摘要：隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，控制閥新工藝、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)等問題日益更替，針對(duì)煉油化工領(lǐng)域控制閥調(diào)節(jié)性能差、壽命短等難題，本研究基于PDM系統(tǒng)構(gòu)建了部件分類管理體系。通過模塊化設(shè)計(jì)將控制閥分解為閥門總成、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等核心組件，建立了“組-類-屬性"三級(jí)分類模型與五位編碼體系。構(gòu)建含168項(xiàng)參數(shù)的零部件數(shù)據(jù)庫后，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件復(fù)用率提高45%、設(shè)計(jì)周期縮減40%。實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，該系統(tǒng)使零部件互換匹配度達(dá)98.7%，有效解決了零部件互換性差等問題，為工業(yè)設(shè)備智能化管理提供了可復(fù)用的解決方案。

關(guān)鍵詞：控制閥；部件分類；管理體系；模塊化設(shè)計(jì)；編碼

01

概述

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)制造業(yè)模式不斷更新，PDM（Product Data Management）系統(tǒng)在制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用。PDM是一種管理與產(chǎn)品有關(guān)的信息以及所有與產(chǎn)品相關(guān)的過程的技術(shù)體系，主要涉及產(chǎn)品開發(fā)和生命周期管理中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)和文檔。同時(shí)，PDM還具有以下特性：對(duì)零部件進(jìn)行正確的分類、命名和編碼，提高工作效率和協(xié)作能力；規(guī)范工作流程，加強(qiáng)對(duì)于文檔、圖紙和數(shù)據(jù)的高效利用，避免數(shù)據(jù)丟失和沖突；縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。

02

控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1  閥內(nèi)件

閥內(nèi)件是控制閥中的組成部分，直接決定了閥門的流動(dòng)特性及調(diào)節(jié)性能。如圖1（a）所示，傳統(tǒng)閥內(nèi)件由普通閥座和單座閥芯組成，存在可調(diào)節(jié)性差、耐壓能力低等問題。當(dāng)長(zhǎng)期使用于煉油化工等高苛刻工況場(chǎng)景時(shí)，單座閥芯易因流體沖刷而導(dǎo)致蒸汽分布不均，引發(fā)水錘現(xiàn)象；同時(shí)，閥芯在振動(dòng)環(huán)境下易發(fā)生旋轉(zhuǎn)或卡滯，嚴(yán)重影響生產(chǎn)連續(xù)性。針對(duì)這一現(xiàn)狀，相關(guān)技術(shù)人員提出如下設(shè)計(jì)方案：針對(duì)閥芯承受力不佳的問題，采用籠式雙座閥內(nèi)件替代單座閥內(nèi)件，如圖1（b）所示，該結(jié)構(gòu)通過上下對(duì)稱的雙閥芯設(shè)計(jì)平衡流體壓力，可顯著提升抗振性與運(yùn)行穩(wěn)定性；閥芯外側(cè)增設(shè)籠狀導(dǎo)向套，精準(zhǔn)限制徑向位移，從根本上解決了閥芯卡滯問題；結(jié)合階梯式多級(jí)導(dǎo)流孔優(yōu)化，將可調(diào)比擴(kuò)展至50:1，壓力差承受能力提升至6 MPa，實(shí)現(xiàn)更寬工況范圍的精準(zhǔn)調(diào)控。

(a)單座調(diào)節(jié)閥  (b)雙座調(diào)節(jié)閥

圖1  控制閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)某煉化廠減壓塔控制閥的實(shí)測(cè)反饋數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)后的閥內(nèi)件密封性能得到大幅優(yōu)化，泄漏等級(jí)從IV級(jí)躍升至V級(jí)，密封效率提升30%；運(yùn)行噪聲由85 dB降至72 dB，降噪很好。經(jīng)12個(gè)月連續(xù)運(yùn)行驗(yàn)證，流量特性偏差始終低于3%，且未出現(xiàn)閥芯卡滯或特性漂移現(xiàn)象，充分驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的工程可靠性。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

考慮到控制閥長(zhǎng)期工作于苛刻的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)壓力差的調(diào)節(jié)和高溫的控制通常選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為控制閥常用的操作方式，但電動(dòng)、液動(dòng)和手動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也被廣泛應(yīng)用。與其他執(zhí)行器相比，氣動(dòng)執(zhí)行器（圖2）的特點(diǎn)是將相同規(guī)格的彈簧等效排列在膜片頭部，以彈簧群取代獨(dú)立彈簧，減小了整體尺寸，降低了制造成本。該方法不僅降低了控制閥的安裝難度，還降低了后續(xù)工藝配管的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)提高了零部件通配性。

