平衡式与不平衡式阀芯

省下的推力，从别处付回去

平衡孔不只是一条泄压通道，它同时是一条与阀座并联的旁路

全文约 3400 字 · 阅读约 9 分钟 · 图表 4 幅

某加氢装置一台 DN150 调节阀，阀前后压差 3.5 MPa。当年选型为了配小一号执行机构，选了平衡式笼式阀芯。运行到第三年，操作反映"阀关到 0% 还有流量"，下游温度在阀全关状态下仍然缓慢往上爬。

仪表专业排查了一圈：阀位反馈正常，行程标定合格，定位器零点正确，气源压力足够。把阀拆下来做水压试验，阀座密封面完好无损，研磨痕迹均匀——但泄漏量就是做不到 Class Ⅳ。

问题出在阀芯外圆那两道石墨活塞环上。它们磨损之后，介质绕过阀座，从平衡孔那条路直接进了下游。阀座是好的，阀漏的不是阀座。

01

不平衡力：被口径平方放大的那个数

关闭状态下，阀芯上下两侧承受不同的压力。这个压差作用在阀座孔面积上，产生一个必须由执行机构顶住的力：

F = (P1 − P2) × π d² / 4

平衡式阀芯的做法是在阀芯上开平衡孔，把阀座上方的压力引到阀芯上腔，让阀芯上下受同一个压力。剩下的压差只作用在阀杆穿过阀盖的那一小块截面上：

F ≈ ΔP × π d杆² / 4

图 1  两种阀芯的压力分区。左：整个阀座面积承受压差；右：平衡孔把下游压力引到阀芯上腔

▍三个算例

取阀杆直径 φ25 mm（截面 491 mm²），对照图 2 上的 A、B、C 三点：

· A：阀座 50 mm、ΔP = 1 MPa → 不平衡式 1.96 kN，平衡式 0.49 kN

· B：阀座 100 mm、ΔP = 2 MPa → 不平衡式 15.7 kN，平衡式 0.98 kN

· C：阀座 200 mm、ΔP = 4 MPa → 不平衡式 125.7 kN（约 12.8 吨），平衡式 1.96 kN

从 A 到 C，压差涨了 4 倍，口径也涨了 4 倍，力却涨了 64 倍。口径的平方在这里是主项——这就是为什么大口径高压差场合几乎没有不平衡式的位置。

图 2  等值线读不平衡式的力，右轴读同一压差下平衡式的剩余力（φ25 阀杆）

平衡式把不平衡力降低的比例就是两个直径的平方比。C 点上 (25/200)² = 1.56%，也就是减少了 98.4%。执行机构因此可以小一号甚至两号，采购价、气耗量、安装空间和支架载荷全都跟着下来。

需要提醒一句：执行机构的推力核算不止于不平衡力。关闭时还要提供座载荷，才能达到规格书要求的泄漏等级。等级越高，单位阀座周长上需要的座载荷越大——从 Class Ⅳ 到 Class Ⅴ 通常要提高数倍。这部分推力两种结构都得出，不因为平衡而减少。

平衡式省下的是执行机构的推力，

付出的是一条与阀座并联的旁路。

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02

平衡孔是一条与阀座并联的旁路

平衡孔有两重身份。它把下游压力引到阀芯上腔，这是设计意图；它同时构成一条从阀腔通往下游、绕过阀座的通道，这是副作用。

关闭状态下的实际内漏，等于阀座泄漏加上平衡密封环的间隙泄漏。这条旁路上唯一的封堵，就是阀芯外圆与套筒之间那一道或两道密封环。

▍密封环形式决定了能做到哪一级

· 金属活塞环（开口式）：耐温高、耐磨、耐颗粒冲刷，但开口间隙天生存在，常规只能做到 Class Ⅱ~Ⅲ

· PTFE 或填充 PTFE 唇形环：贴合好，可到 Class Ⅳ~Ⅴ，但耐温一般不超过 230 ℃

· 石墨环：耐温高，密封性介于前两者之间，摩擦力偏大

· 弹性平衡环配软阀座（PEEK / PTFE）：可以做到 Class Ⅵ

这里有个常见误解需要纠正：ANSI/FCI 70-2 对 Class Ⅵ 的定义本身就写明适用于"带 O 形密封圈或类似无缝隙密封件的平衡式或非平衡式单座弹性阀座控制阀"。所以平衡式并非天然做不到 Ⅵ 级，做不到的是"金属活塞环加金属阀座"这一个组合。

