或
开关式控制。

图 3.7 蝶形控制阀

3.1.3.2 截球体球阀

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

48

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

口（图 3-8）。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
断能力。造纸工业、化工厂、污水处理
工厂、电力工业和石化炼油工厂广泛使
用这种阀体。



直流通式结构产生很小的压降。



V 形切口球控制阀体适合于冲蚀性或
粘滞性流体、纸浆或其它包含混合
固体或纤维的浆料流体。

图 3.8 部分 V 形切口球



采用标准的弹簧-膜片、活塞、电动
或电-液旋转式执行机构。



球在旋转的时候仍然与密封接触。
随着球的关闭，这会产生一种剪切
效果，以而使阻塞降至最低。



阀体可配备重负荷或充填 PTFE 复合
材料的球密封环，以提供优良的超
过 300:1 的可调比。



截球体控制阀有无法兰或带法兰连
接端。



带法兰或无法兰阀门可以与 ASM E
150、300 或 600

的法兰配对。另提

供适于 DN 法兰 PN10、16、25 或

40 的结构。也提供 JI

S 10K 和 20K 法

兰设计。

3.1.3.3 高性能蝶阀体



阀体提供有效的调节式控制。



高性能蝶形控制阀体在 90 度的阀板
旋转角度内提供线性的流量特性
（图 3.9）。



在阀板开始打开后，阀板双偏心结
构把阀板拉离密封，从而把密封磨
损减少至最小。



高性能蝶形控制阀体有最高至 24 英
寸 (DN 600) 的口径，可配合标准的
ASME 法兰。

图 3.9 高性能蝶形控制阀



它们使用标准的弹簧-膜片、活塞、
电动或电-液旋转式执行机构。



标准流向取决于密封结构。反向流
会产生较小的流通能力。

高性能蝶形控制阀是为不需要精确的调
节式控制的普通工况而设计的。由于比
其它类型的控制阀相对低的成本，它们
经常用在要求大口径和高温度的场合。
这类阀门的控制范围大约是球阀或直通
阀的三分之一。因此，在选型以及使用
这类阀门来解决与过程工况变化有关的
控制问题的时候需要格外小心。这些阀
门在恒定的过程工况下可以工作得很
好。使用特性轮廓的设计能够将控制范
围扩展到 V 型球阀或截球体球阀的控制
范围。

3.1.3.4 偏心旋塞阀体



该阀门组件为抵抗冲蚀性而设计。
坚固的阀体和阀内件结构能处理高
达 427°C (800°F) 的温度和

1500 Psi

(103 bar) 的关断压降。



偏心球塞的偏心轨道在球塞打开时会
把它与阀座环的接触减至最小，从而
减少阀座磨损和摩擦力，延长阀座寿
命，并改善调节性能（图 3.10）。

49

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型



自对中阀座环和坚固的球塞可提供
正向或反向流向上的严密关断。在
为抗冲蚀选型时，球塞、阀座环和
阀座压环可采用硬化材质，包括陶
瓷。



为最优耐冲蚀性能选型时，球塞、
阀座环和阀座压环可采用硬化材
质，包括陶瓷和碳化物。



为了满足较高流通能力的需要，也
可提供部分 V 形切口球以替换球塞
的结构。

这类旋转式控制阀适用于冲蚀性、焦化
和其它难处理流体，提供调节式或开关
式操作。这些带法兰或不带法兰的阀门
具有流线型通道和坚固的金属阀内件部
件的特点，可以提供浆料应用场合的值
得信赖的控制。冶金、石化提炼、电力
以及纸浆与造纸工业也使用这些阀门。



图 3.10 偏心旋塞控制阀体

3.1.3.5全通径球阀体

全通径球形控制阀专为优化压力、调
节、流量和过程控制而设计。通常，可
以选择衰减来控制噪声和振动。理想情
况下，用作调节控制装置的球阀最好是
缩径产品，或具有衰减器（其在全开位
置吸收一些小的压降）的全孔机构。处
于全开位置的全通径球阀必须旋转 15
至 20

度才能吸收系统中的任何重要能
量，而这种能量又关系到额外的过程控
制滞后。减径孔或衰减装置吸收少量全
开压力；当球旋转时，增加在第一行程

增量中发生的压降。全通径球阀对流量
的限制很小或没有限制，并且支持清管
（当没有配置衰减器时）。见图 3.11。

图 3.11 全通径球形控制阀

3.1.3.6 多口流量选择阀

多口流量选择阀连接到八条输入管路，
允许通过旋转阀芯对来自任何单独管路
的流体进行隔离、分流和测试，而其余
七条管路继续流向公共组出口。该阀门
可以在不影响所有其他管路的生产的情
况下，对来自单个管路的流体进行紧凑
的选择和分流。

多口流量选择阀由四个主要部件组成：
阀体、阀盖、旋转式阀芯和执行机构。
阀体由入口和出口组成，用于连接所有
八个入口，一个测试或分流出口，以及
公共组出口。阀盖将使阀芯保持垂直，
在阀体内平衡旋转，并为阀体提供紧密
密封。阀芯用于选择流经测试出口的介
质口。见图 3.12。

50

图 3.12 多口流量选择阀

Ring-Type Joint

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

端。

平面 凸面

环形接合面

图 3.13 各种常用的螺栓紧固法兰连接形式

3.2 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。

3.2.1 旋入式管螺纹

小型控制阀常用螺纹端连接，这种连接
方式比法兰端连接更具经济性。通常指
定的螺纹是阀体上的锥管内螺纹 NPT（美
国国家管道螺纹）。它们通过与管道端
上配对的外螺纹相接合形成金属对金属
的密封。

这种连接形式通常限制于不大于 2 英寸
(DN 50) 的阀门，不推荐用于高温工况。
如果必须把阀体从管线拆下，阀门的维
护可能很复杂，因为不断开法兰接合或
联接处使阀体旋出管道，就不能把阀门
取走。

3.2.2 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（图 3.13）。法兰连接端可以用
于从接近绝对零度(-273°C) 至约
(1500°F) 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、凸面和环型接合面法兰连接

815°C

全平面型允许配对法兰与夹持在法兰之
间的垫片全面积地接触。这种结构常用
于低压、铸铁和铜体阀门，可以减少由
初始螺栓连接力引起的法兰应力。

凸面法兰有一个圆形凸面，其内部直径
与阀门开口相等，其外径略小于螺孔中
心圆直径。凸面上加工有同心圆槽，以
获得良好的密封并防止垫片被吹出。这
种法兰可以配合各种各样的垫片材料和
法兰材质，用于最高达 6000 Psig (414

bar) 的压力和最高至

815°C (1500°F)

的温度。这种法兰连接通常是 ANSI 250
的铸铁阀体以及所有钢和合金钢阀体的
标准连接方式。

环形接合面法兰看上去像凸面法兰，区
别在于其在凸面上切有一个与阀门开口
同心的 U 形槽。垫片由一个带椭圆形
或八边形截面的金属环组成。当法兰螺
栓旋紧时，垫片被压入配对法兰的 U 形
槽，严密的密封就形成了。垫片通常是
软铁，但是也可以使用其他任何金属。
这是一种在高压力下的优良连接，可用
于高达 15000 Psig (1034 bar) 的压力，
但通常不可用于高温工况。只有钢或合
金阀体在指定时才提供这种连接端形
式。

51

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

3.2.3 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（图 3.14）。然而采用焊接端连接的
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：承插焊和对焊。

承插焊连接端

Butt Weld-Ends

对焊连接端

图 3.14 常用的焊接连接端

承插焊连接端的准备工序是在阀门的每
一端钻削一个内径比管道外径稍大的插
孔。管道滑入该套孔，在套孔里与轴肩
对接，然后借助角焊缝与阀门接合。由
于角焊缝没有完全穿透阀门管道连接，
因此有些无损探伤不适用于这些阀门。
不管管道壁厚，一个给定口径的承插焊
连接端在外形尺寸上都是一样的。承插
焊通常用于最大 2 英寸 (DN 50) 的阀
门。

对焊连接端的准备工序是在阀门的每一
端削出一个倒角，来与管道上的一个类
似的倒角相匹配。然后阀门的两端与管
道对接，并用全穿透焊联接起来。此类
连接可用于所有阀门类型，连接端的准
备工序一定会因为管道壁厚而不尽相
同，它们通常与 2-1/2 英寸 (DN 65) 和更
大口径的阀门一起提供。把阀门焊入管
线时必须小心谨慎，防止过热传导给阀
门内件零件。低温复合材料的阀内件在
焊接前必须取走。

3.2.4 其他阀门连接端

控制阀还有其他类型的连接端。这些类
型的连接端通常用于特定目的或满足专
有设计。示例包括卫生级连接端或阀轴
连接端。



3.3 阀体阀盖

控制阀的阀盖是阀体组件的一个零件，
阀芯连接杆或旋转阀轴通过它而运动。
在直通式或角形阀体上，它是阀体一端
承受压力的部件。阀盖通常用于连接执
行机构到阀体上，并配有填料函。

通常旋转阀没有阀盖。（在有些旋转式
阀门里，填料包含在阀体本身的延长部
分里，或者填料是用螺栓连接在阀体和
阀盖之间的一个独立部件。）

图 3.15 典型的阀盖、法兰和螺栓连接

在一个典型的直通式控制阀上，阀盖由
与阀体相同的材料或者一种等效的锻造
材料制成。因为阀盖是一种承受压力的
元件，其承受与阀体相同的温度和腐蚀
性影响。下面介绍几种阀体与阀盖的连
接方式。最常用的是螺栓连接法兰式，
如图 3.15 表示一个带集成式法兰的阀
盖。在旋转式控制阀中，填料通常包含
在阀体里且没有使用阀盖。

在配备阀笼式或压环式阀内件的控制阀
上，阀盖提供负载力，以防止阀盖法兰
与阀体之间以及阀座环与阀体之间的泄
漏。旋紧阀体与阀盖之间的螺栓会压缩

52

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

扁平垫片以密封阀体与阀盖之间的接合
面，会压缩阀笼顶部的螺旋缠绕垫片，
还会压缩阀座环下面的扁平垫片以提供
阀座环与阀体之间的密封。阀盖也为阀
笼提供对中配合，这种对中配合进一步
给阀芯提供导向，确保阀门、阀芯连接
杆与填料和阀座之间的正确的对中配
合。

正如上面所提到过的，一个直通式控制
阀上的普通阀盖包含填料。填料通常被
填料压盖压紧，填料压盖则由阀盖的支
架凸台上面的法兰压紧到位（图 3.15）。
另外一种填料保持方法是填料压盖被一
个螺纹式压盖压紧到位。这种方法体积
很小，所以经常用于小型控制阀。然
而，用户总是对螺纹连接不放心。因
此，当控制阀正在工作时，在调整填料
压缩量时应谨慎小心。

大部分的螺栓连接法兰式阀盖在填料函
的一边有一个被钻孔并冲平的区域。这
个开孔用一个标准管塞堵上，除非存在
下面的一种情况：



有必要清洗带有工艺流体的阀体和
阀盖。在这种情况下，这个开孔可
以用作清洗连接口。



该阀盖开孔通常被用来检测第一套
填料或一个有故障的波纹管密封的
泄漏。

3.3.1 伸长型阀盖

伸长型阀盖用于高温或低温工况以保护
阀杆填料免受极端温度的影响。标准
的 PTFE
(450°F) 的大部分应用场合，伸长型阀盖
把阀盖里的填料函移至离极限过程温度
足够远的地方，这样填料温度仍然保持
在推荐范围内。

伸长型阀盖通常是铸造的或者装配式的
（图 3.16）。铸造伸长型提供更好的高
温适应性，因为较大的热发散性具有更
好的冷却效果。相反地，带光滑表面的
阀盖如由不锈钢管装配而成的，则更适
合低温工况，因为在此工况下，热流动

阀杆填料可用于最高至 232°C

通常是主要的考虑因素。

图 3.16 配备装配式伸长型阀盖的阀体

在任何一种情况下，伸长部分的壁厚都
会减至最小以减少热传递。不锈钢由于
其较低的热传导系数通常优于碳钢。在
低温工况场合，可以在伸长部分周围增
加绝缘体以进一步防止热流动。

3.3.2 波纹管密封型阀盖

阀杆周围不允许有泄漏（小于 1x10-6 cc/
秒的氦气）时，可以使用波纹管密封阀
盖（图 3.17）。当工艺流体是有毒的、
具有挥发性的、放射性的或极其昂贵
时，常常采用波纹管密封阀盖。这种特
殊的阀盖结构保护阀杆和阀门填料避免
与工艺流体接触。波纹管密封元件上配
置的标准或环保填料函结构会防止万一
波纹管破裂或失效时产生的灾难性后
果。

53

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

图 3.17 ENVIRO-SEAL 波纹管密封型阀盖

正如受到其它的控制阀压力和温度限制
一样，波纹管密封的压力额定值也会随
着温度的增加而减小。波纹管密封型式
的选择应予仔细考虑，在安装之后应特
别注意正确的观察和维护。波纹管材料
应予仔细维护以确保最长的循环动作寿
命。

