PTA装置中贴壁角型控制阀的设计和应用

　　贴壁角阀因结构特殊、尺寸较大，用于制造阀体及阀内件的金属材料贵重，使其成为PTA工程中仪控设计的重点之一。阀体和阀内件的材质要根据阀门所控制的工艺介质的腐蚀性和操作温度进行选择;阀门的作用形式和阀芯的类型根据阀门的安装位置和控制功能进行选择，安装在设备外壁的一般选择正作用形式，安装在管道外壁的一般选择反作用形式;阀门的执行机构依据力矩需求进行选择。由于贴壁角阀的重要作用，建议选用智能阀门定位器，通过智能阀门定位器传递的一些阀门性能参数，对贴壁角阀进行预测性维护。

　　近几年来精对苯二甲酸(PTA)产业在国内得到迅猛发展，尤其是国内的民营企业进入该产业后，不仅将PTA的整体产能推高，而且使得单套装置的生产能力迅速突破百万吨级，甚至达到2Mt/a以上。单套装置生产能力的增加需要更大尺寸的管道和更大容积的设备，而在过程控制方面也就需要更大尺寸的控制阀。在PTA生产装置中，主工艺介质自氧化反应器开始就多以浆料的形态存在于流程当中。因浆料本身的黏稠和易结晶特性，用于浆料控制的阀门多采用一种特殊结构的角阀———贴壁角阀。在PTA生产工艺中使用高腐蚀性的醋酸作为溶剂，并且在一些工段操作温度较高，普通不锈钢材质的阀门已经不能满足过程控制的需求，需要采用一些特殊的材料来加工阀体和阀门内件，比如钛材、哈氏合金、双相钢及317L奥氏体不锈钢等。特殊的结构，较大的尺寸和特殊的材质使得贴壁角阀成为PTA装置仪控设计的重点之一，贴壁角阀设计选用的好坏往往会影响整套装置的试车工期。

1、贴壁角阀的分类和结构特点

1.1、分类

　　贴壁角阀按安装位置，可分为罐壁安装角阀和管道壁安装角阀两类，其中安装在罐壁上的又可分为侧壁安装和罐底安装，不同的安装位置对应的角阀的功能也不同。贴壁角阀按功能，可分为泄料阀、冲洗阀(部分阀门具有泄料和冲洗两种功能)及液位控制阀。泄料阀、冲洗阀一般安装在设备或管道的底部，而液位控制阀多安装在设备的侧壁。

1.2、结构特点

　　贴壁角阀的阀座位于同设备或主管连接的一侧，阀座外露。普通角阀和直通阀在安装时基本都是阀门法兰和管道法兰进行面对面的连接，而贴壁角阀和设备或主管道一侧的连接采用的是侵入式连接，即在设备或主管道上配置一个凸缘法兰(也称为鞍座)，贴壁角阀的阀座插入凸缘法兰内，并且同设备或主管道的内壁齐平，以保证阀门和设备连接处无多余空间，不留浆料积存的死角。同支管一侧的连接采用法兰和法兰之间的连接，但支管要斜向下，以使内部物料可在重力作用下排出。贴壁角阀在很多场合被称作“Y”型角阀，有135°角阀，指阀体接管部分的中心线和设备罐壁或管壁部分的中心线夹角，也有人称其为45°角阀，指阀体接管部分的中心线同阀杆中心线间的夹角。有些装置选用的角阀是120°角(或者60°角)，其阀体形似一个135°(或120°)的弯头，其转弯处平滑无任何死角，可以确保浆料顺畅流通。

2、贴壁角阀的设计要点

2.1、阀门的选材

　　在PTA装置的氧化单元物料中含有醋酸和少量氢溴酸，若温度不高(小于100℃)，阀体和阀内件材质可选用316L不锈钢，阀芯表面用司太莱堆焊硬化处理。对于中等温度的物料(100～135℃)，阀体和阀内件材质可选用317L不锈钢、双相钢或哈氏C合金，阀芯表面也要硬化处理。对于较高温度的物料(135℃以上)，阀体和阀内件材质要选用钛材(含微量杂质的Ti2或Ti3)，阀杆因硬度的关系则选用钛合金Ti5，钛材阀内件需硬化处理时推荐采用阳极氧化处理法，不推荐渗氮法加硬处理方法，渗氮后的钛材会降低耐腐蚀性。在精制单元，除了加氢反应部分，其他工段物料中所含醋酸已经很少，阀体材质可选用304L不锈钢，阀内件材质选用316L不锈钢，阀芯表面用司太莱堆焊硬化处理。

