1 壁角閥的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.1 分類
根據(jù)安裝位置，貼壁角閥可分為罐壁安裝角閥和管壁安裝角閥。安裝在罐壁上的可分為側(cè)壁安裝和罐底安裝。不同安裝位置對應(yīng)的角閥功能也不同。根據(jù)功能，貼壁角閥可分為泄漏閥、沖洗閥（部分閥具有泄漏和沖洗功能）和液位控制閥。泄漏閥和沖洗閥一般安裝在設(shè)備或管道底部，液位控制閥主要安裝在設(shè)備側(cè)壁。
1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
貼壁角閥的閥座位于與設(shè)備或主管相連的一側(cè)，閥座暴露。普通角閥和直通閥安裝時基本面對面連接閥門法蘭和管道法蘭，而貼壁角閥與設(shè)備或主管道一側(cè)的連接采用侵入式連接，即在設(shè)備或主管道上配置凸緣法蘭（也稱鞍座）。貼壁角閥的閥座插入凸緣法蘭，與設(shè)備或主管道內(nèi)壁齊平，確保閥門與設(shè)備連接處無多余空間，無漿料積聚死角。與支管一側(cè)的連接采用法蘭和法蘭之間的連接，但支管應(yīng)向下傾斜，使內(nèi)部材料在重力作用下排出。貼壁角閥在許多情況下被稱為Y135型角閥°角閥是指閥體接管部分的中心線和設(shè)備罐壁或管壁部分的中心線夾角，也稱為45°角閥是指閥體接管部分中心線與閥桿中心線之間的夾角。有些裝置選擇的角閥是120°角（或者60°其閥體形狀為135°（或120°）彎頭在轉(zhuǎn)彎處光滑，無死角，可保證漿料順暢流通。
2 壁角閥設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.1 閥門選材
在PTA裝置的氧化單元物料中含有醋酸和少量氫溴酸，若溫度不高（小于100℃），閥體和閥內(nèi)部件的材料可選擇316L不銹鋼，閥芯表面用司太萊堆焊硬化。中溫材料(100~135)℃），閥體和閥內(nèi)部件的材料可選擇317L不銹鋼、雙相鋼或哈氏家族C合金，閥芯表面也要硬化。對于高溫材料(135℃以上)，應(yīng)選擇鈦材料作為閥體和閥內(nèi)部件(含微量雜質(zhì))Ti2或Ti3)由于閥桿的硬度，選擇鈦合金Ti5.鈦閥內(nèi)部件需要硬化時，建議采用陽極氧化處理，不建議采用滲氮加硬處理。滲氮后的鈦會降低耐腐蝕性。在精制單元中，除加氫反應(yīng)外，其他工段材料中醋酸較少，閥體材料可選擇304L不銹鋼，閥內(nèi)件材質(zhì)選用316L不銹鋼，閥芯表面用司太萊堆焊硬化。
2.2 閥芯類型及其作用形式
安裝在罐體外壁上用于調(diào)節(jié)的貼壁角閥，閥芯近似于倒錐形，錐面曲線依據(jù)閥門的固有流量特性設(shè)計(jì)；而用于開關(guān)的貼壁角閥，閥芯近似于碟片。為了防止?jié){料阻塞閥門，安裝在罐體外壁上的角閥一般選用反作用形式，閥芯伸向罐內(nèi)閥門打開，該設(shè)計(jì)還可以減少閥門的行程，縮小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積，節(jié)省安裝空間，降低成本。但另一方面存儲漿料的設(shè)備都帶有攪拌器，旋轉(zhuǎn)流動的漿料會沖刷伸到設(shè)備內(nèi)的閥芯，減少閥芯的使用壽命。安裝在管道外壁上小尺寸的貼壁角閥無論是用于調(diào)節(jié)還是開關(guān)，閥芯一般都選用柱塞式，依照所需流量特性，柱塞頂端加工成相應(yīng)的曲面，開關(guān)閥的閥芯則是圓柱形的柱塞，頂端加工成同主管內(nèi)壁等半徑的弧度，尺寸較大的則與安裝在設(shè)備上的貼壁角閥相似。安裝在管道外壁上的貼壁角閥一般選用正作用形式，閥芯向閥的腔體內(nèi)回縮閥門打開。這主要是管道內(nèi)漿料的流速更快，若閥芯伸到主管內(nèi)，所受的沖刷會更厲害；另一方面，閥芯伸到主管內(nèi)，會減小主管的流通面積，降低主管的流通能力。
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2.3 閥座外徑的尺寸和主管連接方式的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)閥座外徑時，檢查設(shè)備圖紙，不僅要找出相應(yīng)接口部件圖紙上標(biāo)注的尺寸，還要了解設(shè)備設(shè)計(jì)師對制造商提出的制造公差。如果設(shè)備圖紙中要求的制造公差為+0.5mm，閥門制造商要求的制造公差為-0.5mm，此時設(shè)計(jì)的閥座外徑小于相應(yīng)接口法蘭的內(nèi)徑mm可滿足安裝要求。如果設(shè)備和閥門制造商沒有提出確切的公差要求，制造商通常會遵循±0.5mm在公差生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)的閥座外徑一般比相應(yīng)的法蘭內(nèi)徑小3mm。