有两种波纹管密封结构可以用于控制
阀。它们是焊接片和机械成形波纹管。

焊接片式结构（图 3.18）的总体组件高
度比较矮，由于其制造方法和内在结
构，使用寿命可能是有限的。

图 3.19 机械成形的波纹管

3.4 控制阀填料

大部分的控制阀使用带填料的填料函。
填料通过法兰和双头螺栓来定位和调整
（图 3.26）。可以使用多种填料材料，
具体取决于要求的工况条件以及应用场
合是否需要遵守环境法规。在下文，几
种常用的材料后面有简单的说明和关于
工况条件的指导。典型的填料材料的排
列示于图 3.20。

3.4.1 PTFE V 形环



本身能够减小摩擦力的塑料材料。



模压成 V 形环。V 形环在填料函里是
弹簧加载且自我调整的。不需要填
料润滑。



对于大部分已知的化学品具有良好
的耐腐蚀性，除了熔融碱性金属。



需要极其光滑（2 至 4 微英寸 RMS）
的阀杆粗糙度以正确地密封。如果
阀杆或填料表面被损坏，会产生介
质泄漏。



推荐的温度极限：-40 至 232°C（-40
至 450°F）。



不适合于核工况，因为 PTFE 很容易
被辐射破坏。

图 3.18 焊接片波纹管

机械成形的波纹管（图 3.19）相比起来
比较高。它是通过一个可重复的制造过
程加工而成的，因此性能更加可靠。

54



3.4.2 石墨片和丝



适合于高温核工况或有低氯含量的
场合（GTN 级）。



提供无泄漏操作、高的热传导性和
长久的使用寿命，但是会产生高的

标准 PTFE V 形环 石墨填料的排列

< 2%, 500 ppm

> 2%, 500 ppm

< 1%, 500 ppm

< 0.5%, 500 ppm

Standard TFE V-Ring Graphite Packing Arrangements

1

2

1. 上擦拭圈

2. 填料压盖

3

4

5

6

7

8

9

3. 凹调整圈

4. V 形环

5. 凸调整圈

6. 垫片

7. 弹簧

8. 填料函

9. 下隔离圈

2

单层 双层 排放

Single Double Leak-Off

1

1

2

图 3.20 直通阀体的填料材料的完整排列

< 2%, 500 ppm

每月 LDAR

> 2%, 500 ppm

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

1. 石墨丝环

1. Filament Ring

2. 套环

1

3

1

2

1

3

1

2. Lantern Ring

3. 石墨片环

3. Laminated Ring

如果使用，此
处应为锌垫片
的位置。

每季 LDAR

质量改善计划

> 0.5%, 500 ppm

图 3.21 控制挥发性有机化学物 (VOC) 的阀门的检测频率

阀杆摩擦力以及由此而引起的回差。



可用于大部分的难处理流体，能抵
抗高辐射。



适合的温度范围：低温至 -198°C
(-325°F)。



不需要润滑，但是当填料函温度超
过 427°C (800°F) 时，应该使用一个
伸长型阀盖或钢质支架。

3.4.3 美国关于泄漏排放的法规要求

泄漏排放是由过程设备泄漏引起的非点
源挥发性有机排放。在美国，设备泄漏
估计超过每年 4 亿磅。美国建立的严格
政府法规规定了泄漏检测和修复程序
(LDAR)。阀门和泵被划分为泄漏排放的
主要来源。对于阀门而言，这是由于填

> 1%, 500 ppm

< 1%, 500 ppm

半年 LDAR

< 0.5%, 500 ppm

每年 LDAR

料密封或垫片失效引起的外泄漏。

LDAR 程序要求工业部门在某一时间间
隔监视所有的（控制和非控制）阀门。
这个时间间隔取决于有多少百分比的阀
门被发现有超过 500 ppmv 的泄漏门槛
值（有些城市使用 100 ppmv 的标准）
。这种泄漏水平是如此之小以至于你无
法看见或听见。因此需要使用复杂的手
提监视设备进行检测。检测是通过使用
环境保护机构 (EPA) 的协议来感测阀门
填料区域的泄漏而进行的。这对于工业
部门是一个费用高、且复杂的过程。

该法规允许把监视期延长至一年，前提
是工厂设施能够说明正在泄漏的阀门的
百分比非常低（低于 0.5% 的阀门总数
量）。延长检测频率的机会示于图 3.21。

55

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

填料系统可设计为满足很小的泄漏并能
够延长填料密封寿命和性能以支持每年
一次监视的目标。ENVIRO-SEAL 填料系
统是这种新一代填料密封的一个例子。
增强的密封融入四种关键的设计原理。
它们是用抗挤压元件做成柔性的密封材
料，阀杆或阀轴在阀盖中心的正确配
合，通过碟形弹簧产生恒定的填料应
力，以及把密封环的数量减至最少以减
少整合、摩擦和热膨胀。

传统的阀门选择过程就是根据压力和温
度要求、流量特性以及材料的适应性为
应用场合而选择一个阀门，阀门中使用
何种阀杆填料首先取决于填料函区域的
工作温度。低于 93°C (200°F) 选用

PTEE，

高温应用场合选用石墨。

如今，选择填料系统已经需要考虑更多
的因素。

3.4.4 国际关于泄漏排放的标准

ISO 15848 是国际标准化组织 (ISO) 标
准，用于工业阀门泄漏排放的测量、测
试和鉴定程序。ISO 15848-1 是阀门型
式试验的分类系统和鉴定标准，用于对
不同的泄漏排放设计的性能进行分类，
并定义用于评估和鉴定符合泄漏排放标
准的阀门的型式试验。

型式试验是指在一个阀门和填料系统设
计上进行鉴定试验，并且任何鉴定都会
传递给采用该填料设计生产的所有阀
门。型式试验与 ISO 15848-2 生产试验
不同，后者是在组装时进行的鉴定试
验，可以由多个阀门组件决定。

ISO 15848-1 涵盖了控制阀和隔离（开/
关）阀。两种阀门的机械循环要求不
同，如图 3.22 所示。机械循环在控制阀
50% 行程位置两侧以全行程的
行，而在隔离阀则以全行程执行。

与其他泄漏排放标准一样，ISO 15848-1
规定了一项鉴定试验，其中包括几种泄
漏等级、热循环和机械循环的组
合。ISO 15848-1 与政府要求和美国原
产地标准之间存在若干显著差异，例如

10% 执

LDAR 和

ANSI/FCI 91-1 标准（用于控制

阀杆密封的鉴定）。

阀门类型 机械循环等级

CC1 20,000 2

控制阀

隔离阀

图 3.22 ISO 15848-1 鉴定要求

CC2 60,000 3

CC3 100,000 4

CO1 205 2

CO2 1,500 3

CO3 2,500 4

需要的机械

循环

温度循环

ANSI/FCI 91-1 要求按照“EPA 方法 21”
的“嗅探方法”获取“ppm”浓度读
数，并引用 100ppm 和 500ppm 的各种
循环类别，如图 3.25 所示。

ISO 15848-1 规定了标准附录 A 中描述
的真空或冲洗“总泄漏”测量方法。

泄漏记录为每个测量的阀杆尺寸的泄漏
率。这些方法都不能与“EPA 方法

21”
（嗅探方法）相关联，且 ISO 15848-1
指明当测试流体是氦气时或甲烷时，密
封性类别之间没有相关性。见图 3.23 和
图 3.24。

测得的泄漏率（附录 A）

ISO 15848-1 泄漏

密封性类别

AH < 10

BH < 10

CH < 10

注：泄漏等级 A 通常仅通过波纹管设计实现。

注：泄漏等级可以用“BH”或“
表示测试流体。“H”表示按照泄漏速率法用氦气
进行试验。“M”表示使用 EPA 方法 21 用甲烷进
行试验。

图 3.23 ISO 15848-1 测量的泄漏率

mg.s-1.m-1

的阀杆周长

atm.cm3.s-1.
mm-1 的阀杆

直径

-5

< 1.76x10

-4

< 1.76x10-6

-2

< 1.76x10

BM”等表示，以

-7

-4

56

ISO 15848-1 泄漏

密封性类别

AM < 50ppm

BM < 100ppm

CM < 500ppm

注：泄漏等级 A 通常仅通过波纹管设计实现。

注：泄漏等级可以用“BH”或“
表示测试流体。“H”表示按照泄漏速率法用氦气
进行试验。“M”表示使用 EPA 方法 21 用甲烷进
行试验。

图 3.24 ISO 15848-1 测量的泄漏浓度

测量的泄漏浓度

（附录 B 遵循 EPA 方法 21 的嗅

探方法）

BM”等表示，以

今天，选择填料系统已经需要考虑更多
的因素。

例如，在美国由净化空气行动计划所要
求的泄漏排放要求，以及由 ISO 15848
等国际机构要求的严格的密封性能，对
改进过程输出的不断需求表示阀的填料
系统不应该成为限制阀性能的障碍。另
外，现在维护计划时间的延长要求填料
系统在更长的时间内提供所需的密封。

考虑到工业中阀门的应用和工况千差万
别，这些变量（密封能力、运行摩擦状
况、运行期限）很难定量化并进行比
较。图 3.31 和 3.32 运用工程的途径对
填料的应用和性能作相对的评估。为了
正确理解图，首先应对这些各词有所了
解。

3.4.5 单层 PTFE V 形环填料

单层 PTFE V 形结构是在填料和填料函盖
之间使用圈型弹簧。如果压力不超过 300
psi (20.7 bar)、温度在 -18°C 与 93°C（0°F

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

至 200°F）之间，它能满足 100 ppmv 的
要求。单层 PTFE V 形环填料没有旋转
阀的低排放标准。它提供了良好的密封
性能并具有最低的运行摩擦力。见图

3.26。

图 3.26 单层 PTFE V 形环填料

3.4.6 ENVIRO-SEAL PTFE 填料

ENVIRO-SEAL PTFE 是一种先进的填料系
统，它使用结构紧凑，有效负载弹簧设
计，适用于压力至 750 psi 和温度至 232°C
（51.7 bar 和 450°F）的应用。虽然它被
认为是最典型的减少泄漏排放的填料系
统，但 ENVIRO-SEAL PTFE 填料同样适用
于涉及高温、高压的无环境污染的应
用，无论是直行程阀门和旋转阀，它都
具有使用寿命更长的优点。见图 3.27。

等级

A1 100,000 3 100 ppm

A2 100,000 3 500 ppm

B1 25,000 3 100 ppm

B2 25,000 3 500 ppm

图 3.25 FCI 91-1 泄漏等级摘录

机械循环

（全行程）

热循环

最大阀杆密封泄漏

符合 EPA 方法 21

57

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

Packing
Follower
(Stainless Steel)

Lantern Rings
(Stainless Steel)

Anti-Extrusion Ring
(Filled PTFE)

Packing Ring
(PTFE)

Anti-Extrusion Ring
(Filled PTFE)

Springs
(N07718-Inconel 718)

Anti-Extrusion
Washers

Packing Box Ring
(Stainless Steel)

Anti-Seize Lubricant

Spring Pack Assembly

Guide Bushing

Packing Washer

Guide Bushing

Stud

Packing Nut

Packing Flange

Packing Ring

Packing Ring

Packing Box Ring

弹簧

(N07718-Inconel 718)

抗挤压垫片

填料函环
（不锈钢）

图 3.27 ENVIRO-SEAL PTFE 填料系统

PTFE-Carbon/PTFE

成套 PTFE- 碳/

Packing Set

PTFE 填料

隔套环

Lantern Ring

填料压盖
（不锈钢）

隔套环
（不锈钢）

抗挤压环
（充填 PTFE）

填料环

(PTFE)

抗挤压环
（充填 PTFE）

弹簧组组件

Spring Pack
Assembly

轴套

Bushing

图 3.28 ENVIRO-SEAL 双层（PTFE 和石墨）填料系统

图 3.29 ENVIRO-SEAL 石墨 ULF 填料系统

58

石墨填料环

Graphite
Packing Ring

填料环

Packing Ring

螺柱

填料螺母

填料法兰

填料环

填料环

填料函环

轴套

Bushing

Packing

填料垫片

Washers

轴套

Bushing

防卡润滑剂

弹簧组组件

导向轴套

填料垫片

导向轴套

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

3.4.7 ENVIRO-SEAL 双层填料

这种特殊的填料系统具有 PTFE 和石墨
组件的双重能力，对于过程温度最高至
232°C (450°F) 的直行程阀门应用，可生
成低摩擦、低泄漏排放，满足防火测试
的方案（API 标准
双层填料不适用于旋转阀。见图 3.28。

589

）。ENVIRO-SEAL

3.4.8 ISO-Seal PTFE 填料

该填料系统设计用于超过 ENVIRO-SEAL
PTFE 填料性能的环境压力。它可用于直

行程阀门和旋转阀。

3.4.9 ENVIRO-SEAL 石墨 ULF

这种填料系统设计主要用于超过 232°C
(450°F) 的环保型应用。专利的 ULF
系统在填料环的内侧包含了很薄的
PTFE 层

垫圈。
最小、减少摩擦、提高了密封性能、延
长了填料组件的使用寿命。见图 3.29。

以及在填料环的每侧都有 PTFE

PTFE 的这种专门布置使控制问题

填料

3.4.10 HIGH-SEAL 石墨 ULF

在填料压盖下方使用和 ENVIRO-SEAL 石
墨 ULF 相同的填料系统，HIGH-SEAL 系
统使用重负载，大口径的 Belleville 弹
簧。这些弹簧提供了额外的压盖行程并
可以使用负载刻度进行校正，以提供填
料负载和摩损程度的可视指示。