2.2、阀芯的类型和阀门的作用形式

　　安装在罐体外壁上用于调节的贴壁角阀，阀芯近似于倒锥形，锥面曲线依据阀门的固有流量特性设计;而用于开关的贴壁角阀，阀芯近似于碟片。为了防止浆料阻塞阀门，安装在罐体外壁上的角阀一般选用反作用形式，阀芯伸向罐内阀门打开，该设计还可以减少阀门的行程，缩小执行机构的体积，节省安装空间，降低成本。但另一方面存储浆料的设备都带有搅拌器，旋转流动的浆料会冲刷伸到设备内的阀芯，减少阀芯的使用寿命。安装在管道外壁上小尺寸的贴壁角阀无论是用于调节还是开关，阀芯一般都选用柱塞式，依照所需流量特性，柱塞顶端加工成相应的曲面，开关阀的阀芯则是圆柱形的柱塞，顶端加工成同主管内壁等半径的弧度，尺寸较大的则与安装在设备上的贴壁角阀相似。安装在管道外壁上的贴壁角阀一般选用正作用形式，阀芯向阀的腔体内回缩阀门打开。这主要是管道内浆料的流速更快，若阀芯伸到主管内，所受的冲刷会更厉害;另一方面，阀芯伸到主管内，会减小主管的流通面积，降低主管的流通能力。

2.3、阀座外径的尺寸和主管连接方式的设计

　　设计阀座外径时要核对设备图纸，不但要查明对应接口部件图上标注的尺寸，还要知道设备的设计者对制造厂提出的制造公差。如果设备图纸中要求的制造公差是+0.5mm，使用者对阀门厂商要求的制造公差是-0.5mm，此时设计的阀座外径比其对应的接口法兰的内径小2mm就可满足安装要求。如果没有对设备和阀门制造厂提出确切的公差要求，制造厂一般会按照±0.5mm的公差生产，那么设计的阀座外径比其对应的法兰内径一般会选择小3mm。

　　安装在管道外壁上的角阀，在设计时一般要求阀门厂商按照压力等级和尺寸要求自配凸缘法兰，甚至是同主管连接的“T”型接头，这样设计阀门时只要告知阀门厂商所要连接的主管尺寸和壁厚就可以了，而不用担心阀座外径同凸缘法兰内径不匹配的问题。

2.4、阀门执行机构的选用

　　控制阀常用的有气动、电动和液动执行机构。电动和液动执行机构比气动执行机构结构复杂、价格昂贵，在笔者设计的几套PTA装置中很少被采用，文中不再赘述，下面主要论述气动薄膜和气动活塞两种执行机构的设计选用。

　　气动薄膜式执行机构由膜片、压缩弹簧、托盘、推杆、支架、轴套和膜盖等部件组成，膜片呈盆形由丁腈橡胶和锦纶丝布制成。直行程的执行机构分为正作用和反作用两种，当信号压力增加时推杆向下作用的称为正作用执行机构;反之，则称为反作用执行机构。气动薄膜式执行机构由于装有平衡弹簧，气动信号压力使薄膜室产生的推力减去弹簧的反作用力才是气动薄膜执行机构的输出力。输出力F可由下式计算：

　　式中：F———输出力，N;p———信号压力，Pa;p0———弹簧启动压力，Pa;pr———弹簧范围，Pa;Ae———膜片有效面积，m2;l———阀门行程，cm;L———阀门全行程，cm;pF———有效输出压力，Pa。

　　由于膜片能承受的压力较低，一般情况下最大膜室压力不超过250kPa，被弹簧抵消部分压力后，剩余的输出力就变得很小了。高差压、高静压或大尺寸的贴壁角阀选用的气动薄膜式执行机构，其膜片有效面积Ae必须足够得大，才能使执行机构有足够的输出力去克服作用在阀芯上的不平衡力。增大膜片的Ae也意味着阀门的执行机构的体积变得很大，但由于安装空间的限制，特别是对于那些安装在设备底部裙座内用于排放或冲洗的贴壁角阀，大尺寸的执行机构是没有办法被接受的。