安裝在管道外壁上的角閥通常要求閥門制造商根據(jù)壓力等級和尺寸，甚至連接到主管。T型接頭，所以在設(shè)計(jì)閥門時，只需告知閥門制造商連接的主管尺寸和壁厚，而不用擔(dān)心閥座外徑與法蘭內(nèi)徑不匹配。
2.4 閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
氣動、電動和液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)常用于控制閥。電動和液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)比氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，在作者設(shè)計(jì)的幾套PTA該裝置很少使用，本文不再重復(fù)。以下主要討論氣動膜和氣動活塞的設(shè)計(jì)和選擇。
氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)由薄膜、壓縮彈簧、托盤、推桿、支架、軸套和膜蓋組成，由丁腈橡膠和尼龍絲布制成。直接行程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為正反作用。當(dāng)信號壓力增加時，推桿向下作用稱為正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)；相反，它被稱為反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)配備了平衡彈簧，氣動信號壓力使薄膜室產(chǎn)生的推力減少了彈簧的反作用力，這是氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力。F可以下式計(jì)算：
式中：F———輸出力，N；p———信號壓力，Pa；p0-彈簧啟動壓力，Pa；pr———彈簧范圍，Pa；Ae———膜片有效面積，m2；l———閥門行程，cm；L———閥門全程，cm；pF———有效輸出壓力，Pa。
由于膜能承受的壓力較低，一般情況下最大膜室壓力不超過250kPa，在被彈簧抵消部分壓力后，剩余的輸出力變得非常小。氣動膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用高差壓、高靜壓或大尺寸壁角閥，其膜的有效面積Ae為了使執(zhí)行機(jī)構(gòu)有足夠的輸出力來克服閥芯上的不平衡，必須足夠大。增加膜片Ae這也意味著閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)變得非常大，但由于安裝空間的限制，特別是對于安裝在設(shè)備底部裙子座椅上排放或沖洗的角閥，大型執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法接受。
另一種方法是增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出而不增加其體積p。工廠的儀表氣源壓力通常為700kPa氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有充分利用儀表氣源的壓力，而氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以解決這個問題。氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以輸出更大的驅(qū)動力，并具有快速的驅(qū)動速度。氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直接行程）的輸出力F計(jì)算公式與氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直行程）相同，但氣缸能承受的壓力遠(yuǎn)大于薄膜，較小的體積可以產(chǎn)生較大的推力。由于沒有彈簧的反應(yīng)力，雙作用氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在兩個方向上提供更大的驅(qū)動力。然而，由于沒有彈簧復(fù)位功能，雙作用氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要配置儲氣罐，以實(shí)現(xiàn)氣體開啟和氣體關(guān)閉。氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為兩位式和比例式。雙作用兩位式執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過兩位五通電磁閥切換氣路，將活塞從高壓側(cè)推至低壓側(cè)，驅(qū)動推桿推動閥芯，實(shí)現(xiàn)閥門的全開或全關(guān)。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于沖洗或泄漏的墻角閥。