3.4.11 ISO-Seal 石墨填料

该填料系统设计用于超过 ENVIRO-SEAL
石墨 ULF 填料能力的环境温度。它可在

-46 至 400
使用。它可用于直行程阀门和旋转阀。

°C（-50 至 752°F）的温度下

3.4.12 适用于旋转阀的 ENVIRO­SEAL 石墨填料

ENVIRO-SEAL 石墨填料设计用于温度从

-6°C 至 316°C（20°F 至 600°F）的环

保型应用，或者那些需要防火安全的应
用。它也可以用于压力至 1500 psi (103
bar) 并仍能满足
准。如果在非环保型应用中使用，填料

100 p

pmv EPA 的泄漏标

可在高达 371°C (700°F) 的温度下使用。
见图 3.30。

图 3.30 适用于旋转阀的 ENVIRO-SEAL 石墨填料
系统

3.4.13 适用于旋转阀的石墨带填料

石墨带填料设计用于无环保要求的应
用，具有广泛的使用温度范围，从

-198°C 至 538°C（-325°F 至 1000°F）。

3.4.14 直行程阀门的环保填料的选 择

图 3.31 提供了各种直行程填料选项的比
较，以及针对环保场合的密封性能、使
用寿命和填料摩擦力的相对排序。编织
的石墨丝和双层 PTFE 是不可接受的环
保密封解决方案。

3.4.15 旋转式阀门的环保填料的选 择

图 3.32 适用于旋转阀。对于旋转阀，单
层 PTFE 和石墨带填料的排列不如逸散
性排放密封解决方案性能好。

阀门的逸散性排放控制和遵守法规成本
的降低可以通过这些新的阀杆密封技术
而取得。尽管 ENVIRO-SEAL 填料密封系
统是为逸散性排放场合而特别设计的，
但这些技术应可用于密封性能和使用寿
命已经成为主要的考虑因素或维护成本
已经成为负担的任何场合。



59

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

环保应用场合的最大压力和温度

填料系统

限制

(1)

密封性能指标 使用寿命指标 填料摩擦力

美国制 公制

单层 PTFE V-型环

ENVIRO-SEAL PTFE

ISO-Seal PTFE

ENVIRO-SEAL 双

重填料

ENVIRO-SEAL 石

墨 ULF

ISO-Seal 石墨

1. 所示的数据仅供参考，可以超过这些指标，但会缩短填料的寿命或可能引起填料泄漏。额定温度适用于实际填料
温度而不是介质温度。

300 psi

0 至 200°F

750 psi

-50 至 450°F

6000 psig

-50 至 -450°F

750 psi

-50 至 -450°F

1500 psi

20 至 600°F

3365 psig

-50 至 752°F

20.7 bar

-18 至 93°C

1.7 bar

-46 至 232°C

414 bar

-46 至 232°C

51.7 bar

-46 至 232°C

103 bar

-7 至 315°C

232 bar

-46 至 400°C

较好 长 很低

优 很长 低

优 很长 低

优 很长 低

优 很长 中等

优 很长 中等

图 3.31 直行程阀门的环保填料的选择

环保应用场合的最大压力和温度

填料系统

限制

(1)

密封性能指标 使用寿命指标 填料摩擦力

美国制 公制

ENVIRO-SEAL PTFE

ENVIRO-SEAL 石墨

ISO-Seal 石墨

1. 所示的数据仅供参考，可以超过这些指标，但会缩短填料的寿命或可能引起填料泄漏。额定温度适用于实际填料

温度而不是介质温度。

750 psi

-50 至 450°F

1500 psi

20 至 600°F

1500 psig

-50 至 752°F

103 bar

-46 至 232°C

103 bar

-18 至 315°C

103 bar

-46 至 400°C

优 很长 低

优 很长 中等

优 很长 中等

图 3.32 旋转式阀门的环保填料的选择

快开 线性 等百分比

图 3.33 直通式阀体的特性化阀笼

60

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

3.5 阀笼导向阀体的特性化

在配备阀笼导向阀内件的阀体里，阀笼
缸壁上的流体开口或窗口的形状决定了
流量特性。当阀芯从阀座环上移开时，
阀笼的窗口被打开以允许流体通过阀
门。标准阀笼已经经过设计以提供线
性、等百分比和快开的固有流量特性。
另可提供自定义的特性化。注意图 3.33
所示的阀笼窗口形状的区别。由使用这
些阀笼的阀门提供的流量/行程关系等
同于动力学轮廓的阀芯展示的线性、快
开和等百分比曲线（图 3.34）。

阀笼导向阀内件使阀门的固有流量特性
可以很容易地通过安装一个不同的阀笼
而得以改变。互换阀笼以获得不同的固
有流量特性不需要改变阀芯或阀座环。
图示的标准阀笼可用于平衡或不平衡式
阀内件结构。软阀座在需要时可以作为
阀座环里的一个保留插入件提供，而且
与阀笼或阀芯的选择无关。

阀笼的互换性可以扩展到能够降噪声或
抗气蚀的特殊阀笼型式。这些阀笼提供
修正的线性固有流量特性，但是要求流
体以特定的方向流过阀笼开口。因此，
可能有必要把管线里的阀体反向以获得
正确的流向。

100

快开

线性

额定流量系数 (%)

Rated Flow Coefficient (%)

0

图 3.34 固有流量特性曲线

额定行程 (%)

Rated Travel (%)

3.5.1 特性化的阀芯

阀芯，一个直通式控制阀组件的可移动
部件，对流体流动提供可变化的限制。

等百分比

100

阀芯类型是单独设计的，以提供不同的
流量特性、获得特定的导向方法或与阀
座环的对中配合、或者取得特殊的关断
或抵抗破坏的能力。

靠近阀座环的阀芯表面轮廓有助于确定
一个特性化阀芯控制阀的固有流量特
性。随着执行机构在其行程范围内移动
阀芯，无阻塞流通面积的大小和形状会
发生改变，具体取决于阀芯的轮廓。当
一个恒定的压差维持在阀门两端时，百
分比的最大流通能力与百分比的总行程
范围之间的变化关系可以用图来表示
（图 3.34），且定义为阀门的固有流量
特性。

通常指定的固有流量特性包括线性、等
百分比和快开。如需了解详情，请参见
第五章。

图 3.35 具有快开流量特性的典型结构

Stem

阀座

Seat
Ring

阀杆



阀口直径

阀芯

Valve Plug

流通

Flow

面积

Area

3.6 阀芯导向

阀芯的精确导向对于阀芯与阀座环的正
确对中配合以及过程流体的有效控制是
必需的。所用的常见导向方法和名称通
常是自我描述性的。

阀笼导向：阀芯的外径在整个行程范围
内与缸式阀笼的内壁表面相接触。由于
阀盖、阀笼和阀座环在阀门组件里都是
自对中的，因此阀门关闭时就能确保正
确的阀芯/阀座环配合（图 3.15）。

顶导向：阀芯是通过阀盖或阀体里的一
个导向轴套、或者填料结构来对中的。

阀杆导向：阀芯通过阀盖里的一个导向轴
套与阀座环对中，轴套对阀杆进行导向。

61

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

顶底导向：阀芯是通过阀盖和底法兰里
的导向轴套来对中的（图 3.5）。通常用
于双口结构。

阀口导向：阀芯通过阀口与阀座对中。



3.7 限制流通能力的控制阀阀 内件

大部分的控制阀制造商都能够提供配备
减小或限制流通能力的阀内件的阀门。
由于以下任何一个原因，减小流量可能
是必不可少的：



限制流通能力阀内件可以使得这样
一件事情成为可能：为将来的增加
流量需要选择一个足够大的阀体，
而为目前的需要正确地计算阀内件
的流通能力。



配备限制流通能力阀内件的大阀体
可以用来降低入口和出口流体速
度。



可以避免购买昂贵的管道异径管。



可以通过使用限制流通能力阀内件
来纠正口径计算太大的错误。

传统的直通式控制阀可以与阀座口径
（比正常）较小的阀座环配合，阀芯可
以通过口径计算与那些较小的阀座配
合。通过使用具有类似结构的较小的阀
门口径的阀芯、阀笼和阀座环零件、以
及阀笼上面和阀座环下面的适配器零件
以使阀体与那些较小的零件配合，配备
阀笼导向阀内件的阀门通常可以取得减
小流通能力的效果（图 3.36）。由于减
小流通能力的工况很常见，主要的制造
商们可以快速地提供成套的内件零件以
获得要求的功能。



图 3.36 提供减小流通能力的适配器方法

3.8 执行机构

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。弹簧膜片
式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。弹簧膜片式和气
动活塞式执行机构的适配器可以直接安
装在旋转式控制阀上。

3.8.1 膜片式执行机构



气动操作的膜片式执行机构使用由
控制器、定位器或其它来源提供的
气源。



各种各样的类型包括：正作用（增
加气源压力把膜片向下推并使执行
机构推杆伸出，图 3.37）；反作用
（增加气源压力把膜片向上推并使
执行机构推杆缩回，图 3.37）双向
作用（可以组装成正作用或者反作
用的执行机构，图 3.38）；旋转阀的
正作用执行机构（增加气源压力把
膜片向下推，可能打开或关闭阀
门，取决于阀轴上的执行机构杠杆
的定位，图 3.39）。



净输出力是膜片力与弹簧反作用力
之间的差值。



模制膜片提供线性的特性和较大的
行程。

62

正作用 反作用

图 3.37 膜片式执行机构



要求的输出力和可提供的供气压力
决定了执行机构的尺寸。



膜片式执行机构简单、可靠且经济。

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

图 3.38 可现场反转的多弹簧执行机构

图 3.39 旋转式控制阀的膜片式执行机构

3.8.2 活塞式执行机构



活塞式执行机构是气动操作的，使
用工厂用压缩空气最高达 150 p
(10.3 bar) 的高压气源，通常不需
要气源压力调节器。



活塞式执行机构提供最大的输出力
和很快的驱动速度。



活塞式执行机构可以是双作用的，
以在两个方向上都提供最大的力；
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（图

3.40）。

sig

63

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型



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。



用于旋转式控制阀的其它类型的活
塞执行机构在气缸的下端有一个滑
动式密封。这使得执行机构推杆可
以周向旋转以及上下移动，而不会
产生气缸压力的泄漏。这个特点使
得执行机构杆可以直接安装到固定
在旋转式阀轴上的执行机构杠杆
上，因此不需要联接件，也消除了
运动损失的起源。

图 3.40 配备双作用活塞执行机构的控制阀



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。



刻度指示装置可以提供给某些型
号，以实现阀芯或蝶板的精确重新
定位。



手动执行机构比自动执行机构要经
济得多。

图 3.42 适用于直行程阀门的手动执行机构

图 3.41 配备拨叉结构活塞执行机构的控制阀

3.8.3 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
良好的手动控制仍然是必需的（图

3.42 和
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里
的旁路阀以进行手动过程控制。

64

3.43）。在自动控制系统的

图 3.43 适用于旋转式阀门的手动执行机构

3.8.4 齿条和齿轮执行机构

齿条和齿轮型执行机构为旋转阀提供了
一种小型且经济的解决方案（图 3.44）。
由于空程，它们通常用在无需考虑开关
场合或过程偏差度的场合。

图 3.44 齿条和齿轮执行机构

3.8.5 电动执行机构

电动执行机构的设计使用了一个电动马
达和某些形式的减速齿轮以移动阀芯
（图 3.45 和 3.46
构传统上被限制用于开关操作，但是有
一些已经具备连续控制的能力。在电动
执行机构中使用无刷电机可以减少或消
除因快速打开和关闭电机引发的电机烧
坏。电动执行机构的进货价格仍然比气
动执行机构要昂贵得多。电动执行机构
主要用于在仪表空气不易获得或存在不
足量的阀门以证明压缩机系统成本合理
的区域。



）。虽然电动执行机

控制阀手册 | 第三章 阀门和执行机构类型

图 3.46 适用于旋转式阀门的电动执行机构

图 3.45 适用于直行程阀门的电动执行机构

65

第四章

控制阀附件

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

今天，现代控制系统使用电子信号来控
制控制阀打开、关闭或调节。另外，这
些系统使用位置反馈信号和诊断信息来
保证控制阀的正常操作。此外，控制阀
在响应速度、精度、稳定性、可靠性和
安全性方面的期望因过程控制需求而
异。由于控制阀安装在许多不同且独特
的应用场合中，因此必需要用到控制阀
附件。附件是与控制阀组件直接连接的
各种仪表。

将仪表和附件添加到控制阀有五个基本
原因：



改善过程控制



提高过程或人员的安全性



提高阀门性能或响应速度



监测或验证阀门响应性



诊断潜在的阀门问题

4.1 环境和应用因素

工业厂房、工厂、矿山和制造厂由于其
地理位置和制造产品所涉及的工艺而普
遍存在严峻的环境条件。因此，这些设
施中的阀门和仪表必须坚固可靠。

仪表的环境温度范围为 -60 至 125°C（-76
至 257°F）。腐蚀性环境，如盐雾和含有
化学成分环境中，可能需要不锈钢或工
程树脂结构材料。强烈振动可能需要牢
靠的仪表安装，坚固的内部机械装置或
远程安装功能。高湿度会导致腐蚀，因
此需要保护电子元件。含有气态或多尘
环境的危险场所需要使用保护型设计的
仪表，如防火、防爆、本质安全或非易
燃。要选择合适的控制阀附件，应考虑
这些环境和应用条件。