图 3  上：各泄漏等级的允许量（DN150 示例，对数刻度）；下：各结构组合的常规可达等级

把数字摆出来更直观。一台 DN150、额定 Kv 约 173 的阀，额定容量折合 2883 L/min：

· Class Ⅳ（0.01%）：0.288 L/min

· Class Ⅲ（0.1%）：2.88 L/min

· Class Ⅱ（0.5%）：14.4 L/min，也就是 864 L/h

平衡密封环磨损让一台阀从 Ⅳ 级退到 Ⅱ 级，泄漏量涨 50 倍。阀位显示 0%，管道里每小时白跑近一吨介质。

所有能查的都正常：阀位、行程、定位器、阀座。

唯一异常的那道环，不解体就看不见。

▍为什么它是静默的

阀位反馈正常，因为阀芯确实走到了 0%；行程标定合格，因为行程本来就没问题；定位器零点正确；解体后阀座密封面完好。所有常规检查项目全部通过，而阀确实在漏。异常只存在于阀芯外圆的密封环上，它藏在装配体内部，不拆开看不到，拆开了也常常因为"外观还行"而被留用。

可用的诊断线索有这么几条：

· 全关状态下下游温度或压力仍在缓慢变化

· 阀关闭后管道仍有持续的流噪声，声发射检测能捕捉到

· 阀两侧的管壁温差在全关后不但没有拉大，反而逐渐消失

· 停车检修时分别做"阀座泄漏"和"总泄漏"两项试验，两者差值就是旁路泄漏

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03

摩擦：平衡环加在填料之上

平衡密封环要压在套筒内壁上才能封住旁路，压紧就有摩擦。这份摩擦是叠加在填料摩擦之上的，不是替代关系。

· 填料摩擦：PTFE V 型环约 150~350 N（φ19 阀杆量级），石墨环约 500~900 N

· 平衡密封环摩擦：与套筒周长、密封形式和压差有关，常见量级 200~700 N

▍死区与行程长短无关

弹簧薄膜执行机构的刚度由弹簧压力范围、膜片有效面积和额定行程决定：k = ΔP弹簧 × A膜 / S。摩擦力造成的行程死区是 δ = 2F / k，换算成百分比：

δ% = 200 F / (ΔP弹簧 × A膜)

行程 S 约掉了。死区百分比只取决于弹簧压力范围和膜片有效面积，跟行程有多长没有关系——这一点在选型时经常被误解为"行程长的阀死区大"。

图 4  开环行程死区与摩擦力成正比。阴影带为两类阀典型的摩擦力区间（示意）

取弹簧范围 0.16 MPa、膜片 700 cm² 计算：

· F = 300 N（PTFE 填料，不平衡式）→ 开环死区 5.4%

· F = 1200 N（石墨填料加平衡环，平衡式）→ 开环死区 21.4%

加装定位器之后死区会被压缩到几分之一，但压缩比有限，而且残余死区仍然与摩擦力成正比：摩擦翻倍，死区翻倍。对流量、压力这类快回路，这个差别足以决定回路能不能整定得住。

