耐負壓自控閥的關鍵性能優化與應用研究

摘" 要：研究以提升耐負壓自控閥的關鍵性能為目標，圍繞流體力學優化、材料改進及結構設計展開分析。研究內容涵蓋關鍵性能指標識別與測試方法改進、基于數值仿真的流場優化以及實驗驗證。應用研究針對供水系統典型工況，評估閥門的適應性和運行效果，并探討推廣過程中可能面臨的問題及解決策略。結果表明，優化后的閥門在穩定性、耐久性和節能性方面顯著提升，為供水系統的安全性與經濟性提升提供了技術支持和理論依據。

關鍵詞：耐負壓自控閥"" 性能優化"" 流體力學仿真"" 材料改進"" 供水系統適應性

中圖分類號：TH134

Research on Key Performance Optimization and Application of Negative Pressure Resistant Automatic Control Valve

SHEN Minxia "SHEN Yongzeng "YANG Yong "HUANG Xianyao "SHEN Minjun

Zhejiang Yonglian Valve Group Co.， Ltd.， Wenzhou， ，Zhejiang Province， 325600 China

Abstract： In order to improve the key performance of negative pressure resistant automatic control valve， this paper analyzes the fluid dynamicshydrodynamics optimization， material improvement and structural design. The research content includes key performance index identification and test method improvement， flow field optimization based on numerical simulation and experimental verification. The application research focuses on typical operating conditions of water supply systems， evaluates the adaptability and operation effect of the valve according to the typical working conditions of the water supply system， and discusses the possible problems and solutions in the promotion process. The results show that the stability， durability and energy efficiencysaving of the optimized valve are significantly improved， which provides technical support and theoretical basis for the safety and economic improvement of the water supply system.

Key Wwords： Negative pressure resistance automatic control valve; Performance optimization; Fluid dynamics simulation; Material improvement; Water supply system adaptability

供水系統的運行效率與穩定性對城市供水安全至關重要，而傳統耐負壓自控閥因密封性能差、耐久性不足等問題，限制了其在復雜工況下的應用。為此，本文從流體力學優化、高性能材料選用、結構改進等方面入手，提升閥門的關鍵性能指標，并結合實際工況進行適應性評估與驗證，同時針對推廣中的問題提出解決策略，為提升耐負壓自控閥性能及其工程應用提供技術支持。

1 ""耐負壓自控閥的性能優化研究

1.1 ""關鍵性能指標的識別與評估

耐負壓自控閥的性能優化中關鍵性能指標包括密封性能、耐壓能力、材料耐久性和結構的抗疲勞性能。（1）在密封性能方面，依據《通用閥門 壓力試驗》（GB/T 13927—2022）[ 1]"的標準，閥門需要經受高低壓密封試驗，試驗壓力為1.5 MPa，持續時間不少于60[ 2]" s保證內部和外部均無可見泄漏。基于此，低壓密封性能在壓力為（0.6 ± 0.1）MPa的條件下也需要進行測試，保障長期運行中不會因密封失效導致泄漏。（2）對耐壓能力來說，閥門需要在1.1 MPa壓力下持續至少60 s，確保閥門結構具備承受工業壓力波動的能力，并在此條件下保持穩定運行^[1]。（3）材料耐久性和抗疲勞性能是閥門長壽命運行的核心保障，根據金屬材料的成分分析（如《不銹鋼及耐熱鋼 化學成分測定方法 電感耦合等離子體原子發射光譜法》（GB/T 11170—2008）標準）來驗證材料成分的準確性。參考數據表明：CF8材料的化學成分要求中Cr含量為18.21%、Ni含量為8.14%，均達到標準要求；同時，壁厚檢測顯示其厚度為4.82 mm，高于標準要求的4.4 mm，確保閥體的強度和耐久性。在負壓環境下的運行需求中，還需要分析其在負壓條件下的動態響應性能（如閥門在突然開啟和關閉過程中是否能夠保持穩定的密封性能），進而為后續優化工作提供詳細數據支持。