4.2 定位器

常见的控制阀附件是阀位控制器，也称
为定位器。定位器的基本功能是将加压
空气输送到阀门执行机构，使得阀杆或
轴的位置对应于来自控制系统的设定

点。定位器通常在阀门需要调节动作时
使用。定位器需要来自阀杆或轴的位置
反馈，并向执行机构提供气动压力以打
开和关闭阀门。定位器必须安装在控制
阀组件上或附近。根据控制信号的类
型、诊断能力和通信协议，定位器分为
三大类别。

4.2.1 气动式定位器

第一类定位器是气动定位器。传统过程
设备可以使用气动压力信号作为控制阀
的控制设定点。压力通常在 20.7 至 103

kPa（3 至

15 psig）之间调节，以将阀

门从 0 移至 100% 位置。

在常见的气动定位器设计（图 4.1）中，
将阀杆或轴的位置与接收气动控制信号
的波纹管的位置进行比较。当输入信号
增加时，波纹管膨胀并移动平衡梁。平
衡梁围绕输入轴枢转，使挡板移动到更
靠近喷嘴的位置。喷嘴压力增加，这通
过气动放大器增加了对执行机构的输出
压力。施加给执行机构的输出压力增大
会使阀杆移动。推杆移动会通过凸轮反
馈至平衡梁。随着凸轮旋转，平衡梁会
绕着反馈轴旋转，从而使挡板渐渐远离
喷嘴。喷嘴压力下降，使施加给执行机
构的输出压力减小。推杆继续移动，使
挡板后移远离喷嘴，直至达到平衡状
态。

输入信号减小时，波纹管会收缩（借助
内部量程弹簧的作用），平衡梁会绕着
输入轴旋转，从而使挡板远离喷嘴。喷
嘴压力降低，放大器允许执行机构内压
力释放到大气中，这使得执行机构推杆
向上移动。推杆移动会通过凸轮反馈至
平衡梁，使得挡板再次靠近喷嘴。达到
平衡状态后，推杆停止移动，挡板亦会
处于适当位置，以防止执行机构气源压
力进一步减小。见图 4.1。

4.2.2 模拟 I/P 定位器

第二种定位器是模拟 I/P 定位器。大多
数现代过程设备使用 4 至 20 mA 的直流
信号来调节控制阀。这将电子设备引入

67

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

C

S

O
A

R

R
S

al

输出至膜片

Output to
Diaphragm

放大器

Relay

Instrument

仪表

波纹管

Bellows

气源

平衡梁

Beam

反馈轴

Feedback Axis

支点

Pivot

喷嘴

Nozzle

挡板组件

Flapper Assembly

正作用上限

Direct Action
Quadrant

输入轴

Input Axis

凸轮

Cam

反作用上限

Reverse Action
Quadrant

图 4.1 典型的气动、单作用定位器设计

定位器设计中，并要求定位器将电子电
流信号转换为气动压力信号（即电流 ­气动或 I/P）。

在典型的模拟 I/P 定位器中（见图 4.2），
这款转换器接收直流电输入信号，并通
过喷嘴/挡板组合提供相对应的气动输
出信号。气动输出信号向气动定位器提
供输入信号。在其他方面，模拟 I/P 的
设计与气动定位器完全相同。

-

+

4-20 mA

4-20 mA
Input Signal

输入信号

Pneumatic Sign

来自转换器的

from Converter

气动信号

Bellows

波纹管

Feedback Axis

反馈轴

Nozzle

喷嘴

Beam

平衡梁

Direct-Acting

正作用上限

Quadrant

输入轴

Input Axis

Cam

凸轮

转换器

onverter

upply

气源

utput to

输出到执行

ctuator

机构
放大器

elay

otary

旋转轴臂

haft Arm

支点

Pivot

挡板组件

Flapper Assembly

图 4.2 典型的单作用模拟 I/P 定位器设计

Reverse-Acting

反作用上限

Quadrant

4.2.3 数字式阀门控制器

虽然气动定位器和模拟 I/P 定位器提供
基本的阀门位置控制，但数字式阀门控
制器为定位器功能增加了另一个维度。
这种类型的定位器是基于微处理器的仪
表。微处理器可实现诊断和双向通信，
从而简化设置和故障排除。

在典型的数字式阀门控制器中，控制信
号由微处理器读取，由数字算法处理，
并转换成驱动电流信号以传输到 I/P 转
换器。微处理器执行位置控制算法，而
不是使用梁、凸轮和挡板组件等机械装
置。当控制信号增大时，进入 I/P 转换
器的驱动信号会增大，I/P 转换器的输出
压力也会增大。该压力传送到气动放大
器，并为执行机构提供两个输出压力。
随着控制信号的增大，一个输出压力总
是增加而另一个输出压力减小。

68

图 4.3 安装在控制阀的数字式阀门控制器

双作用执行机构使用两个输出，而单作
用执行机构仅使用一个输出。输出压力
的变化会导致执行机构推杆或轴移动。
之后，阀门位置反馈给微处理器。阀杆
会继续动作，直至到达正确位置为止。
此时，微处理器稳定进入 I/P 转换器的
驱动信号，直到获得平衡。

除了控制阀门位置的功能外，数字式阀
门控制器还具有两项附加功能：诊断和
双向数字通信。

4.2.3.1 诊断

数字式阀门控制器内的微处理器允许定
位器运行、分析和存储诊断测试。

在确定整个控制阀组件的运行状况时可
以参考这些诊断信息。通过使用压力传
感器、温度传感器、行程传感器和内部
读数，可以提供控制阀性能和运行状态
报告，并给出操作建议。然后，这些信
息可用于识别需要维护的控制阀组件的
元件。

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

这使得数字式阀门控制器能够向控制系
统提供额外的反馈，例如实际的阀门行
程和诊断警报。

目前有一种广泛使用的协议 ——
通信。HART 通信使用叠加在传统

HART®

4 至

20 mA 直流控制信号上的数字信号。该

通信协议允许主机系统用于配置、校准
和监控定位器的运行状况。HART 通信
具有数字通信的优点，并结合了行业主
流的 4 至 20 mA 控制系统。

FOUNDATION

™

现场总线是另一种热门

的行业标准协议。该协议是完全数字式
的，这意味着控制信号（设定点）是数
字的，而不使用 4 到 20 mA

的直流电
流。与 HART 通信类似，主机系统也可
用于配置、校准和监控定位器。

除上述两种协议外，PROFIBUS 也是一种
提供全数字通信的通用行业协议。

PROFIBUS 和

FOUNDATION 现场总线的

物理层是相同的，但两者的通信协议不
同，并且各具优势。

除了有线技术，无线技术提供了另一种
在控制系统和数字式阀门控制器之间传
递信息的方法。对于配备无线功能的定
位器，可以独立于控制系统布线传输数
字信息。



4.3 I/P 转换器

在某些定位精度要求没有那么高的应用
中。在这些应用中，可以使用电动气动
(I/P) 转换器。这些
）使用转换器模块将 4至 20 mA 电流输
入转换为对应的压力输出。而内部气动
放大器提供向控制阀执行机构输出压力
所需的流通能力。由于没有阀门位置反
馈，因此响应速度非常快。

I/P 转换器（图 4.4



4.2.3.2 双向数字通信

数字式阀门控制器内的微处理器还允许
定位器通过数字信号与控制系统通信。

69

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

图 4.4 安装在控制阀的转换器

4.4 流量放大器

定位器和 I/P 转换器设计用于提供足够
的气动输出能力，以驱动典型的用于调
节的控制阀。但是，某些应用需要更快
的行程速度。如果执行机构流量大，则
阀门响应速度会变得更加重要。

流量放大器用于为阀门组件提供额外的

气动输出能力（图 4.5）。如果输入信号
突然大变（来自定位器的输出压力），
会导致输入信号和放大器之间存在压
差。发生这种情况时，膜片会移动以打
开供气口或排气口用以减少压差。供气
口或排气口会一直打开，直到流量放大
器的输入压力和输出压力之间的压差恢
复到流量放大器的死区范围内。

在调整了旁路限流器后，变化缓慢且微
小的信号会通过旁路限流器到达执行机
构，但不会启动流量放大器。供气口和
排气口会保持关闭，以防止不必要的耗
气以及定位器放大器出现饱和现象。

单作用执行机构通常使用一个流量放大
器（图 4.6）。双作用执行机构需要至少
两个流量放大器，在执行机构活塞的每
一侧各放置一个。一些应用，例如压缩
机防喘振或汽轮机旁路，可能需要额外
的流量放大器来提供所需的气动流量以
实现快速的阀门响应。



4.5 安全仪表系统 (SIS)

控制阀的主要目的是调节过程控制回路
内管道中的液体或气体的流动。在这些
相同的过程回路中，还有紧急排气阀、

排气

Exhaust

排气口

Exhaust Port

气源

Supply

图 4.5 流量放大器截面图

70

膜片

Diaphragms

信号输入

Signal Input

旁路限流调整螺丝

Bypass Restriction
Adjusting Screw

旁路限流

Bypass Restriction

供气口

Supply Port

输出到执行机构

Output to Actuator

Pipe Tee

三通管
管衬套

Pipe Bushing

主体

Body

主体保护件

Body

Protector

可选诊断连接

Optional
Diagnostic
Connection

图 4.6 放大器安装于单作用执行机构

流量放大器

Volume
Booster

管子接头

Pipe Nipple

定位器

Positioner

执行机构

Actuator

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

定位器输出

Positioner
Output

信号

Signal

气源

Pressure

调压器

Regulator

Supply

截流阀或隔离阀。这些阀门通常是开/
关阀，用于在过程控制发生紧急情况时
实现安全状态（图 4.7）。通常，会使用
由逻辑解算器控制的单独安全系统控制
这些阀门。

4.5.1 部分行程动作测试

因为安全阀是静态的并且在正常条件下
不调节，所以它们会发生卡涩。因此当
发生紧急需求时，存在阀门在接收到命
令时不会移动的风险。为了减轻这种风
险，数字式阀门控制器可以实现部分行
程测试的功能。

仪表的一个重要功能是定期操作阀门。
这是通过阀门部分行程动作测试 (PST) 进
行的。具体来说，PST 缓慢地将阀门移
动到阀门总行程的一部分，然后返回到
正常状态。这样可以对安全阀的机械部
件进行操作，同时最大限度地减少对
过程回路的干扰。此外，如果未通过测
试，则数字式阀门控制器能够诊断潜在
问题并及时发出警报。

4.5.2 安全功能和产品认证

弹簧复位单作用执行机构为阀门组件提
供固有的故障模式。在紧急需求期间，

将阀门移动到安全状态的主流方法是去
除供给执行机构的气压并允许弹簧复位
阀门。电磁阀和/或数字式阀门控制器
可用于执行此功能。安全阀上可能还有
其他仪表，例如放大器、位置变送器和
保位系统。因此必须评估所有这些元件
对安全系统的影响。

这些元件可能会因意外跳闸或未将安全
阀置于安全状态而发生故障。故障模
式、效果和诊断分析 (FMEDA) 为每个组
件提供了度量标准。这允许安全工程师
将安全仪表系统设计为期望的风险降低
水平。如需了解安全仪表系统的详情，
请参见第十二章。



4.6 控制器

在一些应用中，过程的控制在本地执
行，而不需要大规模分布式控制系统
(DCS) 或可编程逻辑控制器
控制器用于测量过程条件，例如压力、
温度或液位，并直接将气动输出压力驱
动到控制阀（图 4.8）。

本地控制器的输入通常是压力、差压，
温度或液位。过程测量转换为梁 - 挡板

(PLC)。本地

71

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

图 4.7 安装在安全阀的 SIS 数字式阀门控制器

组件运动，并且该运动与输入元件相
关。输入元件可以是波登管、波纹管组
件、液位浮子组件或温度灯泡。

图 4.8 安装在控制阀的气动控制器

输入元件通过连接杆连接到过程指针
（设定点调整）和挡板。随着过程输入

的增加（在正作用控制器中），挡板向
喷嘴移动，这限制了通过喷嘴的流量并
增加了喷嘴压力。发生这种情况时，放
大器动作会增加执行机构的输出压力，
从而调节控制阀。接着输出压力反馈到
比例波纹管。比例波纹管的作用抵消了
由过程输入变化引起的挡板运动。然后
它将挡板移离喷嘴，直到控制器达到平
衡点。设定点调整改变了喷嘴和挡板的
接近度，过程输入的变化也是如此。然
而，当设定点改变时，喷嘴相对于挡板
移动。

比例带调节旋钮将喷嘴定位在挡板上。
增加或加宽比例带将喷嘴移向发生更少
挡板运动的位置，从而降低控制器的增
益。减小或缩窄比例带将喷嘴移向发生
更多挡板运动的位置，从而增加增益。
通过转动比例带调节旋钮将控制器动作
从正向变为反向，将喷嘴定位到挡板上
的一个点，在这点上，挡板运动的方向
与输入运动的方向相反。当控制器处于
反作用模式时，过程输入的增加导致执
行机构的输出压力降低。供应压力通过
放大器中的固定孔，并通过喷嘴排出。
喷嘴压力作用在大型放大器膜片上，并
调节小型放大器膜片上的负载压力。这