圖2  執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

03

控制閥結(jié)構(gòu)管理

本文著重介紹了控制閥部件間的組裝層次及數(shù)量關(guān)系，為了理順產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系，需要對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目以氣動(dòng)單座控制閥產(chǎn)品為研究對(duì)象，對(duì)其模塊化分層，并按照屬性的不同進(jìn)行系統(tǒng)化整理和劃分，建立通用控制閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表述管理體系。

3.1  控制閥產(chǎn)品模塊

采用模塊化設(shè)計(jì)與管理方法，將氣動(dòng)單座控制閥產(chǎn)品劃分為閥門總成、執(zhí)行器總成、附件等3大模塊，具體見圖3。通過對(duì)預(yù)定的各功能模塊的拼湊，可以獲得滿足終端用戶所需的控制閥成品。由于附加組件具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，可以按照用戶的要求進(jìn)行選取，只有在制造BOM表格中才有詳盡的說明，因此在以下的分類結(jié)構(gòu)模塊中均不包含附件模塊。

圖3  控制閥產(chǎn)品模塊劃分示意圖

控制閥產(chǎn)品模塊是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心單元，通過調(diào)節(jié)介質(zhì)流量、壓力等參數(shù)保障生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。如圖3所示，該模塊由以下組件構(gòu)成：

（1）執(zhí)行器總成模塊

執(zhí)行器總成模塊可將控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)以改變介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)，包含三種類型：氣動(dòng)型是以壓縮空氣為動(dòng)力源，響應(yīng)速度快，適用于防爆環(huán)境；電動(dòng)型是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制精度高，支持遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸；液壓型是采用液壓油傳動(dòng)，輸出力矩大，適用于高負(fù)載場(chǎng)景。

（2）閥門總成模塊

閥門作為直接接觸介質(zhì)的功能單元，其構(gòu)造包括閥座、閥瓣（或閥芯）、閥桿等核心部件（圖1）。材質(zhì)根據(jù)介質(zhì)特性選擇：鑄鐵類材質(zhì)適用于常溫、低壓非腐蝕性介質(zhì)；鑄鋼類材質(zhì)適用于耐高溫高壓工況，常用于蒸汽系統(tǒng)等高溫高壓環(huán)境；不銹鋼類材質(zhì)耐腐蝕性強(qiáng)，適配酸、堿等腐蝕性介質(zhì)。

（3）控制模塊

控制模塊兼容4~20 mA模擬信號(hào)及數(shù)字量輸入，精準(zhǔn)調(diào)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，主要類型包括：機(jī)械式定位器采用杠桿反饋結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)±1.5%的線性控制精度，適用于常規(guī)工況；而智能定位器控制模組集成PID自適應(yīng)算法，支持HART協(xié)議雙向通信，將控制精度提升至±0.5%，同時(shí)具備參數(shù)自整定和故障診斷功能，可顯著簡(jiǎn)化調(diào)試流程。

（4）檢測(cè)反饋模塊

檢測(cè)反饋模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)閥門開度（精度0.1%）、介質(zhì)流量（誤差＜1.5%FS）及壓力參數(shù)，通過傳感器（如壓電式壓力傳感器）和變送器（4~20 mA輸出）反饋至控制系統(tǒng)。

（5）輔助組件

作為控制閥系統(tǒng)的功能延伸，輔助組件通過專業(yè)化設(shè)計(jì)強(qiáng)化核心模塊性能。其中，過濾器采用多層濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可有效攔截≥40 μm的固體顆粒，防止閥內(nèi)件磨損，延長(zhǎng)關(guān)鍵部件使用壽命30%以上；減壓閥通過內(nèi)置膜片反饋機(jī)構(gòu)，將入口壓力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定至設(shè)定值，波動(dòng)幅度控制在5%以內(nèi)，確保下游壓力平穩(wěn)。

3.2  控制閥部件分解

將構(gòu)成氣動(dòng)單座控制閥的所有零部件進(jìn)行逐級(jí)分解，若有二級(jí)零部件，則進(jìn)一步將其分解直到層零部件為止，形成分層樹狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4  控制閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解圖

