PTA裝置中貼壁角型控制閥的設計和應用
貼壁角閥因結構特殊、尺寸較大，用于制造閥體及閥內件的金屬材料貴重，使其成為PTA工程中儀控設計的重點(diǎn)之一。閥體和閥內件的材質(zhì)要根據閥門(mén)所控制的工藝介質(zhì)的腐蝕性和操作溫度進(jìn)行選擇;閥門(mén)的作用形式和閥芯的類(lèi)型根據閥門(mén)的安裝位置和控制功能進(jìn)行選擇，安裝在設備外壁的一般選擇正作用形式，安裝在管道外壁的一般選擇反作用形式;閥門(mén)的執行機構依據力矩需求進(jìn)行選擇。由于貼壁角閥的重要作用，建議選用智能閥門(mén)定位器，通過(guò)智能閥門(mén)定位器傳遞的一些閥門(mén)性能參數，對貼壁角閥進(jìn)行預測性維護。
近幾年來(lái)精對苯二甲酸(PTA)產(chǎn)業(yè)在國內得到迅猛發(fā)展，尤其是國內的民營(yíng)企業(yè)進(jìn)入該產(chǎn)業(yè)后，不僅將PTA的整體產(chǎn)能推高，而且使得單套裝置的生產(chǎn)能力迅速突破百萬(wàn)噸級，甚至達到2Mt/a以上。單套裝置生產(chǎn)能力的增加需要更大尺寸的管道和更大容積的設備，而在過(guò)程控制方面也就需要更大尺寸的控制閥。在PTA生產(chǎn)裝置中，主工藝介質(zhì)自氧化反應器開(kāi)始就多以漿料的形態(tài)存在于流程當中。因漿料本身的黏稠和易結晶特性，用于漿料控制的閥門(mén)多采用一種特殊結構的角閥———貼壁角閥。在PTA生產(chǎn)工藝中使用高腐蝕性的醋酸作為溶劑，并且在一些工段操作溫度較高，普通不銹鋼材質(zhì)的閥門(mén)已經(jīng)不能滿(mǎn)足過(guò)程控制的需求，需要采用一些特殊的材料來(lái)加工閥體和閥門(mén)內件，比如鈦材、哈氏合金、雙相鋼及317L奧氏體不銹鋼等。特殊的結構，較大的尺寸和特殊的材質(zhì)使得貼壁角閥成為PTA裝置儀控設計的重點(diǎn)之一，貼壁角閥設計選用的好壞往往會(huì )影響整套裝置的試車(chē)工期。
1、貼壁角閥的分類(lèi)和結構特點(diǎn)
1.1、分類(lèi)
貼壁角閥按安裝位置，可分為罐壁安裝角閥和管道壁安裝角閥兩類(lèi)，其中安裝在罐壁上的又可分為側壁安裝和罐底安裝，不同的安裝位置對應的角閥的功能也不同。貼壁角閥按功能，可分為泄料閥、沖洗閥(部分閥門(mén)具有泄料和沖洗兩種功能)及液位控制閥。泄料閥、沖洗閥一般安裝在設備或管道的底部，而液位控制閥多安裝在設備的側壁。
1.2、結構特點(diǎn)
貼壁角閥的閥座位于同設備或主管連接的一側，閥座外露。普通角閥和直通閥在安裝時(shí)基本都是閥門(mén)法蘭和管道法蘭進(jìn)行面對面的連接，而貼壁角閥和設備或主管道一側的連接采用的是侵入式連接，即在設備或主管道上配置一個(gè)凸緣法蘭(也稱(chēng)為鞍座)，貼壁角閥的閥座插入凸緣法蘭內，并且同設備或主管道的內壁齊平，以保證閥門(mén)和設備連接處無(wú)多余空間，不留漿料積存的死角。同支管一側的連接采用法蘭和法蘭之間的連接，但支管要斜向下，以使內部物料可在重力作用下排出。貼壁角閥在很多場(chǎng)合被稱(chēng)作“Y”型角閥，有135°角閥，指閥體接管部分的中心線(xiàn)和設備罐壁或管壁部分的中心線(xiàn)夾角，也有人稱(chēng)其為45°角閥，指閥體接管部分的中心線(xiàn)同閥桿中心線(xiàn)間的夾角。有些裝置選用的角閥是120°角(或者60°角)，其閥體形似一個(gè)135°(或120°)的彎頭，其轉彎處平滑無(wú)任何死角，可以確保漿料順暢流通。