72

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

Proportional-Only Control

也调节了执行机构的控制器输出压力
（图 4.9）。

具有比例加复位操作的控制器类似于只
有比例作用的控制器，两者的区别在于
前者的输出压力反馈到复位和比例波纹
管。在操作中，比例加复位控制器最小
化过程温度和设定点之间的偏移。

具有比例加复位加速率的控制器具有速
率阀和可调节限制，后者可短暂维持控
制器增益，以加速慢速系统的校正动作
（图 4.10）。速率操作将增益减少延迟
足够长的时间以使得系统响应变化，但
又不会使系统变得不稳定。然后，由比

Manual Set Point

手动调整设定点

Adjustment

过程指针

Process Pointer

Remote Set Point

远程设定点连接处

Connected Here

Input Element

输入元件连接处

Connected Here

Connecting

连接杆

Link

供应压力

Supply Pressure

输出压力

Output Pressure

喷嘴压力

Nozzle Pressure

复位压力

Reset Pressure

比例压力

Proportional Pressure

Beam

平衡梁

Proportional

比例波纹管

Bellows

Flapper

挡板

喷嘴

Nozzle

例动作提供的低增益使系统保持稳定。
最后，复位动作缓慢增加增益并使过程
返回到设定点。

防复位饱和可减少由于设定点的大偏差
或长时间偏差造成的过程输入的过冲。
可以调整此选项以在增加或减少输出压
力的情况下运行。当比例波纹管压力和
复位波纹管压力之间的差值达到预定值
时，差动安全阀开始工作。

复位波纹管（排气）

Reset Bellows (Vented)

比例带调节

Proportional
Band Adjustment

反馈连杆

Feedback
Link

反馈运动

Feedback
Motion

正作用上限

Direct-Action
Quadrant

作用在终端控制元件的输

Output Pressure
to Final Control Element

出压力

供应压力

Supply Pressure

仅比例控制

放大器

Relay



反作用上限

Reverse-Action Quadrant

挡板支点

Flapper
Pivot

Input

输入运动

Motion

图 4.9 气动控制器原理图

Supply Pressure

供应压力

输出压力

Output Pressure

喷嘴压力

Nozzle Pressure

复位压力

Reset Pressure

比例压力

Proportional Pressure

图 4.10 气动控制器原理图

To Proporitional

连接至比例波纹管

Bellows

泄压阀

Differential
Relief Valve

连接至复

To Reset
Bellows

位波纹管

配备防复位饱和的比例 + 复位 + 流速控

Proportional + Reset + Rate Control

连接至喷嘴

To Nozzle

供应压力

Supply Pressure

复位阀

Reset Valve

流速阀

Rate Valve

With Anti-Reset Windup

制阀门

输出

Output

Relay

放大器

73

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

4.7 阀位变送器

阀位变送器的目的是为控制系统提供独
立的阀位反馈。阀位反馈通常用于过程
监控、故障排除或启动/关闭验证。阀
位变送器直接安装在阀门上，测量阀杆
或轴的位置。在有线安装中，阀位变送
器提供 4 至 20 mA 信号，该信号与控制
阀的可调范围相对应。在无线安装中，
阀位变送器提供 0 到 100%
（图 4.11）。

图 4.11 安装在执行机构的无线阀位监控器



的数字信号

4.8 限位开关

限位开关的目的是当阀门到达其行程范
围内的特定位置时，向控制系统提供离
散的打开或关闭信号。限位开关还用
于过程监控、故障排除或启动/关闭验
证。限位开关接收来自阀杆或轴的阀位
反馈，并将有线或无线信号发送到控制
系统。有许多不同的开关技术可供选
择，例如接近、固态、磁性和触点闭



合。

4.9 电磁阀

电磁阀安装在通向执行机构的气动管路
中。在一些应用中，电磁阀将空气从执
行机构排出以使得阀门进入无空气、失
效状态。在其他应用中，电磁阀将捕获
执行机构中的空气以将阀门锁定在其当

前位置。三通电磁阀通常用于操作弹簧
复位执行机构，四通电磁阀通常用于双
作用执行机构。通过制造或断开来自控
制系统的离散电信号即可激活电磁阀。
如需了解电磁阀的详情，请参见第十一



章。

4.10 保位系统

保位系统用于控制应用，即在失去气源
的情况下需要进行特定的执行机构动作
的场合（图 4.12）。它们与双作用执行
机构一起使用，此类执行机构没有固有
的失气状态；或与单作用或双作用执行
机构一起使用以提供气动锁定。

如果供应压力低于触发点，保位阀会使
执行机构执行失效往上、锁定至上一位
置或失效往下操作。对于双作用应用，
储气罐提供备用气动空气以操作阀门，
直到供应压力恢复。如果供应压力高于
触发点，保位阀会自动重置，使系统恢
复正常操作。



4.11 手轮

膜片式执行机构的手轮常用作可调行程
限位器。在紧急情况下，手轮还可方便
地用于定位控制阀。

所有侧装式手轮均可用于在执行机构推
杆行程中的任意位置向上或向下关闭阀
门。通过定位侧装式手轮可限制上行或
下行方向的行程，但不能同时限制这两
个方向的行程。将手轮调至中间位置，
便可能在整个阀门行程中实现自动操
作。而不论手轮位于哪个位置，阀门行
程都会受到限制。

顶装式手用于不常需要手动操作的阀门
（图 4.14）。



74

Spring

弹簧

阀芯

Valve Plug

上膜片

Upper Diaphragm

Exhaust Port

排气口

供应压力

Supply Pressure

下膜片

Lower Diaphragm

Port D

阀口 D

阀口 E

Port E

Lower

下阀口

Ports

供应压力

Supply Pressure

流向气缸顶部的控制压力

Control Pressure to Top of
Cylinder (Blocked)

（阻塞状态）
流向气缸底部的控制压力

Control Pressure to Bottom
of Cylinder (Blocked)

（阻塞状态）

图 4.12 保位状态下的保位阀

Port F

阀口 F

主弹簧

Main
Spring

Port A

阀口 A

阀口 B

Port B

上阀口

Upper Ports

阀芯组件

Plug
AssembliesPort C

阀口 C

流向气缸顶部的压力

Pressure to Top of Cylinder
(from Volume Tank)

（来自储气罐）
来自气缸底部的压力

Pressure from Bottom of Cylinder
(Venting)

（通过排气释放）

Lower Diaphragm Loading Pressure

下膜片进气压力

(Being Vented)

（正在释放）

排气口

Vent

执行机构

Actuator

控制阀手册 | 第四章 控制阀附件

控制装置

Control
Device

Volume
Tank

图 4.13 配备侧装式手轮的执行机构 图 4.14 配备顶装式手轮的执行机构

75

第五章

控制阀选型

控制阀能够处理低温至超过 538°C (1000°F)
的温度范围内的所有种类的流体。要为
指定的工况选用可以得到的阀体类型、
材质和内件结构形式的最佳组合，需要
仔细地考虑控制阀阀体组件的选型。此
外，在控制阀阀选用时还必须考虑流量
要求和系统操作压力范围以确保在不超
出预算的情况下满足操作要求。

著名的控制阀制造商们和他们的代理商
们专注于帮助用户选择最适合于现有工
况条件的控制阀。因为对于一个应用场
合经常有几个可能的正确选择，所以对
关键工况提供所有以下信息是非常重要
的：



需要控制的流体种类



流体温度



流体粘度



所有成分的浓度，包括微量杂质



启动、正常运行和停机期间的工况
条件



可能会定期进行的化学清洁



流体的比重或密度



流体流速



阀门的进口压力



出口压力或压降



关闭时的压降。



最大允许噪声水平，以及测量参考
点



如果知道，过热程度或是否存在闪
蒸



入口和出口管道口径和壁厚



特殊位号信息要求



铸造阀体材质（ASTM A216 等级
WCC、A

STM A217 等级 WC9、ASTM

A351 CF8M 等）



连接端形式和阀门压力等级（螺纹
式、ANSI 600 凸面法兰、AN

SI 1500

环形接合法兰等）

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型



失气时要求的作用方式（阀门打
开、关闭、或者维持最后的控制位
置）



可提供的仪表气源



仪表信号（3-15 psig、4-20 mA、HART
等）

另外，下面的信息要求用户与制造商之
间取得一致意见，具体取决于需要遵守
的购买协议和工程实践。



阀门型号



阀门口径



阀体结构（角形、双阀座、蝶阀等）



阀芯导向方式（笼式、阀座导向等）



阀芯动作方式（向下推关闭或向下
推打开）



阀口通径（全通径或缩径）



要求的阀门内件材质



流体作用方式（流体趋向于打开阀
门或流体趋向于关闭阀门）



要求的执行机构尺寸



阀盖形式（普通型、伸长型、波纹
管密封等）



填料材料（PTFE V 形环、石墨片、环
保密封系统等）



要求的附件（定位器、手轮等）

这些选项里有一些已经在本书的前面章
节里讨论过，其它选项将在这一章和下
面的章节里探讨。

77

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

如果没有噪音或气蚀的提示，就选择标准的阀内件。

如果气体动力学噪音很高，就选择降噪阀内件。

如果液相噪音很高或提示有气蚀，就选择减少气蚀的阀内件。

确保所选阀内件可以在所选阀门口径的阀内件组别里找到。

阀门选型过程

1.确定工况条件

P1, ∆P, Q, T1 流体特性，允许噪音等。

选择合适的阀体和阀内件 ANSI 压力等级。



2.计算要求的初始 C

检查噪音和气蚀水平。

v



3.选择阀内件类型



4.选择阀体和阀内件类型

根据要求的 C

注意行程、阀内件组别和关闭等级。

，选择阀体和阀内件尺寸。

v



5.选择阀内件材料

为应用工况而选择阀内件材料。



6.可选项

考虑有关关闭等级、阀杆填料等可选项。

5.1 控制阀尺寸

5.1.1 法兰连接直通式控制阀的端面至端面尺寸

125、150、250、300 和 600 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.01 标准）

压力等级和连接端形式

阀门口径

DN NPS mm in mm in mm in

15 1/2 184 7.25 197 7.75 190 7.50
20 3/4 184 7.25 197 7.75 194 7.62
25 1 184 7.25 197 7.75 197 7.75
40 1-1/2 222 8.75 235 9.25 235 9.25
50 2 254 10.00 267 10.50 267 10.50
65 2-1/2 276 10.88 289 11.38 292 11.50

80 3 298 11.75 311 12.25 318 12.50
100 4 352 13.88 365 14.38 368 14.50
150 6 451 17.75 464 18.25 473 18.62
200 8 543 21.38 556 21.88 568 22.38
250 10 673 26.50 686 27.00 708 27.88
300 12 737 29.00 749 29.50 775 30.50
350 14 889 35.00 902 35.50 927 36.50
400 16 1016 40.00 1029 40.50 1057 41.62

缩写词意义：FF - 平面；RF - 凸面；RTJ - 环形连接；CI - 铸铁

法兰连接直通式控制阀的端面至端面尺寸（续）

78

Class 125 FF (CI)

Class 150 RF (STL)

Class 150 RTJ (STL)

Class 250 RF (CI)

Class 300 RF (STL)

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

阀门口径

DN NPS mm in mm in mm in

15 1/2 202 7.94 203 8.00 203 8.00

20 3/4 206 8.12 206 8.12 206 8.12

25 1 210 8.25 210 8.25 210 8.25

40 1-1/2 248 9.75 251 9.88 251 9.88

50 2 282 11.12 286 11.25 284 11.37

65 2-1/2 308 12.12 311 12.25 314 12.37

80 3 333 13.12 337 13.25 340 13.37
100 4 384 15.12 394 15.50 397 15.62
150 6 489 19.24 508 20.00 511 20.12
200 8 584 23.00 610 24.00 613 24.12
250 10 724 28.50 752 29.62 755 29.74
300 12 790 31.12 819 32.25 822 32.37
350 14 943 37.12 972 38.25 475 38.37
400 16 1073 42.24 1108 43.62 1111 43.74

缩写词意义：STL - 钢

Class 300 RTJ (STL) Class 600 RF (STL) Class 600 RTJ (STL)

压力等级和连接端形式

900、1500 和 2500 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.06 标准）

阀门口径

DN NPS 短 长 短 长 短 长

15 1/2 273 292 10.75 11.50 273 292

20 3/4 273 292 10.75 11.50 273 292

25 1 273 292 10.75 11.50 273 292

40 1-1/2 311 333 12.25 13.12 311 333

50 2 340 375 13.38 14.75 340 375

65 2-1/2 - - - 410 - - - 16.12 - - - 410

80 3 387 441 15.25 17.38 406 460
100 4 464 511 18.25 20.12 483 530
150 6 600 714 21.87 28.12 692 768
200 8 781 914 30.75 36.00 838 972
250 10 864 991 34.00 39.00 991 1067
300 12 1016 1130 40.00 44.50 1130 1219
350 14 - - - 1257 - - - 49.50 - - - 1257
400 16 - - - 1422 - - - 56.00 - - - 1422
450 18 - - - 1727 - - - 68.00 - - - 1727

mm in mm

Class 900 Class 1500

79

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

法兰连接直通式控制阀的端面至端面尺寸（续）

阀门口径

DN NPS 短 长 短 长 短 长

15 1/2 10.75 11.50 308 318 12.12 12.50

20 3/4 10.75 11.50 308 318 12.12 12.50

25 1 10.75 11.50 308 318 12.12 12.50

40 1-1/2 12.25 13.12 359 381 14.12 15.00

50 2 13.38 14.75 - - - 400 - - - 16.25

65 2-1/2 - - - 16.12 - - - 441 - - - 17.38

80 3 16.00 18.12 498 660 19.62 26.00
100 4 19.00 20.87 575 737 22.62 29.00
150 6 24.00 30.25 819 864 32.25 34.00
200 8 33.00 38.25 - - - 1022 - - - 40.25
250 10 39.00 42.00 1270 1372 50.00 54.00
300 12 44.50 48.00 1321 1575 52.00 62.00
350 14 - - - 49.50 - - - - - - - - - - - ­400 16 - - - 56.00 - - - - - - - - - - - ­450 18 - - - 68.00 - - - - - - - - - - - -