雙作用兩位氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路如圖1所示。雙作用比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過雙作用閥定位器將推桿的行程與輸入信號成比例，從而驅(qū)動閥芯的移動，實(shí)現(xiàn)閥門開度的變化用于調(diào)節(jié)的角閥主要選擇這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。雙功能比例氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路如圖2所示。
圖1 氣路兩位式氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)
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圖2 氣路雙作用比例氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)
墻角閥直接安裝在設(shè)備壁或管壁上，不能設(shè)置旁路。因此，在設(shè)計(jì)和選擇時，手輪通常配置在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。當(dāng)閥門氣路出現(xiàn)故障時，手輪可手動控制。為了減少閥門尺寸和操作方便，手輪主要采用側(cè)安裝。
3 智能閥定位器和預(yù)測性維護(hù)
在控制系統(tǒng)中，主要故障包括執(zhí)行器故障、被控對象故障、傳感器故障和控制器故障，執(zhí)行器和傳感器故障較多，特別是執(zhí)行器故障往往危及整個系統(tǒng)的控制策略，因此對執(zhí)行器的可靠性提出了較高的要求。由于安裝位置的特殊性和管道材料的昂貴和大尺寸，一般不設(shè)計(jì)旁路閥。一個閥門的問題會影響整個生產(chǎn)線的運(yùn)行。通過智能閥定位器傳輸?shù)囊恍╅y門性能參數(shù)，預(yù)測性維護(hù)是必要的選擇。
智能閥定位器是一種基于微處理器的通信能力定位器。先進(jìn)的智能閥定位器具有自適應(yīng)、自校準(zhǔn)和自診斷性能，集成了先進(jìn)的微處理技術(shù)、信息技術(shù)和專家診斷軟件，適用于調(diào)節(jié)閥，一些智能閥定位器還集成了低功耗電磁閥，可用于兩位開關(guān)控制閥，并有一些行程測試（PST）全程測試（FST）功能。大多數(shù)品牌的智能閥定位器都支持它HART一些總線智能閥定位器支持通信協(xié)議FF或Profibus等待現(xiàn)場總線協(xié)議。通過專用軟件插件集成智能閥定位器DCS或AMS通過調(diào)查智能閥門定位器中的特定功能模塊，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。
預(yù)測性維護(hù)通過故障識別和診斷技術(shù)預(yù)測狀態(tài)參數(shù)的可能情況和預(yù)期時間，預(yù)測閥門的功能安全和時間依賴性。閥門故障診斷通過閥門（定位器）制造商的專用軟件進(jìn)行，實(shí)施在線預(yù)測性維護(hù)，提高墻角閥的性能，減少運(yùn)行故障，提高使用壽命，可大大降低PTA由于墻角閥故障，設(shè)備停車時間異常，提高工廠生產(chǎn)能力，節(jié)省設(shè)備維護(hù)成本。此外，智能閥定位器還可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)整，提高過程控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
4 結(jié)束語
作為壁角閥PTA設(shè)備中一個特殊而關(guān)鍵的控制閥會影響整個設(shè)備的控制策略，從閥體材料、閥芯類型、功能形式到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選擇。材料的錯誤選擇會使閥門在很短的時間內(nèi)因過度腐蝕而泄漏，閥門將無法達(dá)到設(shè)計(jì)所需的控制效果，甚至完全失控。在施工和安裝期間，會影響閥座外徑的誤差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積是否合適。在設(shè)備運(yùn)行階段，在長期惡劣的工況下，閥門參數(shù)會發(fā)生什么變化，有哪些故障隱患需要智能閥定位器和上位機(jī)DCS或AMS系統(tǒng)檢查分析并進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，通過這種主動維護(hù)實(shí)現(xiàn)閥門的長期高效運(yùn)行。
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