　　若要增加执行机构的输出力而又不增加其体积，另一种方式就是增加p。工厂的仪表气源压力通常是700kPa左右，气动薄膜式执行机构没有充分利用仪表气源的压力，而采用气动活塞式执行机构则可以解决这个问题。气动活塞式执行机构能输出较大的驱动力且有很快的驱动速度。单作用弹簧复位的气动活塞式执行机构(直行程)输出力F计算公式与气动薄膜式执行机构(直行程)相同，但气缸所能承受的压力要比薄膜大得多，较小的体积就可以产生很大的推力。双作用的气动活塞式执行机构，由于没有了弹簧的反作用力，可以在两个方向上都提供较大的推动力。但由于没有了弹簧复位功能，双作用两位式气动活塞式执行机构为实现气开、气关，需配置储气罐。气动活塞式执行机构可分为两位式和比例式。双作用两位式的执行机构通过两位五通的电磁阀对气路进行切换，将活塞由高压侧推向低压侧，带动推杆推动阀芯实现阀门的全开或全关。用于冲洗或泄料的贴壁角阀多选用这种执行机构。双作用两位式气动活塞式执行机构的气路如图1所示。双作用比例式的执行机构通过双作用式阀门定位器使推杆的行程跟随输入信号成比例的变化，从而带动阀芯移动，实现阀门开度的变化，用于调节的贴壁角阀多选用这种执行机构。双作用比例式气动活塞式执行机构的气路如图2所示。

图1 双作用两位式气动活塞式执行机构的气路

图2 双作用比例式气动活塞式执行机构的气路

　　贴壁角阀直接安装在设备壁或管道壁上，不能设置旁路，因而在设计选型时一般会在执行机构配置手轮，当阀门气路故障时，可采用手轮进行手动控制。为了降低阀门尺寸和操作方便，手轮多采用侧装。

3、智能阀门定位器和预测性维护

　　在控制系统中，主要故障有执行器故障、被控对象故障、传感器故障和控制器故障，而执行器和传感器的故障发生较多，特别是执行器的故障往往危及整个系统的控制策略，因而对执行器的可靠性提出了较高的要求。应用于主物料流程中的贴壁角阀因安装位置的特殊性以及管道材质贵重并且尺寸也较大，一般都不设计旁通阀，1台阀门出现问题就会影响整条生产线的运行。通过智能阀门定位器传递的一些阀门性能参数，对贴壁角阀进行预测性维护是很必要的选择。

　　智能阀门定位器是基于微处理器的具有通信能力的定位器。高级的智能阀门定位器具有自适应、自校准和自诊断性能，集成了先进的微处理技术、信息技术以及专家诊断软件，适用于调节阀，并且有些智能阀门定位器还集成了低功耗电磁阀，可以用于两位式开关控制阀，且具有部分行程测试(PST)和全行程测试(FST)功能。大部分品牌的智能阀门定位器都支持HART通信协议，而部分总线型智能阀门定位器则支持FF或Profibus等现场总线协议。将智能阀门定位器通过专用的软件插件，集成到DCS或AMS设备管理系统，通过调看智能阀门定位器内的特定功能模块，可以实现远程校准、状态监视和故障诊断等操作。

　　预测性维护在贴壁角阀还没有产生故障前就通过故障识别和诊断技术对状态参数预测可能出现的情况和预期的时间，预测阀门的功能安全和时间依存性。通过阀门(定位器)厂商的专用软件对阀门进行故障诊断，实施在线预测性维护，提升贴壁角阀的性能，减少运行故障，提高使用寿命，可大大降低PTA装置因贴壁角阀故障造成的非正常停车的时间，提高工厂产能，节省设备维护成本。另外利用智能阀门定位器还可实现高品质调节，增加过程控制的精确性和稳定性。

4、结束语

　　贴壁角阀作为PTA装置中一种特殊又关键的控制阀，从阀体材质、阀芯类型、作用形式到执行机构的设计选择都会影响到整套装置的控制策略。材质的选择错误会使阀门在很短时间内就会因过度腐蚀而产生内漏，阀门将无法实现设计需要的控制效果，甚至完全失控。阀座外径的误差，执行机构的体积大小选择的是否合适，在建造安装时期就会产生影响。在装置运行阶段，贴壁角阀在长时间苛刻的工况下运行，阀门的参数会有哪些变化，存在哪些故障隐患，则需要通过智能阀门定位器和作为上位机的DCS或AMS系统进行查看分析并做出预测性的维护，通过这种“主动性维护”实现阀门的长时间高效率的运行。