曹駿CAO Jun

（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司，安慶 264000）

0 引言

過程控制工業(yè)中控制閥是常用的終端控制元件，在石油化工行業(yè)生產(chǎn)過程中有著很大的作用意義，歷往石油化工在進(jìn)行生產(chǎn)工作時，經(jīng)常會出現(xiàn)安全事故，對化工企業(yè)的人員和經(jīng)濟(jì)效益造成很大威脅。這其中閥門自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量是重要的影響因素，如果閥門沒有在正確的環(huán)境中進(jìn)行安裝，同時安裝出錯，很容易導(dǎo)致閥門質(zhì)量存在問題，并且自身智能化程度關(guān)乎其自我診斷的效果，如果診斷故障就不能在問題發(fā)生后報警，最后閥門損壞，造成生產(chǎn)事故。此外閥門運行時需保持在額定參數(shù)范圍內(nèi)，并且需要工作人員定期對閥門進(jìn)行檢查，及時發(fā)現(xiàn)故障，如果閥門一直處在超負(fù)荷工作狀態(tài)中，會導(dǎo)致相關(guān)零件破損，同時如果閥門選型與實際生產(chǎn)裝置不搭配，也會出現(xiàn)安全問題。

1 控制閥定義

控制閥，又稱調(diào)節(jié)閥，是工業(yè)過程控制中的主要執(zhí)行單元儀表，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變流體流量?？刂崎y一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動力，控制閥可以分為氣動、電動、液動、手動與自力式五種，即以壓縮空氣為動力源的氣動調(diào)節(jié)閥，以電為動力源的電動控制閥，以液體介質(zhì)（如油等）壓力為動力的電液動控制閥，手動操作的手動控制閥、依靠流經(jīng)閥內(nèi)介質(zhì)自身的壓力或溫度作為能源驅(qū)動的自力式調(diào)節(jié)閥，另外，按其功能和特性分，還有電磁閥、電子式、智能式、現(xiàn)場總線型控制閥等[1]。

2 石油化工行業(yè)中智能化控制閥的設(shè)計故障問題以及功能要求

現(xiàn)階段，各大企業(yè)、工廠逐漸走向智能化生產(chǎn)的發(fā)展方向，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式難以在現(xiàn)今時代發(fā)揮優(yōu)勢，相關(guān)企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)注重對數(shù)字化技術(shù)的利用，使用微機(jī)控制技術(shù)來取代傳統(tǒng)的人為操作，加強(qiáng)對智能化閥門儀表的利用，加強(qiáng)現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)建設(shè)。不過目前智能化控制閥在具體使用過程中還存在一定的問題，需要做好革新與強(qiáng)化工作。

2.1 工藝及設(shè)計引起的故障

①工藝參數(shù)變化而導(dǎo)致管道壓差變大等原因?qū)е麻y門無法動作。

②閥體受到介質(zhì)的影響而結(jié)垢，引起閥門動作異常。

③因管道堵塞引起的閥門不能正常動作。

④設(shè)計選型不當(dāng)，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏小，力矩不夠，閥門難以正常動作，或閥體材質(zhì)不合適，導(dǎo)致閥體損壞[2]。

2.2 原因?qū)Σ?/h3>

①由于承受過大壓差導(dǎo)致控制閥無法正常開啟。優(yōu)化處置方法：在控制閥前后加裝1臺旁通閥。

②因工藝原因閥體結(jié)垢而導(dǎo)致控制閥不能正常開啟。優(yōu)化處置方法：增加沖洗水管，另外定期拆開閥門清洗閥體，必要時打磨閥芯。

③管道堵塞導(dǎo)致控制閥不能動作。優(yōu)化處置方法：優(yōu)化操作方式，盡量不使管道堵塞，另外拆開管道沖洗閥門。

④關(guān)于設(shè)計選型問題。優(yōu)化處置方法：在設(shè)計階段盡量對各種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保選型時不會因為工藝參數(shù)不準(zhǔn)導(dǎo)致選型出現(xiàn)問題。