1.2 "流體力學仿真優化"""""" 流體力學仿真優化參考閥門的試驗條件與流體性質，建立基于計算流體力學[ 3]"（Computational Fluid Dynamics，CFD）的三維模型，對閥門的內部流場進行動態仿真。仿真中重點分析流體在不同工況下的壓力分布、流速變化和湍流特性。以流體壓力為例，在設計壓力1.5 MPa時，內部壓力分布需要均勻，避免局部區域壓力過大導致應力集中。優化過程中，調整閥門流道形狀以減少流阻，同時優化閥芯設計以消除渦流的形成和湍流強度的增加。仿真結果顯示根據優化設計后，流體流動阻力降低15%，湍流強度顯著減少從而提升閥門的運行穩定性。負壓環境下運行的仿真中，需要評估閥門在負壓瞬態工況中的動態響應性能，測試數據表明在壓力從正壓1 MPa快速切換至負壓-0.1 MPa的條件下，閥門密封性能夠保持穩定無明顯泄漏現象，表明設計改進具有良好的適應性。仿真優化不僅為產品開發節約了大量成本，還提供了精準的數據支持保障優化后的閥門能適應各種復雜工況。

1.3 "材料與結構改進的設計與驗證

材料方面本研究選用CF8不銹鋼作為主要閥體材料，依據《通用閥門 不銹鋼鑄件技術條件》（GB/T 12230）標準[ 4]"對其化學成分進行了詳細分析。檢測結果顯示CF8材料的C含量為0.06%、Si含量為0.76%、Cr含量為18.21%、Ni含量為8.14%，完全滿足標準要求^[2]。其優異的耐腐蝕性和抗疲勞性為閥門在復雜工況下的穩定運行提供了可靠保障。針對密封層的設計，依據《閥門密封設計技術規范》（JB/T 14312—2022）的要求，密封層的最小厚度須達到2.5 mm，檢測結果顯示實際厚度為2.8 mm，高于標準要求，進一步增強了密封性能。對結構改進來說，根據優化閥門流道的幾何設計，顯著降低了內部流體阻力，閥體壁厚的設計上優化后的壁厚為4.82 mm，保證了強度滿足高壓工況需求。針對耐負壓的特殊要求，對密封層進行了耐負壓檢測，試驗壓力為-0.1 MPa保壓1 h。試驗結果表明，密封層未出現剝離、裂紋或變形現象，閥門整體結構和密封性能保持完好。改進后的閥門經受住了高低壓切換、長期負壓工況等多種實驗條件的驗證，展現出優異的性能穩定性與耐久性。綜上所述，材料與結構的優化設計有效提升了閥門的綜合性能，進一步擴展了其在復雜工況中的適用范圍。

2 "耐負壓自控閥在工程中的應用研究

2.1 "工程應用場景與技術需求分析

耐負壓自控閥在供水系統、高層建筑以及真空系統中具有顯著的工程價值。供水系統中的瞬態壓力變化，例如水錘效應，會對傳統閥門造成嚴重損害，導致密封失效甚至破裂。耐負壓自控閥的優化設計結合了流體力學的精確計算和材料的高強度選擇，能夠在動態負壓環境下保持穩定密封功能^[3]。實驗數據顯示，在水泵啟停頻繁的管網中，該閥門能夠有效降低瞬態壓力峰值，從而保護管網系統。

高層建筑中供水的垂直高度和復雜的管網布局對閥門性能提出了更高要求。耐負壓自控閥通過流道形狀的優化，顯著降低了內部流阻，同時增強了閥門在多個供水系統中的穩定性。實際測試表明，在50[ 5]" m高差的建筑供水中，閥門在各樓層壓力差異顯著的條件下依然能夠保持優異的密封性能，并有效平衡供水壓力，提升了整體運行效率。

真空系統的應用對閥門的密封性和抗疲勞性能有極高要求，傳統閥門在長時間負壓環境下易發生變形或損壞^[4]。耐負壓自控閥的密封層經過耐負壓檢測，在-0.1 MPa的持續負壓條件下保持穩定性能，展現了優異的氣密性和耐久性，適用于高精度的真空工藝需求。