Class 1500 Class 2500

in mm in

5.1.2 对焊连接直通式控制阀的端面至端面尺寸

150、300、600、900、1500 和 2500 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.05 标准）

阀门口径

DN NPS 短 长 短 长 短 长

15 1/2 187 203 7.38 8.00 194 279

20 3/4 187 206 7.38 8.25 194 279

25 1 187 210 7.38 8.25 197 279

40 1-1/2 222 251 8.75 9.88 235 330

50 2 254 286 10.00 11.25 292 375

65 2-1/2 292 311 11.50 12.25 292 375

80 3 318 337 12.50 13.25 318 460
100 4 368 394 14.50 15.50 368 530
150 6 451 508 17.75 20.00 508 768
200 8 543 610 21.38 24.00 610 832
250 10 673 752 26.50 29.62 762 991
300 12 737 819 29.00 32.35 914 1130
350 14 851 1029 33.50 40.50 - - - 1257
400 16 1016 1108 40.00 43.62 - - - 1422
450 18 1143 - - - 45.00 - - - - - - 1727

Class 150、300 和 600 Class 900 和 1500

mm in mm

80

对焊连接直通式控制阀的端面至端面尺寸（续）

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

阀门口径

DN NPS 短 长 短 长 短 长

15 1/2 7.62 11.00 216 318 8.50 12.50

20 3/4 7.62 11.00 216 318 8.50 12.50

25 1 7.75 11.00 216 318 8.50 12.50

40 1-1/2 9.25 13.00 260 359 10.25 14.12

50 2 11.50 14.75 318 400 12.50 15.75

65 2-1/2 11.50 14.75 318 400 12.50 15.75

80 3 12.50 18.12 381 498 15.00 19.62
100 4 14.50 20.88 406 575 16.00 22.62
150 6 24.00 30.25 610 819 24.00 32.25
200 8 24.00 32.75 762 1029 30.00 40.25
250 10 30.00 39.00 1016 1270 40.00 50.00
300 12 36.00 44.50 1118 1422 44.00 56.00
350 14 - - - 49.50 - - - 1803 - - - 71.00
400 16 - - - 56.00 - - - - - - - - - - - ­450 18 - - - 68.00 - - - - - - - - - - - -

Class 900 和 1500 Class 2500

in mm in

5.1.3 插焊连接直通式控制阀的端面至端面尺寸

150、300、600、900、1500 和 2500 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.03 标准）

阀门口径

DN NPS 短 长 短 长 短 长

15 1/2 170 206 6.69 8.12 178 279

20 3/4 170 210 6.69 8.25 178 279

25 1 197 210 7.75 8.25 178 279

40 1-1/2 235 251 9.25 9.88 235 330

50 2 267 286 10.50 11.25 292 375

65 2-1/2 292 311 11.50 12.25 292 - - -

80 3 318 337 12.50 13.25 318 533

100 4 368 394 14.50 15.50 368 530

Class 150、300 和 600 Class 900 和 1500

mm in mm

81

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

插焊连接直通式控制阀的端面至端面尺寸（续）

阀门口径

DN NPS 短 长 短 长 短

15 1/2 7.00 11.00 216 318 8.50 12.50

20 3/4 7.00 11.00 216 318 8.50 12.50

25 1 7.00 11.00 216 318 8.50 12.50

40 1-1/2 9.25 13.00 260 381 10.25 15.00

50 2 11.50 14.75 324 400 12.75 15.75

65 2-1/2 11.50 - - - 324 - - - 12.75 - - -

80 3 12.50 21.00 381 660 15.00 26.00

100 4 14.50 20.88 406 737 16.00 29.00

Class 900 和 1500 Class 2500

in mm in

5.1.4 螺纹连接直通式控制阀的端面至端面尺寸

150、300 和 600 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.03 标准）

阀门口径

DN NPS 短 长 短 长

15 1/2 165 206 6.50 8.12

20 3/4 165 210 6.50 8.25

25 1 197 210 7.75 8.25

40 1-1/2 235 251 9.25 9.88

50 2 267 286 10.50 11.25

65 2-1/2 292 311 11.50 12.26

Class 150、300 和 600

mm in

长

5.1.5 凸面法兰连接直通式角形阀的端面至中心线尺寸

150、300 和 600 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.08 标准）

阀门口径 Class 150 Class 300 Class 600

DN NPS mm in mm in mm in

25 1 92 3.62 99 3.88 105 4.12

40 1-1/2 111 4.37 117 4.62 125 4.94

50 2 127 5.00 133 5.25 143 5.62

80 3 149 5.88 159 6.25 168 6.62

100 4 176 6.94 184 7.25 197 7.75

150 6 226 8.88 236 9.31 254 10.00

200 8 272 10.69 284 11.19 305 12.00

82

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.1.6 可拆卸法兰直通阀的端面至端面尺寸

150、300 和 600 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.07 标准）

阀门口径 Class 150、300 和 600

DN NPS mm in

25 1 216 8.50

40 1-1/2 241 9.50

50 2 292 11.50

80 3 356 14.00

100 4 432 17.00

5.1.7 法兰连接和无法兰旋转阀（不含蝶阀）的端面至端面尺寸

150、300 和 600 磅级（符合 ANSI/ISA-75.08.02 标准）

阀门口径 Class 150、300 和 600

DN NPS mm in

20 3/4 76 3.00
25 1 102 4.00
40 1-1/2 114 4.50
50 2 124 4.88

80 3 165 6.50
100 4 194 7.62
150 6 229 9.00
200 8 243 9.56
250 10 297 11.69
300 12 338 13.31
350 14 400 15.75
400 16 400 15.75
450 18 457 18.00
500 20 508 20.00
600 24 610 24.00

83

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.1.8 单法兰（凸缘）和无法兰（对夹式）蝶阀的端面至端面尺寸

（符合 MSS-SP-67 标准）

阀门口径 适于已安装窄阀体的尺寸

DN NPS in mm

40 1-1/2 1.31 33.3

50 2 1.69 42.9

65 2-1/2 1.81 46.0

80 3 1.81 46.0
100 4 2.06 52.3
150 6 2.19 55.6
200 8 2.38 60.5
250 10 2.69 68.3
300 12 3.06 77.7
350 14 3.06 77.7
400 16 3.12 79.2
450 18 4.00 101.6
500 20 4.38 111.2

1. 与 125 铸铁法兰或 150 钢法兰兼容的阀体。

2. 这是阀门安装在管道中后端面至端面的尺寸。如果使用单独的垫圈，则不包括垫圈的厚度。由于垫圈或密封件是

阀门的组成部分，因此确实包含了两者的厚度，并且，这个尺寸是垫圈或密封件在压缩状态下算出的。

(1)(2)

5.1.9 偏心高压蝶阀的端面至端面尺寸

150、300 和 600 磅级（符合 MSS SP-68 标准）

阀门口径 Class 150 Class 300 Class 600

DN NPS in mm in mm in mm

80 3 1.88 48 1.88 48 2.12 54
100 4 2.12 54 2.12 54 2.50 64
150 6 2.25 57 2.31 59 3.06 78
200 8 2.50 63 2.88 73 4.00 102
250 10 2.81 71 3.25 83 4.62 117
300 12 3.19 81 3.62 92 5.50 140
350 14 3.62 92 4.62 117 6.12 155
400 16 4.00 101 5.25 133 7.00 178
450 18 4.50 114 5.88 149 7.88 200
500 20 5.00 127 6.25 159 8.50 216
600 24 6.06 154 7.12 181 9.13 232

84

5.2 控制阀阀座泄漏等级

（符合 ANSI/FCI 70-2 和 IEC 60534-4 标准）

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

泄漏等级

代号

最大允许泄漏量 试验介质 试验压力

I - - - - - - - - -

II 0.5% 的额定流量

III 0.1% 的额定流量 同上 同上 同上

IV

V

VI

0.01% 的额定

流量

每 psi 压差下每

英寸阀口直径每

分钟通过 0.0005

毫升的水

（每 bar 压差下
每毫米阀口直径

每秒钟通过 5 X

-12

立方米的

10

水）。

不超过下面表格
中列出的基于阀

口直径的值。

10-52°C (50-

125°F) 的空气

或水

同上 同上 同上

10-52°C (50-

125°F) 的水

10-52°C (50-

125°F) 的空气或

氮气。

3-4 bar (45-60 psig)

或最大工作，取两者

中的较低者

阀芯两端的最大工作

压降，不超过 ANSI 阀

体磅级，或小于要求

的压力。

3.5 bar (50 psig) 或

阀芯两端的最大额定

压差，两者中的较

低者。

所需的测试步骤

不要求测试，用户与供应

在阀门入口施加压力，出口
可通大气或连接到低压头损
失的测量装置上，执行机构

提供全部常规关闭力。

把整个阀腔和连接管道充满

水并且推动阀芯关断阀门
后，将压力作用在阀门入

口。使用规定的执行机构最

大净推力，但不要超过该
值，即使测试期间可以获得
超过该值的推力。留出一定
的时间让泄漏量稳定下来。

把压力作用在阀门入口。执
行机构应调整到规定的操作
条件下，让全部正常关断力
作用在阀芯上。留出一定的
时间让泄漏量稳定下来，并

使用合适的测量装置。

确定泄漏等级

商商定

85

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.3 VI 级最大允许阀座泄漏量

（符合 ANSI/FCI 70-2）

公称阀口直径 每分钟产生的气泡数

英寸 毫米 毫升每分钟 每分钟产生的气泡数

1 25 0.15 1

1-1/2 38 0.30 2

2 51 0.45 3

2-1/2 64 0.60 4

3 76 0.90 6
4 102 1.70 11
6 152 4.00 27
8 203 6.75 45

1. 表中的每分钟气泡数是在调整好测量装置的基础上的一个建议性的选择。测量时把一根 1/4 英寸 (6.3mm) 外径 ×

0.032 英寸

(0.8mm) 壁厚的管子浸入水中 1/8 至 1/4 英寸的深度。管子的端面应切割得平整和光滑，没有棱角或毛

刺。管子中心线应与水面垂直。也可以使用其他装置，只要它们正确地表示毫升/分钟的流量，每分钟的气泡数量
可以不同于表中列出的数字。

(1)

5.4 控制阀的流量特性

控制阀的流量特性是随着行程从 0 到
100% 变化时，通过阀门的流量与阀门行

程之间的关系。固有流量特性指经过阀
门的压降恒定时观察到的流量特性。安
装流量特性是指在压降随着流量和系统
中其它参数变化而变化的工况下获得的
流量特性。

控制阀的流量特性化是为了在系统运行
条件的预期范围内提供相对均匀一致的
控制回路稳定性。要建立与系统相匹配
的流量特性，需要对控制回路作动态分
析。基于对常见工艺过程的分析，可以
建立一些选择合适流量特性的有用的指
导原则。这些指导方法将在总体介绍完
流量特性之后被论及。

5.4.1 流量特性

图 5.1 展示了典型的流量特性曲线。快
开流量特性在较小的阀门行程处，提供
近似线性关系的最大流量改变。继续增
加阀门行程，则流量的变化锐减；当阀
芯接近全开位置时，流量的变化趋近于
零。在控制阀中，快开阀芯主要用于
开/关工况，但它亦适用于许多通常指
定使用线性阀芯的场合。

100

快开

线性

额定流量 (%)

Rated Flow Coefficient (%)

0

图 5.1 反馈控制回路

额定行程 (%)

Rated Travel (%)

等百分比

100

线性流量特性曲线表明流量与阀门行程
成正比关系。这种比例关系提供一种具
有恒定斜率的特性，所以在恒定的压降
下，阀门增益在所有流量处都是相同
的。（阀门增益是阀芯位置增量和阀芯
位置的比例。增益是阀门口径和配置、
系统运行条件以及阀芯特性的函数。）
线性阀芯通常指定用于液位控制和一些
需要恒定增益的流量控制场合。

对于等百分比的流量特性，阀门行程的
增加产生相同百分比的流量变化。流量
的变化始终与阀芯、蝶板或球的位置变
化前的流量成比例。当阀芯、蝶板或球
靠近阀座时，流量很小；当流量很大

86

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

时，流量的变化也会很大。具有等百分
比流量特性的阀门一般用于压力控制场
合，以及大部分压降通常被系统本身所
吸收而只有小部分为控制阀所吸收的其
它场合。在预期有变化很大的压降的情
况下也可考虑使用具有等百分比特性的
阀门。