2、貼壁角閥的設計要點(diǎn)
2.1、閥門(mén)的選材
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℃)，閥體和閥內件材質(zhì)可選用316L不銹鋼，閥芯表面用司太萊堆焊硬化處理。對于中等溫度的物料(100～135℃)，閥體和閥內件材質(zhì)可選用317L不銹鋼、雙相鋼或哈氏C合金，閥芯表面也要硬化處理。對于較高溫度的物料(135℃以上)，閥體和閥內件材質(zhì)要選用鈦材(含微量雜質(zhì)的Ti2或Ti3)，閥桿因硬度的關(guān)系則選用鈦合金Ti5，鈦材閥內件需硬化處理時(shí)推薦采用陽(yáng)極氧化處理法，不推薦滲氮法加硬處理方法，滲氮后的鈦材會(huì )降低耐腐蝕性。在精制單元，除了加氫反應部分，其他工段物料中所含醋酸已經(jīng)很少，閥體材質(zhì)可選用304L不銹鋼，閥內件材質(zhì)選用316L不銹鋼，閥芯表面用司太萊堆焊硬化處理。
2.2、閥芯的類(lèi)型和閥門(mén)的作用形式
安裝在罐體外壁上用于調節的貼壁角閥，閥芯近似于倒錐形，錐面曲線(xiàn)依據閥門(mén)的固有流量特性設計;而用于開(kāi)關(guān)的貼壁角閥，閥芯近似于碟片。為了防止漿料阻塞閥門(mén)，安裝在罐體外壁上的角閥一般選用反作用形式，閥芯伸向罐內閥門(mén)打開(kāi)，該設計還可以減少閥門(mén)的行程，縮小執行機構的體積，節省安裝空間，降低成本。但另一方面存儲漿料的設備都帶有攪拌器，旋轉流動(dòng)的漿料會(huì )沖刷伸到設備內的閥芯，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(wú)論是用于調節還是開(kāi)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的曲面，開(kāi)關(guān)閥的閥芯則是圓柱形的柱塞，頂端加工成同主管內壁等半徑的弧度，尺寸較大的則與安裝在設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，閥芯向閥的腔體內回縮閥門(mén)打開(kāi)。這主要是管道內漿料的流速更快，若閥芯伸到主管內，所受的沖刷會(huì )更厲害;另一方面，閥芯伸到主管內，會(huì )減小主管的流通面積，降低主管的流通能力。
2.3、閥座外徑的尺寸和主管連接方式的設計
設計閥座外徑時(shí)要核對設備圖紙，不但要查明對應接口部件圖上標注的尺寸，還要知道設備的設計者對制造廠(chǎng)提出的制造公差。如果設備圖紙中要求的制造公差是+0.5mm，使用者對閥門(mén)廠(chǎng)商要求的制造公差是-0.5mm，此時(shí)設計的閥座外徑比其對應的接口法蘭的內徑小2mm就可滿(mǎn)足安裝要求。如果沒(méi)有對設備和閥門(mén)制造廠(chǎng)提出確切的公差要求，制造廠(chǎng)一般會(huì )按照±0.5mm的公差生產(chǎn)，那么設計的閥座外徑比其對應的法蘭內徑一般會(huì )選擇小3mm。
安裝在管道外壁上的角閥，在設計時(shí)一般要求閥門(mén)廠(chǎng)商按照壓力等級和尺寸要求自配凸緣法蘭，甚至是同主管連接的“T”型接頭，這樣設計閥門(mén)時(shí)只要告知閥門(mén)廠(chǎng)商所要連接的主管尺寸和壁厚就可以了，而不用擔心閥座外徑同凸緣法蘭內徑不匹配的問(wèn)題。
2.4、閥門(mén)執行機構的選用