3 智能化控制閥設(shè)計要求

3.1 控制閥模塊化設(shè)計

在設(shè)計控制閥中的智能操作系統(tǒng)以及其制定組織的配套設(shè)計時，需要選擇無管道連線，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，按照控制閥類型來劃分模塊，功能不變部分可稱之為通用模塊，功能變化部分則為專用模塊，并獨立開發(fā)各模塊性能，圖一為模塊化控制閥模塊組合。同時自身的抗震動以及堅固性能應(yīng)得到強(qiáng)化，并且在具體安裝時應(yīng)加入靈活性、多樣化的特征，確保其能夠自由調(diào)節(jié)安裝方向，另外需要安裝的附件也應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，力求能夠穩(wěn)定、迅速、簡易的完成安裝流程，符合安裝現(xiàn)場總線的相關(guān)要求。另外和控制閥有關(guān)的零件，應(yīng)該具有統(tǒng)一的用途，在不同口徑閥門中盡量使用相同的零部件。在具體設(shè)計產(chǎn)品過程中，不光要保證多樣性、功能優(yōu)化的特點，同時智能化控制閥的靈敏度以及工作效率等應(yīng)該進(jìn)一步強(qiáng)化[4]。

圖1模塊化控制閥模塊組合示意圖

3.2 智能化設(shè)計

在設(shè)計控制閥環(huán)節(jié)中，控制方式較常用的有兩種，分別為氣體控制以及電動控制。前者主要作用在定位器方面，而護(hù)著是在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中體現(xiàn)作用。在數(shù)字技術(shù)的運用層面中，智能控制閥的控制核心主要通過數(shù)字智能定位器與電動機(jī)構(gòu)向結(jié)合的方式而形成，使用數(shù)字通訊在總線上傳送控制閥內(nèi)的流量，同時可以通過智能裝置來實現(xiàn)信號聯(lián)系，進(jìn)而省略了主控系統(tǒng)的連接流程，只要在智能變送器的調(diào)節(jié)閥中連接一個相關(guān)信號，就能實現(xiàn)控制現(xiàn)場的工作，而主處理的工作狀態(tài)得到加強(qiáng)。通過這種智能化設(shè)計，能夠?qū)⒐ぷ髑闆r通過工作設(shè)備的人機(jī)界面來實時顯示，在這個過程中，報警歷往信息、實時報警信息、數(shù)據(jù)報表、歷史報表等都能快速采集，并通過建立曲線模型等方式來講控制閥工作狀況清晰的顯示出來。

同時所設(shè)計的智能化控制閥應(yīng)具有自我診斷以及自我診斷功能，如果構(gòu)成回路的某一環(huán)節(jié)產(chǎn)生故障，就可以通過網(wǎng)絡(luò)報警，同時各個裝置可以實時的相互質(zhì)詢，確保故障得到排除。

3.3 安全性能設(shè)計

在為石油化工行業(yè)設(shè)計智能控制閥時，應(yīng)將安全性能作為第一考慮要素，在選擇智能化控制閥的材料時，應(yīng)注重耐高壓、高溫、燃燒等性能，最大化降低使用故障，提高產(chǎn)品生命使用周期。同時其自身的操動機(jī)構(gòu)要保證具有很高的安全性能，進(jìn)而在使用閥門的過程中不會出現(xiàn)誤開誤關(guān)等失靈故障，增大生產(chǎn)成本。

3.3.1 控制閥（調(diào)節(jié)閥）降壓系統(tǒng)在選擇時需要考慮的因素

控制閥作為一種終端部件而應(yīng)用在設(shè)備的過程控制系統(tǒng)中，是化石工廠慣常使用的執(zhí)行器，根據(jù)系統(tǒng)要求，控制閥在工作時應(yīng)盡可能消耗更低的能量，同時可以匹配系統(tǒng)的工作特性。但這兩個要求在實際過程中并不互通，很難同時滿足。在得到同樣流量的條件下，如果控制閥口徑小，且其他阻力因素固定，將得到較大的總阻力，系統(tǒng)總壓降大。如果物體流量是由泵來推動的，就說明選擇泵與電機(jī)時需要選擇大功率類型，這將造成大量能耗。

管道系統(tǒng)存在的介質(zhì)如果增加流速，管道上安裝的各部件在流體經(jīng)過時而形成的流體壓降會呈現(xiàn)一連串動態(tài)變化，而控制閥作為管道控制流體的重要部件，其形成的流體壓降很容易被忽略，而這個問題如果不被重視，很容易出現(xiàn)問題。就控制閥相關(guān)系統(tǒng)問題來研究，應(yīng)先掌握控制閥本身情況，而它的降壓與系統(tǒng)動態(tài)平衡之間的關(guān)系也應(yīng)考慮在內(nèi)[5]。

