正确的执行机构的选型可减少停工时间

新筑股份

      要保证生产率最大化，最重要的因素之一就是正确地选择执行机构和阀门的设计与能力。不正确地选择阀门和执行机构会导致设备的过早毁损，造成高昂的维修成本和生产损耗。

      执行机构的尺寸确定与选择如不符合规范，会导致各种方式下底线成本的剧增。如果所采购的设备型号过大，购置成本就会增多，所以价格也更贵。维修费用也会更多，因为阀门和执行机构总像是要出问题。另外，工厂的安全性也会降低，因为设备紧急停机功能与设备的应用并不十分匹配。根据卫生与安全行政部门（一家英国的机构）的调查所得出的结论，2/3的执行机构的故障在实际使用之前就发生了，而初次故障产生的原因就是设备不符合规范要求。

作者
Donald Weeks是Flowserve流体控制部门的产品经理。他负责气动和电动自动化产品的市场营销与开发。他拥有24年为阀门执行机构解决方案提供应用与规范指导的经验。Weeks取得了坎普林大学的企业管理学位。


      自动化阀门产品包（阀门、执行机构、装配的附件、数字定位器、电磁阀和一体的或非一体的位置开关）的应用要求高性能和几乎为零的停机时间。

             图1（a）. 齿轮齿条执行机构

      许多化学和石油化学加工企业（CPI）都涉及危险化学品（如：氯、光气、HF烷基化）的生产。类似的高危险品应用要求采用严格符合规范要求的高性能阀门和执行机构解决方案。这些企业的散装化学品的生产常常采用批量控制工艺，即采用自动化、高频次长寿命的阀门。
      自控阀门有多种不同的执行机构供选择，所采用的技术有电动技术、液动技术和气动技术。其中，气动的设计包括活塞、叶轮、齿轮齿条和拨叉式。熟悉选择正确的执行机构的基本的选型流程是非常重要的。这里要讨论的是用于控制旋转型开-关阀门的齿轮齿条和拨叉式执行机构的设计[（图1（a）& 1（b）]。

               图1（b）. 拨叉式执行机构
      “要正确地选择合适的执行机构，第一步就是了解需要自动控制的阀门特点。化工和石化最常用的三种旋转类阀门是球阀、旋塞阀和蝶阀。每种阀都有不同的扭矩曲线，因此如何选择精确且安全的执行机构，也就大不相同。”
阀门和执行机构的技术

      要正确地选择合适的执行机构，第一步就是了解需要自动控制的阀门特点。化工和石化最常用的三种旋转类阀门是球阀、旋塞阀和蝶阀。每种阀都有不同的扭矩曲线，因此如何选择精确且安全的执行机构，也就大不相同。球形阀、旋塞阀和蝶阀的扭矩剖面图如图2所示。

      当流体流经旋转式阀门时，关闭零件（球、蝶板或旋塞）的表面静态压力并不均一。
      1/4转类旋转阀的关闭零件（旋转式）表面的静态压力分布的不均一形成了动态转矩。之所以叫动态转矩，是因为它是由流动的流体而形成的。图3说明了蝶阀得蝶板和球阀的通道壁可能的静态压力分布。

      它们的压力，由于分布不平均，相当于作用在与干轴有一定距离的点的合力。

     由于动转矩作用在阀轴处，它要么顺应执行机构运行，要么抵制其运行。如果动转矩大于摩擦力矩，且未能经执行机构遏止，就会导致旋转。对于传统的球阀和旋塞阀来说，摩擦力矩常常会大于动转矩，在确定执行的型号时，通常不予考虑。传统的球阀常会产生较小的动转矩。蝶阀的摩擦力矩常常较低，除非阀盘与阀座完全密闭时，动态转矩会产生较大的影响。

      对于阀杆位于阀板中心位置的对称的工业蝶阀，动转矩可以关闭阀门。但是，对于阀板与阀杆相偏离且阀板表面不对称的高性能蝶阀来说，如果阀门安装在下游的阀座保持器（如图4所示）上，动转矩会使阀关闭。但如果阀座保持器在上游，则阀的关或开取决于阀板的旋转状态。

      阀制造商有责任真实地测试并公开阀的扭矩数据。扭矩图通常基于计算多个变量，并公布某一个峰值。大多数的测试都使用干净环境友好的介质。所以，还应提供额外的的安全系数，从而更好地配合终端用户的安装扭矩的应用。随后，执行机构制造商应负责真实地报告其输出的扭矩数据。如果阀门和执行机构是由同一家制造商生产，这个过程即可以得到简化，也更为可靠。

      “一旦阀门的扭矩要求确定后，即可正确地进行执行机构的选型。在选型前，确切的信息是必须的。客户应提供执行机构的最低供气压力和动作模式（如：双动式或弹簧复位式）。”

执行机构的选型

      气动执行机构的操作要求有两个外部影响因素：一是信号，二是动力源。

      信号通常是120/240 VAC或12/24VDC的离散电压，可以为电磁阀供电。如果使用定位器控制执行机构的旋转，信号通常是模拟（4-20 mA）或数字信号。电磁阀或数字定位器控制着执行机构汽缸的供气和排气，交替控制阀门的位置。电磁阀用来完成阀的开、关位置的转换。定位器也有同样的功能，但主要用于调节控制功能，并能支持更先进的应用，如安全仪表系统中的部分行程测试。随着数字式定位器的成本的日益降低，其应用在持续增长。气动执行机构的常用动力源就是约为60-100 psig的压缩空气。