5.4.2 流量特性的选择

理想的流量特性是可实现线性安装特性
和均匀安装增益的特性。为了获得最佳
性能，可以执行完整的动态分析，因为
除流量特性之外还有许多其他因素会影
响性能。这种分析最适合于精确控制至
关重要的应用。对于其他应用，可以在
控制设备中对不太理想的流量特性进行
一定程度的调节。如需了解控制阀性能
的详情，请参见第二章。



5.5 阀门选型计算

控制阀选型计算的标准化工作可追塑到
20 世纪 60

协会－流体控制协会发布了同时用于可
压缩和不可压缩流体的阀门选型计算公
式。这些公式所能精确覆盖的工况条件
的范围非常有限，该标准未被广泛地接
受。在 1967 年，
来研究和发表标准公式。该委员会通过
努力最终建立了一个阀门选型计算的步
骤，获得了美国国家标准资格。后来，
一个 IEC 委员会把
控制阀选型计算的国际标准的基础（这
些介绍材料里的某些内容摘自 ANSI/ISA

S75.01 标准，得到
ISA-75.01.01 和 I

的，因此可使用任一标准。

虽然标准阀门选型计算方法适用于大多
数控制阀的选型计算，但重要的是要注
意标准规定了它们的使用限制。如使用
超出了其预定范围，则必须小心谨慎。
为合理准确性标准的要求是：



单组分，单相流体



牛顿流体

年代的早期，当时一个贸易

A 成立了一个委员会

IS

ISA 的成果用作制定

ISA 的许可）。ANSI/

EC 60534-2-1 是一致



理想的气体和蒸汽



对于气体和蒸汽，比热的理想比率
在 1.08 < γ < 1.65 的范围内



xT ≤ 0.84 的阀门



Cv/d2 < 30 的阀门

以下章节解释了术语和过程，并通过示
例问题的解决展示其应用。对于下面的
讨论，假设所有流动都是完全湍流的。
对于高粘度流体或非常低流速的情况，
需要额外考虑。



87

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.6 缩写和术语

符号 符号

C

v

d 标称阀门直径 ∆P

, D

D

1

2

F

d

F

F

F

γ

F

L

组合液体压力恢复系数和带连接管件的

F

LP

F

P

设备的压头损失系数，无量纲（在选型

K

M 分子量 x

N 数值常数，用于修正不同的单位组 Y 膨胀系数，无量纲

P

1

P

2

P

c

P

v

1. 标准状态定义为 15.5°C (60°F) 和 14.7 psia (101.3 k Pa)。

阀门选型流量系数 ∆P

分别为上游和下游管道的内径 ∆P

choked

sizing

阀门前后的压降

通过阻塞限制流量的液体压降

用于液体工况阀门选型计算的压降值

阀门型式修正系数，无量纲 q 标准体积流量

液体临界压力比系数，无量纲

T

1

上游绝对温度

比热比系数，无量纲 w 质量流量

液体压力恢复系数，无量纲 x 压降与上游绝对静压之比 (∆P/P1)，无量纲

阀门的管道几何形状（当无连接管件

F

= FL）系数，无量纲

时，

LP

管道几何形状系数，无量纲 x

计算标准中以 ζ 表示）

上游绝对静态压力 Z

下游绝对静态压力

绝对热力学临界压力

入口温度对应的液体绝对蒸汽压力

x

choked

ρ

sizing

x

TP

γ

ν

ρ

1/ρo

T

1

1

可压缩流量的阻塞流压降比

用于可压缩工况阀门选型计算的压降比值

阻塞流时的压降比系数，无量纲

带有连接管件的阻塞流时的压降比系数，

无量纲

入口条件下的压缩系数，无量纲

理想的比热比，无量纲

动力粘度

在入口条件时的密度

入口处的液体比重（流动温度下的液体密

度与 15.5°C (60°F) 时的水密度之比），

无量纲

(P1-P2)

(1)

88

5.7 公式常数

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

N w q P

(2)

ρ T d, D

0.0865 - - - m3/h kPa - - - - - - - - -

3

N

1

0.865 - - - m

/h bar - - - - - - - - -

1.00 - - - gpm psia - - - - - - - - -

N

2

N

5

0.00214
890

0.00241

1000

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

mm
inch
mm
inch

2.73 kg/h - - - kPa kg/m3- - - - - -

3

3

- - - - - -

- - - - - -

N

6

27.3 kg/h - - - bar kg/m

63.3 lb/h - - - psia lbm/ft

0.948 kg/h - - - kPa - - - K - - -

N

8

94.8 kg/h - - - bar - - - K - - -

19.3 lb/h - - - psia - - - deg R - - -

正常状态 21.2 - - - m3/h kPa - - - K - - -

3

T

= 0°C

N

(3)

N

9

标准状态 22.5 - - - m

T

= 15°C

s

标准状态

= 60°F

T

S

1. 在阀门选型计算步骤中，许多公式包含一个带有数字下标的数字常数 N。这些数字常数为在公式中使用不同的单位
提供一种换算方法。在上表中可查到不同常数的值及相应的单位。例如，如果流量以美国 gpm、压力用
N

的值为 1.0；如果流量以 m3/hr，压力以 kPa 表示，那么 N1 的值就变为 0.0865。

1

2. 所有压力均指绝对压力。

3. 压力基准为 101.3 kPa (1.013 bar)(14.7 psia)。

2120 - - - m

2250 - - - m

7320 - - - scfh psia - - - deg R - - -

/h bar - - - K - - -

3

/h kPa - - - K - - -

3

/h bar - - - K - - -

psia 表示，

89

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.8 液体控制阀选型

以下是按照 ISA 和 IEC 规程对用于处理液
体流体的控制阀进行的分步选型过程。
严格来说，这种口径计算方法仅适用于
单组分流体，但也可以谨慎地使用于多
组分混合物工况。

以下每一步都很重要，并且所有阀门选
型过程都会涉及这些步骤。值得注意的
是，C

值和 FL 值是相匹配的。如果使用

v

不同的 C
阀门和阀门行程的相应 F

1. 阀门选型所需变量如下：



只有通过对不同的阀门选型计算问题的
实际经验，才能获得辨别以上哪些条件
适用于某一特定的计算步骤的能力。如
果觉得对以上任何一项很生疏或不熟
悉，可参照缩写和术语表以了解其详细
的定义。

2. 确定公式常数 N1 和 N2。

N1 和 N2 是每个流量公式中都含有的数

值常数，用于提供一种使用不同单位制
的方法。上述各个常量的值及其相应的
单位如公式常数表所示。

3. 确定管道几何形状系数 FP 和为连接管
件调整的液体压力恢复系数 F

对于这些计算，使用估计的 Cv 值和对应
的 F

F

即表示因管件（例如，变径管、弯管

p

或三通管等）直接连接到所选控制阀的
入口和出口端接头造成的压力损失的修
正系数。如果将这种管件连接到阀门
上，则必须考虑这些情况。标准选型计
算程序提供了一种计算同心缩径和扩径
的 F
管件，F

，则必须从产品资料中获得该

v



特定型号，



过程流体（水、油等）



对应的工况条件

。

L

q 或 w、P1、P2 或 ∆P、T1、ρ1/

ρ

o、Pv、Pc

。

L

系数的方法。如果阀门未连接任何

P

和 ν

。

LP

的值为 1.0 且可以从选型计算

p

公式中去除。另外，F

4. 确定用于选型计算的压降，∆P

= FL。

LP

sizing

。

当上游和下游压力之间的差异足够高
时，液体可能开始汽化，从而导致阻塞
流。如果阀门实际压降 ∆P 高于导致阻
塞流的压降，则必须使用阻塞流压降

∆P

来代替实际压降。

choked

5. 计算 Cv。如果此 Cv 值与步骤 3 中使用

的估计值差异较大，则使用此新 C
和产品信息中的相应 F

进行迭代。

L

v

值

5.8.1 确定为管件调整的管道几何
形状系数 (FP) 和液体压力恢复系数

(F

)

LP

如有任何管件（例如，变径管、弯管或
三通管等）直接连接到待选型计算的控
制阀的入口和出口端接头，则需确定 F
系数。如有可能，建议按照实际测试所
得的特定值，用试验方法确定 F
系数。

然而，使用以下方法，可以计算出附接
同心变径管的系数的合理近似值。

在上述公式中，ΣK 项为与控制阀相连接
的所有管件的速度水力损失系数的代数
和。

其中，

K1 = 上游管件的阻力系数

K

= 下游管件的阻力系数

2

K

= 入口伯努利系数

B1

K

= 出口伯努利系数

B2

并且，

和 FLP

p

p

90

如果上游管道和下游管道尺寸相等，那
么伯努利系数也相等（即 K

= KB2），

B1

因此，二者可以 ΣK 公式中去除。

控制阀装置中最常用的管件为短型同心
变径管。适用于该管件的公式如下：



对于入口变径：



对于出口变径：



对于安装在相同变径管件之间的阀门：

使用对应于所选阀门的 Cv 值的 FL 值

5.8.2 确定用于选型计算的压降

(∆P

计算液体临界压力比系数：

然后，确定由于流体阻塞导致的极限压
降：

然后，用于计算所需流量系数的压降

∆P
∆P

注：如果 ∆P
蚀或闪蒸。如果出口压力大于流体的蒸

)

sizing

是实际系统压降 ∆P 和阻塞流压降

sizing

中的较小者。

choked

< ∆P，则流量会出现气

choked

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

汽压力，则气蚀导致阻塞流。如果出口
压力小于流体的蒸汽压力，则流体会出
现闪蒸。如需了解详情，请参阅本章后
面有关气蚀和闪蒸的部分。

5.8.3 计算所需的流量系数 (Cv)

通过给定流量所需的阀门流量系数计算
如下：

5.8.4 液体工况选型计算例题

假定有一个装置，它在工厂的初始开车
阶段不会以最大的设计能力运行。管道
口径根据最大的系统能力而选用，但希
望安装一台仅为目前的预期要求而选型
的控制阀。管径为 8 英寸，并需用一台
300 磅级带有等百分比阀笼的直通阀。

安装阀门时可用标准的同心变径，请确
定合适的阀门尺寸。

1. 确定阀门选型所必需的变量：



要求的阀门型式－ 300 磅级带等百
分比阀笼的直通阀，假定阀门口径
为 3 英寸，则此阀门处于 100% 开度
时，C

为 121，FL 为 0.89。

v



过程流体为液态丙烷



工况条件

q = 800gpm

P

= 300 psig = 314.7 psia

1

P

= 275 psig = 289.7 psia

2

∆P = 25 psi

T

= 21°C (70°F)

1

ρ

= 0.50

1/ρo

P

= 124.3 psia

v

P

= 616.3 psia

c

2. 确定公式常数 N1 和 N2。

91

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

从公式常数表上确定 N1 = 1.0，N2 = 890。

3. 确定管道几何形状系数 FP 和为连接管
件调整的液体压力恢复系数 F



首先，找到上游和下游管道尺寸相

。

LP

同时所需的阻力系数：

4. 确定用于选型计算的压降，∆P



首先，计算液体临界压力比系数：

sizing

。

和

和



现在，计算 Fp：



接着算出阻塞流压降 ∆P
示：



由于实际压降小于阻塞流压降：

5. 计算所需的 Cv 值。

，如下所

sizing



然后，计算 FLP：

92

所需的 Cv 值 (125.7) 大于设定阀门的 Cv
值 (121)。以此为例，尽管很显然下一
个大口径

(NPS 4 (DN 100)) 可能就是正
确的阀门口径，但情况并不总是如此，
而应重复执行上述过程。

现在，假设 NPS 4 (DN 100) 阀门的 Cv =
203，F
分比阀笼的 300 磅级，NPS 4

= 0.91。这些值是根据配有等百

L

(DN 100)

费希尔 ES 直通阀的流量系数表确定的。

在 F

计算过程中，利用设定的 Cv 值

p

(203) 重新计算所需的 C

。

v

和

和

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

和

由于该新确定的 Cv 接近最初用于此重
新计算过程的 C

（116.6 与 121.7），

v

因此阀门口径计算程序已结束且可得出
如下结论：开度约为总行程的 75% 的

NPS 4

(DN 100) 阀门完全符合需要的规

格。请注意在本例中，无需更新 F
F

值。如果在各迭代之间，FL 值将发生

LP

和

L

变化，则需要更新这些值，并重新计算
C

。

v

该结果仅表明 NPS 4 (DN 100) 阀门的口
径大小足以满足给定工况条件。但是，
也可能存在要求更精确地预测 C
况。在这些情况下，所需的 C
由上所得的 C

值计算得出的新的 Fp 值来

v

值的情

v

还应根据

v

确定。

在此例中，C

= 121.7，由此可得出以下

v

结果：

5.9 可压缩流体阀门选型计算

以下是用 ISA 标准的方法对用于可压缩
流体的控制阀进行选型计算的六个步
骤。这些步骤中的每一步都是重要的，
在任何阀门选型计算过程中都必须考
虑。

1. 确定如下阀门选型计算必需的变量：



要求的阀门型式（例如带线性阀笼
的平衡式直通阀）；



过程流体（空气、天然气、蒸汽
等）；



相应的工况条件—q 或 w、P1、P2 或
∆P、T

、M、γ，以及 Z1 或 ρ

1

只有通过对不同的阀门选型计算问题的
实际经验，才能获得辨别以上哪些项目
适用于某一特定的计算步骤的能力。如
果觉得对以上任何一项很生疏或不熟
悉，可参照缩写和术语表以了解其详细