而對應(yīng)泵在該系統(tǒng)存在的壓力特性方程為：

ΔPfo表示泵出口壓力增壓在零流量時的常數(shù)；ρ為液體位液體介質(zhì)質(zhì)量密度；F為液體介質(zhì)的質(zhì)量流量；

在這個基礎(chǔ)上可以來探討一下系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥存在的最大壓降與最小壓降。

3.3.2 基于控制閥的氣蝕現(xiàn)象應(yīng)考慮的問題

在使用控制閥時需要采取防護(hù)措施，最大程度降低氣蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以在控制閥上下游位置安裝截止閥或氣流孔板，以此對其壓降特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，此方法適用于小流量情況，同時內(nèi)件在選擇時應(yīng)帶有反氣蝕功能，以此來有效防護(hù)氣蝕，有助于在調(diào)節(jié)閥內(nèi)改變流體流速變化，加大內(nèi)部壓力?？刂崎y的材質(zhì)選擇應(yīng)盡量具有較硬的特質(zhì)，這樣如果發(fā)生氣蝕，控制閥自身耐磨性和抗沖蝕性得到加強(qiáng)，即使氣蝕存在，短時間內(nèi)也不會對控制閥捏肩造成損壞，而控制閥的材質(zhì)屬于軟性質(zhì)，難以具有較好的耐磨性以及抗沖蝕性，進(jìn)而發(fā)生氣蝕很快就會磨碎內(nèi)部構(gòu)造，控制閥使用壽命降低，無法正常工作?，F(xiàn)階段工程材料沒有什么能在嚴(yán)重氣蝕條件下產(chǎn)生很大作用，因此需要根據(jù)客觀情況來對相關(guān)問題綜合分析，確保后續(xù)處理方式有效合理，最大化降低控制閥的損耗。抗氣蝕應(yīng)用中常見的直行程控制閥內(nèi)件多采用以下三種典型的設(shè)計：如圖2：a的套筒型閥籠設(shè)計，小孔設(shè)計是主要特點，通過各小孔來噴射液體，以此互相碰撞閥籠中心，一方面利用碰撞進(jìn)行動能消耗，起到緩沖作用；另一方面氣蝕形成的氣泡破裂發(fā)生在閥籠中心，也就避免了對閥內(nèi)件的直接破壞。第二種則是運用多級降壓原理在設(shè)計，流體壓差分配在整個多級閥籠流道，這樣每一級閥內(nèi)件承受的壓降都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總體的壓降，在多級壓降設(shè)計中建議采用不均勻的壓降分布，如圖3所示，這種設(shè)計可使得最后一級閥內(nèi)件承受最小的壓差，從而更容易消除氣蝕破壞的風(fēng)險。其中典型多級降壓法內(nèi)件設(shè)計可參考圖2：b、c，前者使用介質(zhì)較干凈的工況，后者則是臟污氣蝕工況更適應(yīng)[7]。

3.4 防漏與防噪聲

智能化控制閥的防漏功能主要發(fā)揮在那內(nèi)漏與外漏方面上，在其中閥座結(jié)構(gòu)以及填料質(zhì)量是重要的取決因素，想要將這種問題有效解決，主要有三種方案：其一是將螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以此讓閥座得到更密封的效果性能。其二則是設(shè)計填料新鄉(xiāng)密封箱，使用特殊材料并采用V形填料設(shè)計方式來加強(qiáng)密封性，加入微型密封圈、防塵圈，避免損壞密封元件。其三則是將填料的材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化完善，提高填料的可運行時長[8]。

在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，控制閥的應(yīng)用會帶來一定的噪聲，這很容易影響到生產(chǎn)線員工的正常工作，為此要加強(qiáng)噪聲優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計時可以利用多空套筒式、多級套筒式、迷宮式結(jié)構(gòu)來將噪聲有效優(yōu)化，最終效果通常能降低10-20db的噪聲。同時在具體設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)不斷將防噪音技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新與強(qiáng)化，加強(qiáng)對優(yōu)質(zhì)材料的運用，提高防噪聲效果，塑造更良好健康的工作環(huán)境，同時維護(hù)生態(tài)環(huán)境。另外為了更有效的控制噪聲，閥的操作條件需要進(jìn)一步優(yōu)化，實現(xiàn)降低、消除噪聲的目的?？刂崎y工作環(huán)節(jié)，需要分析具體噪音情況，只有掌握噪音出現(xiàn)機(jī)理才能對控制閥工作狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)視，并針對問題制定相適應(yīng)的處理方案。