控制閥常用的有氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)執行機構。電動(dòng)和液動(dòng)執行機構比氣動(dòng)執行機構結構復雜、價(jià)格昂貴，在筆者設計的幾套PTA裝置中很少被采用，文中不再贅述，下面主要論述氣動(dòng)薄膜和氣動(dòng)活塞兩種執行機構的設計選用。
氣動(dòng)薄膜式執行機構由膜片、壓縮彈簧、托盤(pán)、推桿、支架、軸套和膜蓋等部件組成，膜片呈盆形由丁腈橡膠和錦綸絲布制成。直行程的執行機構分為正作用和反作用兩種，當信號壓力增加時(shí)推桿向下作用的稱(chēng)為正作用執行機構;反之，則稱(chēng)為反作用執行機構。氣動(dòng)薄膜式執行機構由于裝有平衡彈簧，氣動(dòng)信號壓力使薄膜室產(chǎn)生的推力減去彈簧的反作用力才是氣動(dòng)薄膜執行機構的輸出力。輸出力F可由下式計算：
式中：F———輸出力，N;p———信號壓力，Pa;p0———彈簧啟動(dòng)壓力，Pa;pr———彈簧范圍，Pa;Ae———膜片有效面積，m2;l———閥門(mén)行程，cm;L———閥門(mén)全行程，cm;pF———有效輸出壓力，Pa。
由于膜片能承受的壓力較低，一般情況下最大膜室壓力不超過(guò)250kPa，被彈簧抵消部分壓力后，剩余的輸出力就變得很小了。高差壓、高靜壓或大尺寸的貼壁角閥選用的氣動(dòng)薄膜式執行機構，其膜片有效面積Ae必須足夠得大，才能使執行機構有足夠的輸出力去克服作用在閥芯上的不平衡力。增大膜片的Ae也意味著(zhù)閥門(mén)的執行機構的體積變得很大，但由于安裝空間的限制，特別是對于那些安裝在設備底部裙座內用于排放或沖洗的貼壁角閥，大尺寸的執行機構是沒(méi)有辦法被接受的。
若要增加執行機構的輸出力而又不增加其體積，另一種方式就是增加p。工廠(chǎng)的儀表氣源壓力通常是700kPa左右，氣動(dòng)薄膜式執行機構沒(méi)有充分利用儀表氣源的壓力，而采用氣動(dòng)活塞式執行機構則可以解決這個(gè)問(wèn)題。氣動(dòng)活塞式執行機構能輸出較大的驅動(dòng)力且有很快的驅動(dòng)速度。單作用彈簧復位的氣動(dòng)活塞式執行機構(直行程)輸出力F計算公式與氣動(dòng)薄膜式執行機構(直行程)相同，但氣缸所能承受的壓力要比薄膜大得多，較小的體積就可以產(chǎn)生很大的推力。雙作用的氣動(dòng)活塞式執行機構，由于沒(méi)有了彈簧的反作用力，可以在兩個(gè)方向上都提供較大的推動(dòng)力。但由于沒(méi)有了彈簧復位功能，雙作用兩位式氣動(dòng)活塞式執行機構為實(shí)現氣開(kāi)、氣關(guān)，需配置儲氣罐。氣動(dòng)活塞式執行機構可分為兩位式和比例式。雙作用兩位式的執行機構通過(guò)兩位五通的電磁閥對氣路進(jìn)行切換，將活塞由高壓側推向低壓側，帶動(dòng)推桿推動(dòng)閥芯實(shí)現閥門(mén)的全開(kāi)或全關(guān)。用于沖洗或泄料的貼壁角閥多選用這種執行機構。雙作用兩位式氣動(dòng)活塞式執行機構的氣路如圖1所示。雙作用比例式的執行機構通過(guò)雙作用式閥門(mén)定位器使推桿的行程跟隨輸入信號成比例的變化，從而帶動(dòng)閥芯移動(dòng)，實(shí)現閥門(mén)開(kāi)度的變化，用于調節的貼壁角閥多選用這種執行機構。雙作用比例式氣動(dòng)活塞式執行機構的氣路如圖2所示。
圖1 雙作用兩位式氣動(dòng)活塞式執行機構的氣路
圖2 雙作用比例式氣動(dòng)活塞式執行機構的氣路