1

93

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

的定义。

2. 确定公式常数 N2、N5 和 N6、N8 或 N9，
具体取决于可用的过程数据和使用的
单位。

N 是每个流量公式中都含有的数值常数，
用于提供一种使用不同单位制的方法。
上述各个常量的值及其相应的单位如公
式常数表所示。当流速以质量流量单位
给出并且已知密度 ρ
已知压缩率而不是密度，则 N
流量单位，N

9

，请使用 N6。如果

1

用于质量

8

用于标准体积流量单位。

3. 确定管道几何形状系数 FP 和为连接管

件调整的压降比系数 x

。

TP

对于这些计算，使用估计的 Cv 值和对应

的 x

。

TP

F

即表示因管件（例如，变径管、弯管

p

或三通管等）直接连接到所选控制阀的
入口和出口端接头造成的压力损失的修
正系数。如果将这种管件连接到阀门
上，则必须考虑这些情况。标准选型计
算程序提供了一种计算同心缩径和扩径
的 F

系数的方法。如果阀门未连接任何

P

管件，F
式中去除，并且 x

F

的值为 1.0 且可从选型计算公

p

的公式，请参阅“液体控制阀选型”

P

= xT。如需了解计算

TP

章节。

4. 确定用于选型计算的压降比 x

sizing

, 和

膨胀系数 Y。

当上游和下游压差足够高时，可能产生

阻塞流。如果阀门上的实际压降比 x 高
于导致阻塞流的压降，则必须使用阻塞
流压降比 x

来代替实际压降。如果

choked

发生了阻塞流，则膨胀系数将等于 2/3。

5. 计算 Cv。

如果此 Cv 值与步骤 3 中使用的估计值差
异较大，则使用此新 C
的相应 x

进行迭代。

T

值和产品信息中

v

与液体阀选型计算相同的方式获得。如
需了解公式 F

相关的阻力系数，请参见

P

有关液体阀选型计算的部分。

使用与所选阀门的 C
以下等式算出 x

对应的 xT 值，使用

v

：

TP

5.9.2 确定用于选型计算的压降比
(x

) 和膨胀系数 (Y)

sizing

首先，确定比热容比系数 Fγ：

然后，确定阻塞流压降比：

用于计算所需流量系数的压降比 x
实际系统压降比 x 和阻塞流压降比 x

sizing

是

choked

中的较小者。

使用 x

sizing

和 x

可计算膨胀系数：

choked

5.9.3 计算流量系数 (Cv)

以下三个方程都可用于计算 Cv，具体取
决于过程数据的形式。



对于质量流量和密度：



对于质量流量和可压缩性：

5.9.1 确定带有连接管件的阻塞流时

的管道几何形状系数 (FP ) 和压降比
系数 (x

用于可压缩流体阀选型计算的 FP 的值以

94

)

TP



对于标准体积流量和可压缩性：

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.9.4 可压缩流体选型计算例题 1

确定在下列工况条件下工作的费希尔
V250 型球阀的口径和开度。假定阀门与

管道的口径相同。

1. 指明阀门选型计算的必需的变量：



要求的阀门型式：费希尔 V250 阀门



过程流体：天然气



工况条件：

P

= 200 psig = 214.7 psia

1

P

= 50 psig = 64.7 psia

2

∆P = 150 psi

x = ∆P/P

T

Z

γ = 1.31

q = 6.0 x 10

2. 确定公式常数 N2、N5 和 N6、N8 或 N9。

对于这些单位，根据公式常数表，N2

= 890，N

积流量（单位 scfh）和可压缩性的工
况，请使用 N

3. 确定管道几何形状系数 FP 和为连接管
件调整的压降比系数 x

由于阀门属于管线等径且没有连接管

件，因此 F
100% 行程的 NPS 8 (DN 200) V250
门，x

4. 确定用于选型计算的压降比 x
胀系数 Y。

首先，计算比热容比系数 Fγ：

= 150/214.7 = 0.70

1

= 60oF = 520oR M = 17.38

1

= 1

1

6

scfh

= 1000。对于具有标准体

5

= 7320。

9

。

TP

= 1，xTP = xT。对于处于

P

= 0.14。

T

sizing

阀

和膨

然后，使用此值确定阻塞流压降比：

由于阻塞流压降比小于实际压降比，因
此：

膨胀系数 Y 等于：

5. 计算 C

v

该结果表明阀门的口径可满足流体通过
（额定 C
百分比，请注意所需的 C

= 2190）。要确定阀门开度

v

大约在所选

v

阀门开度为 83 度时。还要注意，在 83
度开度时，x

值为 0.219，这与计算中

T

最初使用的 0.137 的额定值存在较大差
异。下一步是使用行程为 83 度时 x

T

值

重新求解问题。

重新计算 x

choked

：

由于仍然处于阻塞流，因此所需的 Cv 现

95

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

在是：

所需 Cv 急剧下降的原因仅在于额定行程
和 83 度行程时的 x

继续该过程直到获得最终所需的 C
到结果为 C

= 923，xT = 0.372。

v

值存在差异。

T

，得

v



5.9.5 可压缩流体选型计算例题 2

假定蒸汽被供应给在 250 psig (17.2 bar)
压力下操作的工艺流程。蒸汽源保持在
500 psig (34.5 bar) 和 260°C (500°F)。计
划从主蒸汽连接一根 NPS 6 (DN 150) 的
标准壁厚管道到工艺流程。同时，假定
所需阀门的口径小于 NPS 6 (DN 150)，
它将使用同心变径来安装。确定相应的
带线性阀笼的费希尔 ED 阀门的型号。

1. 指明阀门选型计算的必需的变量：



要求的阀门型式：带线性阀笼的 300
磅级费希尔 ED 阀门。假定阀门口径
为 NPS 4 (DN 100)。



过程流体：过热蒸汽



6 英寸标准壁厚管道的 D = 6.1 英寸



工况条件：

w = 125,000 lb/h

P

= 500 psig = 514.7 psia

1

P

= 250 psig = 264.7 psia

1

∆P = 250 psi

x = ∆P/P

T

ρ

γ = 1.33



首先尝试计算处于 100% 行程的、带

= 250/514.7 = 0.49

1

= 260°C (500°F)

1

= 1.042 lbm/ft

1

3

线性阀内件的 NPS 4 (DN 100) ED 型
阀门：

C

= 236

v

x

= 0.690

T

2. 确定公式常数 N2、N5 和 N6、N8 或 N9。

对于这些单位，根据公式常数表，N2 =

890，N

（单位 lb/hr）和密度（单位 lbm/ft
的工况，请使用 N

= 1000。对于提供质量流量

5

= 63.3。

6

3

）

3. 确定管道几何形状系数 FP 和为连接管

件调整的压降比系数 x

。

TP

由于上游管道和下游管道的尺寸相

同，因此所需的阻力系数是：

和

现在，计算 Fp：

96

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

最后，计算 xTP：

4. 确定用于选型计算的压降比 x

sizing

和膨

胀系数 Y。

首先，计算比热容比系数 Fγ：

然后，使用此值确定阻塞流压降比：

使用产品目录中的 xT 值进行计算的迭代
会得到所需的 C

= 169，xT = 0.754。这种

v

情况发生于阀门处于 66% 开度时，因此
带有线性阀内件的 NPS 4 (DN 100) ED 型
阀门在流通能力方面可满足需求。由于
口径较小的同款 ED 型阀门的额定
有 148，因此不适于此工况。

Cv 仅



由于阻塞流压降比大于实际压降比，因
此：

膨胀系数 Y 等于：

5. 计算 C

v

97

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.10 选型计算系数示例

5.10.1 单阀座直通阀阀体的选型计算系数示例

阀门口径

(NPS)

阀芯型式 流量特性

阀口直径
（英寸）

额定行程
（英寸）

C

F

V

X

L

T

1/2 柱导向 等百分比 0.38 0.50 2.41 0.90 0.54 0.61
3/4 柱导向 等百分比 0.56 0.50 5.92 0.84 0.61 0.61

Micro-Form 等百分比 3/8 3/4 3.07 0.89 0.66 0.72

- - - - - - 1/2 3/4 4.91 0.93 0.80 0.67

1

- - - - - - 3/4 3/4 8.84 0.97 0.92 0.62

阀笼导向

线性 1-5/16 3/4 20.6 0.84 0.64 0.34

等百分比 1-5/16 3/4 17.2 0.88 0.67 0.38

Micro-Form 等百分比 3/8 3/4 3.20 0.84 0.65 0.72

- - - - - - 1/2 3/4 5.18 0.91 0.71 0.67

1-1/2

2 阀笼导向

3 阀笼导向

4 阀笼导向

6 阀笼导向

8 阀笼导向

- - - - - - 3/4 3/4 10.2 0.92 0.80 0.62

阀笼导向

线性 1-7/8 3/4 39.2 0.82 0.66 0.34

等百分比 1-7/8 3/4 35.8 0.84 0.68 0.38

线性

等百分比

线性

等百分比

线性

等百分比

线性

等百分比

线性

等百分比

2-5/16
2-5/16

1-1/8
1-1/8

3-7/16 1-1/2

4-3/8 2

7 2

8 3

72.9

59.7
148
136
236
224
433
394
846
818

0.77

0.85

0.82

0.82

0.82

0.82

0.84

0.85

0.87

0.86

0.64

0.69

0.62

0.68

0.69

0.72

0.74

0.78

0.81

0.81

F

0.33

0.31

0.30

0.32

0.28

0.28

0.28

0.26

0.31

0.26

D

98

5.10.2 旋转式阀门的选型计算系数示例

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

阀门口径

(NPS)

阀门型式

1 Ｖ 形切口球阀

1-1/2 Ｖ 形切口球阀

Ｖ 形切口球阀

2

高性能蝶阀

Ｖ 形切口球阀

3

高性能蝶阀

Ｖ 形切口球阀

4

高性能蝶阀

Ｖ 形切口球阀

6

高性能蝶阀

Ｖ 形切口球阀

8

高性能蝶阀

Ｖ 形切口球阀

10

高性能蝶阀

Ｖ 形切口球阀

12

高性能蝶阀

Ｖ 形切口球阀

16

高性能蝶阀

阀门开度
（角度）

C

v

F

X

L

T

60 15.6 0.86 0.53
90 34.0 0.86 0.42
60 28.5 0.85 0.50
90 77.3 0.74 0.27
60 59.2 0.81 0.53 - - ­90 132 0.77 0.41 - - ­60 58.9 0.76 0.50 0.49
90 80.2 0.71 0.44 0.70
60 120 0.80 0.50 0.92
90 321 0.74 0.30 0.99
60 115 0.81 0.46 0.49
90 237 0.64 0.28 0.70
60 195 0.80 0.52 0.92
90 596 0.62 0.22 0.99
60 270 0.69 0.32 0.49
90 499 0.53 0.19 0.70
60 340 0.80 0.52 0.91
90 1100 0.58 0.20 0.99
60 664 0.66 0.33 0.49
90 1260 0.55 0.20 0.70
60 518 0.82 0.54 0.91
90 1820 0.54 0.18 0.99
60 1160 0.66 0.31 0.49
90 2180 0.48 0.19 0.70
60 1000 0.80 0.47 0.91
90 3000 0.56 0.19 0.99
60 1670 0.66 0.38 0.49
90 3600 0.48 0.17 0.70
60 1530 0.78 0.49 0.92
90 3980 0.63 0.25 0.99
60 2500 - - - - - - 0.49
90 5400 - - - - - - 0.70
60 2380 0.80 0.45 0.92
90 8270 0.37 0.13 1.00
60 3870 0.69 0.40 - - ­90 8600 0.52 0.23 - - -

F

- - -

- - -

- - -

- - -

D

99

控制阀手册 | 第五章 控制阀选型

5.11 执行机构选型计算

执行机构的选型是通过保证驱动阀门所
需的力与能够提供这样一个力的执行机
构相匹配来进行的。对于旋转阀，一个
类似的过程就是保证驱动阀门所需的力
矩与提供这样一个力矩的执行机构相匹
配。相同的基本过程可用于气动、电动
或电液执行机构的选型。

5.11.1 直通阀

操作直通阀所需的力包括：



克服阀芯的静态不平衡力需要的力



提供阀座关闭力需要的力



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 ＋

5.11.1.1 A．不平衡力

不平衡力是阀门关闭时由流体压力引起

阀口直径 单座不平衡式阀门的不平衡面积

1/4 0.028 - - -

3/8 0.110 - - -

1/2 0.196 - - -

3/4 0.441 - - -

1-5/16 1.35 0.04

1-7/8 2.76 0.062

2-5/16 4.20 0.27

3-7/16 9.28 0.118

4-3/8 15.03 0.154

B ＋ C ＋ D

1 0.785 - - -

7 38.48 0.81

8 50.24 0.86

的力，在通常情况下可表示为：

不平衡力 ＝ 净压差 × 净不平衡面积

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
进口压力时有一个背压。净不平衡面积
是流向向上的非平衡式单座阀的阀口面
积。取决于阀杆的形式，不平衡面积可
能需要考虑阀杆的面积。对于平衡式阀
门，仍然存在一个小的不平衡面积。这
个数据可以从制造商那里获得。向上流
动的平衡式阀门和向下流动的不平衡式
阀门的典型的不平衡面积列出如下。

平衡式阀门的
的不平衡面积

图 5.2 控制阀的典型的不平衡面积

100