      每一种执行机构在切断气源后都会有一个故障位置。双作用执行器故障断气时（通气开、通气关），阀门会停在最后的位置处。但如果管道流体压力产生的动力矩大于阀门的摩擦力矩时，就会出现阀门旋转。弹簧复位式执行机构在阀断气时阀门会恢复至初始位置。这样的设计通常被选用于有故障安全要求的关键场合。

      一旦阀门的扭矩要求确定后，即可正确地进行执行机构的选型。在选型前，确切的信息是必须的。客户应提供执行机构的最低供气压力和动作模式（如：双动式或弹簧复位式）。如执行机构要求弹簧复位式，故障模式（即：故障关或故障开）也必须加以确定。请遵循以下指导方针：

      1.双动用操作：所选择的执行机构在最小供气压力时的输出扭矩应大于计算所得的阀门的扭矩。
      2.弹簧复位操作，故障关：所选择的执行机构在最小供气压力情况下弹簧行程末端时的输出扭矩应大于关闭阀门所需要的扭矩。
      3.弹簧复位操作，故障开：所选择的执行机构在最小供气压力情况下气动行程末端时的扭矩输出应大于打开阀门所需要的扭矩。
      当为阀门或挡板选择齿轮齿条和拨叉式执行机构时，工程师应注意在阀门估计的操作扭矩与阀门的实际输出扭矩间留出安全余量。在缺少终端用户的指令下，如果需要添加一个安全系数来规定和修正阀门扭矩值时，可以遵循以下说明：
      1.安全系数应加在阀门扭矩上，而不是执行机构的扭矩上。
      2.如果终端用户有建议、或阀门目录中的扭矩数据指定“选型扭矩”或“执行机构选型扭矩”，那么不再需要添加加安全系数。
      3.如果终端用户没有建议、或阀门目录中的扭矩数据指示“阀门扭矩”，那么需要在阀门扭矩上加上以下安全系数：
      a.“阀门扭矩”加10%，用于选择作为双动执行机构。
      b.“阀门扭矩”加15%，用于选择弹簧复位式执行机构。

      在为安全关断阀（SSOV）和紧急关断阀（ESD）的选择执行机构时，通常有特殊的性能要求。如果阀门的动作频率低于每月一次，那么建议安全系数为计算所得的阀门扭矩乘以2。多数SSOV都有特定的关闭时限（一般很快）。如果客户要求一个4”的自动SSOV一秒钟关闭，这也很正常。为了确保满足该要求，执行机构制造商应实施操作时间的计算。备有证明文件的计算通常被要求用来确认执行机构选型的一致性和恰当性。

      多数自动化阀门规格书（上述四种）都会要求配备手动操作装置，为顺应这一要求，指定先进的执行机构控制附件是非常重要的。为了确保安全和恰当的操作，气动执行机构必须配备气动锁定和通气（LOV）装置。该LOV可以排空残存在汽缸里、可能阻止活塞行进并导致设备损坏的空气。更重要的是，该装置可以防止不当操作，特别是远程操作中的不当操作。

      “规范选择阀门自动化可以增加生产正常运行时间，降低维修成本、提高工厂的安全性。选择恰当的执行机构通常会基于扭矩要求、阀门应用和价格。”

保护您的工厂、人员和投资

      恰当地选择阀门自动化产品可以增加生产正常运行时间，降低维修成本、提高工厂的安全性。选择恰当的执行机构通常会基于扭矩要求、阀门应用和价格。

      通常，齿轮和齿条技术执行器应用于6英寸或更小阀门的控制。设计有两个活塞、双齿轮齿条执行机构的性能和可靠性是无与伦比的。在长寿命/高性能应用中，先进的设计增加了内部支撑导杆（图5）可以消除活塞走歪现象及走歪而产生的侧向力，延长其使用寿命。

      6英寸以上的阀门主要采用拨叉式执行机构，因为这种设计能更好地用于驱动高达百万英寸-磅的高转矩和止推负载。先进的设计还包括内部导杆（请参见图5）支撑拨叉和先进的活塞密封设计可以清洁行进表面，增强密封性能。高品质的设计通过对内部关键部件（如：气缸壁、导杆）的表面处理改善了防腐蚀性能。同时，外表面的处理也使产品能承受严苛的环境。

      对所有按规范选择并安装的执行机构来说，发生故障的首要原因就是使用低于ANSI/ISA-7.0.01标准所定义的空气质量的空气。几乎所有的阀门执行机构都需要永久性润滑，并配以最佳的高品质仪表气（也适用于环境侵入的空气）。执行机构的汽缸在活塞运行时排气。当活塞向内运动时，就会通过排气口吸入周围环境的空气。如果当地的环境比较恶劣，必须采取特殊的控制方法（如：呼气阀）来防止污染和设备过早损坏。如果空气保持干净，则执行机构可使用相当长的时间。

      功能性安全（IEC 61508）和安全整体水平（SIL）等级的课题已成为石化行业CPI的关注趋向。根据卫生与安全行政部门（一家英国的机构）的调查所得出的结论，2/3的故障在操作者实际开始使用产品或系统（请参见图6）之前就发生了。设计规范的错误是故障的主要原因。当前，全球遵循的标准强调，设备的质量和可靠性是安全系统防止故障产生的的关键。

      阀门执行机构的选择和购买要求有具备资质的人员进行全程评估，且相关用户及其合同支持方有责任建立一个定义明确的产品规范，工厂的性能和员工的安全也都建立在这个规范之上。