貼壁角閥直接安裝在設備壁或管道壁上，不能設置旁路，因而在設計選型時(shí)一般會(huì )在執行機構配置手輪，當閥門(mén)氣路故障時(shí)，可采用手輪進(jìn)行手動(dòng)控制。為了降低閥門(mén)尺寸和操作方便，手輪多采用側裝。
3、智能閥門(mén)定位器和預測性維護
在控制系統中，主要故障有執行器故障、被控對象故障、傳感器故障和控制器故障，而執行器和傳感器的故障發(fā)生較多，特別是執行器的故障往往危及整個(gè)系統的控制策略，因而對執行器的可靠性提出了較高的要求。應用于主物料流程中的貼壁角閥因安裝位置的特殊性以及管道材質(zhì)貴重并且尺寸也較大，一般都不設計旁通閥，1臺閥門(mén)出現問(wèn)題就會(huì )影響整條生產(chǎn)線(xiàn)的運行。通過(guò)智能閥門(mén)定位器傳遞的一些閥門(mén)性能參數，對貼壁角閥進(jìn)行預測性維護是很必要的選擇。
智能閥門(mén)定位器是基于微處理器的具有通信能力的定位器。高級的智能閥門(mén)定位器具有自適應、自校準和自診斷性能，集成了先進(jìn)的微處理技術(shù)、信息技術(shù)以及專(zhuān)家診斷軟件，適用于調節閥，并且有些智能閥門(mén)定位器還集成了低功耗電磁閥，可以用于兩位式開(kāi)關(guān)控制閥，且具有部分行程測試(PST)和全行程測試(FST)功能。大部分品牌的智能閥門(mén)定位器都支持HART通信協(xié)議，而部分總線(xiàn)型智能閥門(mén)定位器則支持FF或Profibus等現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。將智能閥門(mén)定位器通過(guò)專(zhuān)用的軟件插件，集成到DCS或AMS設備管理系統，通過(guò)調看智能閥門(mén)定位器內的特定功能模塊，可以實(shí)現遠程校準、狀態(tài)監視和故障診斷等操作。
預測性維護在貼壁角閥還沒(méi)有產(chǎn)生故障前就通過(guò)故障識別和診斷技術(shù)對狀態(tài)參數預測可能出現的情況和預期的時(shí)間，預測閥門(mén)的功能安全和時(shí)間依存性。通過(guò)閥門(mén)(定位器)廠(chǎng)商的專(zhuān)用軟件對閥門(mén)進(jìn)行故障診斷，實(shí)施在線(xiàn)預測性維護，提升貼壁角閥的性能，減少運行故障，提高使用壽命，可大大降低PTA裝置因貼壁角閥故障造成的非正常停車(chē)的時(shí)間，提高工廠(chǎng)產(chǎn)能，節省設備維護成本。另外利用智能閥門(mén)定位器還可實(shí)現高品質(zhì)調節，增加過(guò)程控制的精確性和穩定性。
4、結束語(yǔ)
貼壁角閥作為PTA裝置中一種特殊又關(guān)鍵的控制閥，從閥體材質(zhì)、閥芯類(lèi)型、作用形式到執行機構的設計選擇都會(huì )影響到整套裝置的控制策略。材質(zhì)的選擇錯誤會(huì )使閥門(mén)在很短時(shí)間內就會(huì )因過(guò)度腐蝕而產(chǎn)生內漏，閥門(mén)將無(wú)法實(shí)現設計需要的控制效果，甚至完全失控。閥座外徑的誤差，執行機構的體積大小選擇的是否合適，在建造安裝時(shí)期就會(huì )產(chǎn)生影響。在裝置運行階段，貼壁角閥在長(cháng)時(shí)間苛刻的工況下運行，閥門(mén)的參數會(huì )有哪些變化，存在哪些故障隱患，則需要通過(guò)智能閥門(mén)定位器和作為上位機的DCS或AMS系統進(jìn)行查看分析并做出預測性的維護，通過(guò)這種“主動(dòng)性維護”實(shí)現閥門(mén)的長(cháng)時(shí)間高效率的運行。