死区不看行程有多长，

只看弹簧范围乘膜片面积。

落到规格书上：泄漏等级和 Cv 几乎每份规格书都写了，死区或分辨率要求却常常空着。选平衡式时如果不把这一项写进去，供货方没有义务为你选更大的膜片。

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04

平衡孔堵了，不平衡力会突然回来

平衡孔的直径通常只有 3~8 mm，而且它不在主流道上，孔内流速很低。对于含固体颗粒、易结焦、易聚合或易结晶的介质，这里是天然的沉积点。

一旦堵塞，阀芯上腔压力不再跟随下游压力，阀芯就重新变回部分甚至完全不平衡的状态。原本按平衡式核算的执行机构推力，突然要去面对按阀座面积计算的力。

麻烦在于这个失效是不对称的。低压差工况下不平衡力本来就小，堵了也看不出来；只有在开车、事故联锁、大幅负荷切换这类高压差时刻，力才会回来，表现为行程走不满、关不到位、或者阀位与信号出现固定偏差。而例行行程试验往往是在停车、无压或低压差条件下做的，正好查不出它。

平衡孔堵塞不会报警，

它只在你最需要推力的那一刻暴露。

▍对策

· 含固、易结焦、易聚合介质优先不选平衡式；必须选时要求加大平衡孔直径，并核算沉积风险

· 例行试验尽可能在带压条件下做全行程，记录走满行程所需的气源压力

· 把"同一开度所需气压"做成趋势。逐年上升说明摩擦增大或平衡孔部分堵塞，这是少数能在线发现该问题的手段

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05

怎么选

两种阀芯不是"低配与高配"，而是把同一份代价分配到了不同的地方。

▍优先选不平衡式的情形

· 按 F = ΔP·πd²/4 算出的力落在常规薄膜执行机构能力内（图 2 的绿色区）

· 要求 Class Ⅴ 或 Ⅵ 严密切断，且没有独立切断阀

· 介质含固体、易结焦、易聚合、易结晶

· 回路对死区敏感（快速流量或压力回路）

▍必须用平衡式的情形

· 不平衡力超出可选执行机构的推力上限，或执行机构大到安装空间放不下

· 大口径叠加高压差，且工艺允许把严密关断交给独立的切断阀

· 需要频繁快速动作，大执行机构的响应速度跟不上

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06

落到设计和维护的动作

▍设计侧

· 规格书里把泄漏等级和死区（或分辨率）要求分别写清楚，不要只写 Cv 加泄漏等级

· 选平衡式时，把平衡密封环的形式、材质、可达泄漏等级列为独立条目，而不是笼统写"平衡式阀芯"

· 高压差叠加严密切断的组合，考虑"平衡式调节阀 + 独立切断阀"的方案，不要让一台阀两头都做

· 先用 F = ΔP·πd²/4 自己手算一遍不平衡力，再去看厂家推荐的执行机构规格，两个数对不上就要问清楚

· 明确阀的流向（流开还是流闭），并核实与厂家推荐一致。不平衡式在流闭方向的小开度稳定性明显差于流开

▍维护侧

· 建立"走满行程所需气压"的趋势记录。这个数逐年上升，指向摩擦增大或平衡孔堵塞

· 关闭状态下发现内漏，先怀疑平衡密封环，不要一上来就研磨阀座。研磨阀座解决不了旁路泄漏

· 平衡密封环按周期更换，不要按外观判断。活塞环的开口间隙磨大了，外观看不出来

· 检修试验记录里把"阀座泄漏"和"总泄漏"分开填。只填总泄漏会掩盖问题究竟出在哪一条路径上

▽ 参考资料（8 项）

[1] ANSI/FCI 70-2《Control Valve Seat Leakage》

[2] IEC 60534-4 / GB/T 17213.4《工业过程控制阀 检验和例行试验》

[3] GB/T 4213《气动调节阀》（泄漏量等级见其表 2）

[4] GB/T 17213.2《工业过程控制阀 安装条件下流体流量计算公式》

[5] IEC 60534-2-1《Industrial-process control valves — Flow capacity — Sizing equations》

[6] ANSI/ISA-75.25.01《Test Procedure for Control Valve Response Measurement from Step Inputs》

[7] ANSI/ISA-75.13.01《Method of Evaluating the Performance of Positioners with Analog Input Signals》

[8] Emerson《Control Valve Handbook》第 5 版

你处理过平衡密封环磨损造成的内漏吗？

是怎么定位到它、而不是怪到阀座头上的？欢迎在留言区说说排查过程。