①機(jī)械類震動。即套筒內(nèi)的閥芯在水平運動時所產(chǎn)生的噪音，可以通過減小閥芯和套筒間隙或套筒表面材質(zhì)選擇硬質(zhì)材料來減輕噪音。②固有頻率震動。控制閥的閥芯以及相應(yīng)組建都存在固定的震動頻率，為了降低這個原因產(chǎn)生的噪音，可以在鑄造、鍛造環(huán)節(jié)改變閥芯特性來實現(xiàn)，或?qū)㈤y芯類型進(jìn)行更換。③閥芯不穩(wěn)定性?？刂崎y流體壓力會由于閥芯振蕩性位移而產(chǎn)生波動，形成噪音。想要優(yōu)化這種現(xiàn)象，通常要對執(zhí)行器等存在的阻尼系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以觀察閥芯位移方向，并在其中填設(shè)減振設(shè)施。④介質(zhì)的力學(xué)流動性?？刂崎y或管道中的介質(zhì)在流動時會產(chǎn)生噪音，氣蝕現(xiàn)象也會出現(xiàn)噪音，對于這種問題處理方法本文就直接省略了。

但一些噪音以現(xiàn)下的技術(shù)是無法消除的，只能做好保護(hù)措施，及佩戴耳塞等。

圖2常見的抗氣蝕閥籠示意圖

圖3單級與多級分布壓降分布比較示意圖

3.5 提高工作效率

在對智能化控制閥進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)注重加強(qiáng)其工作性能，以此提高工作效率，具體方法如下，首先是注重控制閥自身的密封效果，通過有效強(qiáng)化能夠促使安全性得到提升。而控制閥在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生耗氣量，因此設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)該對這個問題進(jìn)行優(yōu)化，可以考慮使用數(shù)字式智能定位器以及硅微控制原理，由于控制閥耗氣并不是連續(xù)性的，通過定位器動作可以實現(xiàn)有效排氣，而其與時間則是關(guān)閉的。其次，啟動操作機(jī)構(gòu)可以使用多彈簧噴氣裝置來構(gòu)成，以此避免操作機(jī)構(gòu)受到腐蝕，為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供保障，同時有助于操作機(jī)構(gòu)延長自身使用壽命。

3.6 控制閥安裝時的注意事項

首先要適當(dāng)調(diào)整安裝閥門的文職，確保其與地面存在一定距離，并且上下部分的空間也要保持充足，保證后期閥門維護(hù)以及拆賬環(huán)節(jié)能夠順利進(jìn)行，便于操作，如果閥門需要定位器或手輪調(diào)節(jié)閥來輔助安裝，要確保操作的便捷性，便于觀察，進(jìn)而能夠及時發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行調(diào)整。要提前清楚管道存在的異物，像是焊渣、污垢等，保證在安裝之間管道干凈整潔。針對后期涉及到的手動操作，應(yīng)設(shè)定旁通管道來提高操作便捷性，降低操作難度，同時控制閥出現(xiàn)問題也能便于檢修。另外控制閥所安裝的管道要保持水平，并且管道與閥門處于上下垂直狀態(tài)，常規(guī)來說，會加固控制閥的下面部位，以此促使控制閥更加穩(wěn)固。安裝控制閥是要盡可能避免閥門形成的附加盈利。如果工藝管道的口徑與控制閥不一致，應(yīng)使用異徑管，小口徑類型調(diào)節(jié)閥，可以使用螺紋異徑管連接來完成安裝工作。安裝時要保證控制閥流體方向與實際工況方向相一致。如果現(xiàn)場條件充足，閥的前后應(yīng)存在大于管道直徑十倍的直管段。

4 結(jié)束語

社會在不斷進(jìn)步，同時相關(guān)科學(xué)技術(shù)也在不斷更新，化石工程應(yīng)加強(qiáng)智能控制閥的使用和開發(fā)，提高生產(chǎn)效能?，F(xiàn)階段智能控制閥仍然存在一定問題，在設(shè)計環(huán)節(jié)中應(yīng)注重閥門的安全性建設(shè)，同時還要注重模塊化、小型化特征的優(yōu)化和完善，化工企業(yè)要加強(qiáng)投入力度，注重技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)生產(chǎn)自動化水平的提升，同時結(jié)合控制閥傳統(tǒng)系統(tǒng)控制經(jīng)驗，不斷創(chuàng)新控制方法，為控制閥技術(shù)提升奠定基礎(chǔ)。