2.2 "實驗驗證與性能評估

工程應用中，為驗證耐負壓自控閥在復雜工況下的適應性與穩定性，采用了多組實驗測試。基于CFD仿真技術，構建閥門的三維流體模型，分析流場中壓力分布、流速變化以及湍流特性。實驗結果表明，在設計壓力為1.5 MPa的工況下，流場分布均勻，局部壓力過大的現象得到顯著改善，湍流強度降低了15%，流動阻力顯著減少。優化后的閥門在不同工況下表現出更低的能量損耗，提升了系統運行的節能性。

應用于高層建筑供水系統中，該閥門的抗水錘性能經過專門測試。在瞬態壓力從0.8 MPa切換至-0.1 MPa的條件下，閥門的密封性能未出現明顯衰減，泄漏量接近于零^[5]。工業管網中的實驗驗證顯示，該閥門在高溫腐蝕性流體介質中運行1 000 h后，其密封層和材料結構均保持穩定，展現出優異的耐久性和可靠性。

綜合評估結果表明，耐負壓自控閥在工程應用中能夠有效解決傳統閥門在復雜工況下的不足，具有廣闊的推廣價值。結合現場實驗與數據分析，其優化后的結構設計和材料性能為供水和工業管網系統提供了可靠保障。

2.3" 在供水系統中的實際應用效果

某城市高層建筑供水系統因管網老化和設計不足，長期受到水錘效應和漏水問題的困擾。水泵啟動或停止時產生的瞬態壓力波動往往引發嚴重的水錘現象，造成閥門密封失效甚至管道損壞，導致漏水率居高不下。傳統使用的普通止回閥在負壓環境中表現出密封性能差、壽命短的問題，進一步加劇了供水系統的維護難度。為了解決這一系列問題，項目團隊決定將傳統止回閥替換為耐負壓自控閥，同時，針對水錘效應制定配套緩解策略，如安裝穩壓罐以平衡壓力波動。新閥門在流體力學優化和材料性能提升方面具有顯著優勢，能夠在復雜壓力條件下保持穩定運行，減少水錘影響，并有效提升密封性能和耐久性。具體實施中，耐負壓自控閥被安裝在水泵出口和管網關鍵節點，根據優化后的流道設計顯著降低了流體阻力，減少了管網壓力波動的幅度。為了緩解水錘效應項目團隊同步安裝了穩壓罐，幫助平衡管道中的瞬態壓力峰值，保護閥門和管網系統。在閥門運行過程中，智能監測系統實時采集管網內的壓力變化數據，對負壓條件下的動態密封性能進行評估，保證閥門的長期穩定運行。經過一年多的運行測試，供水系統在密封性能、水錘防護和運行成本方面取得了顯著改進，詳細見表1。

由表1可得，水錘壓力峰值由原來的1.8 MPa降低至1.2 MPa，下降幅度達到33%；漏水率從3.2%降至0.2%，降低了約94%，極大減少了水資源浪費，進一步提高了系統供水效率；閥門的平均使用壽命由2.5年延長至6年，增長了140%，顯著降低了更換和維護的頻率；系統維護次數從每年4次減少至1次，減少了75%，大幅度降低了維護工作量和人員成本；綜合運行成本從每年12.5萬元降至7.5萬元，節省了40%，體現了經濟效益的顯著提升。這些數據表明，耐負壓自控閥及其配套策略在優化供水系統中的重要作用，不僅提升了系統的穩定性和效率，還顯著降低了運行和維護成本。

3" 結語

本研究圍繞耐負壓自控閥的性能優化展開，從流體力學仿真、材料改進及結構優化等方面進行了深入分析，并結合供水系統的實際工況，通過實驗驗證了優化設計的有效性。研究結果表明，優化后的耐負壓自控閥在降低水錘效應、減少漏水率以及延長使用壽命方面具有顯著成效，同時展現了優異的密封性能、穩定性和適應性，對復雜工況下供水系統的安全性、可靠性、經濟性提升具有重要意義。未來研究可結合智能監測技術，實現實時運行狀態監控與故障預警；推動行業標準化建設，提升閥門的兼容性與應用便捷性；探索其在更多復雜工況和領域中的應用潛力，進一步促進供水系統技術的持續發展，為智慧城市建設提供堅實支撐。

參考文獻

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