04

控制閥結(jié)構(gòu)管理

基于樹狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品和零部件只按照從屬關(guān)系進(jìn)行垂直的管理模式，但由于PDM中具有大量的數(shù)據(jù)，不利于對(duì)其進(jìn)行建立、使用與維護(hù)，需要引入以材料、功能、用途、結(jié)構(gòu)等特性要素為基礎(chǔ)的水平型管理方法，從而對(duì)產(chǎn)品、零部件等信息進(jìn)行更好的管理。熱交換是指一種設(shè)備、材料或系統(tǒng)在不同溫域內(nèi)的周期性運(yùn)動(dòng)，其在熱—聲轉(zhuǎn)換、制冷等領(lǐng)域具有重要意義。由控制閥對(duì)被控制的流體進(jìn)行熱交換而形成的壓力，若直接施加在控制閥上，則會(huì)導(dǎo)致控制閥的連接松弛或者零部件的配合過度，從而降低零部件的有效使用壽命，同時(shí)增大了泄露的危險(xiǎn)。為此，在編制設(shè)計(jì)時(shí)，采用點(diǎn)焊和密封焊等方法代替常規(guī)的絲扣連接，而大直徑控制閥可以采用本體堆焊的方法。

4.1  分類結(jié)構(gòu)樹管理

分類結(jié)構(gòu)樹管理是一種基于樹狀結(jié)構(gòu)的信息分類方法，該方法根據(jù)屬性、功能、用途等多種分類準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，構(gòu)成多層次結(jié)構(gòu)，而每一層次之下，還可以再細(xì)分為若干層次，最后構(gòu)成一個(gè)整體的樹形結(jié)構(gòu)。這樣的架構(gòu)，可以讓使用者清楚地了解彼此的資訊，方便使用者搜尋與管理。

控制閥的產(chǎn)品包括閥門本體組件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件兩大功能組件，每一組件都有各自的零部件，根據(jù)功能與結(jié)構(gòu)的相似度，采用“組-類-屬性"的層級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)圖1中的零部件進(jìn)行了劃分，從上到下分別為零部件設(shè)計(jì)類（組）、零部件名稱（組別）、功能名稱（特性類），在表1中給出了詳細(xì)的說明。通過對(duì)PDM中的特殊件、標(biāo)準(zhǔn)件、通用件等基本資料進(jìn)行分類，構(gòu)建了一個(gè)類別結(jié)構(gòu)樹，不僅能大大提高產(chǎn)品的利用率，還能加速產(chǎn)品在電腦中的定位，提升工作效率。

表1  零部件分類結(jié)構(gòu)

4.2  分類屬性管理

在編制零部件分類結(jié)構(gòu)表的同時(shí)，用零部件屬性表存儲(chǔ)同一類零部件族內(nèi)不同零部件的特性值，如表2所示。

表2  控制閥零部件屬性表

4.3  零部件分類編輯準(zhǔn)則

為了確保產(chǎn)品，采用五位編碼（分類代碼+標(biāo)識(shí)代碼）。分類代碼主要用于區(qū)別零部件設(shè)計(jì)階段的類別、零部件名稱類別以及功能特性類別；使用兩個(gè)位數(shù)的流水碼作為標(biāo)識(shí)類代碼，用于描述相同零部件在相同的產(chǎn)品家族中的特性。例如，編號(hào)B1201中：第1位B表示閥門本體組件專用件，第2位1表示閥芯，第3位2表示多級(jí)閥芯，第4-5位01表示閥座直徑100的流量特性為快開?？刂崎y零部件分類編碼準(zhǔn)則如表3所示。

表3  零部件分類編碼準(zhǔn)則

05

實(shí)際應(yīng)用

5.1  應(yīng)用場(chǎng)景

控制閥在煉油化工企業(yè)中擁有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。在石油加工的復(fù)雜流程中，原油需歷經(jīng)加熱、蒸餾、裂解等一系列精密工序，每一道工序都對(duì)工藝參數(shù)有著要求。例如，在原油蒸餾環(huán)節(jié)，控制閥發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其能夠精確調(diào)整水的溫度和壓力，從而確保蒸餾工藝達(dá)到狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，為了確保裂解反應(yīng)的平穩(wěn)進(jìn)行，還必須采用高性能的控制閥來嚴(yán)格調(diào)控反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力。此外，該控制閥還廣泛應(yīng)用于煉廠生產(chǎn)中的各種氣體及流體的調(diào)節(jié)，如氫氣、乙烯、丙烯等，其精準(zhǔn)的控制能力極大地提高了煉油工藝的穩(wěn)定性和安全性。圖5為煉油廠控制閥實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景示意圖。

圖5  控制閥在煉油廠的應(yīng)用

通過對(duì)比表4中的數(shù)據(jù)，可以清晰地看到采用優(yōu)化的控制閥在原油蒸餾、裂解反應(yīng)、氣體及流體調(diào)節(jié)等方面均取得了顯著的效果。溫度、壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)得到了穩(wěn)定控制，從而提高了生產(chǎn)效率、降低了能耗，并減少了設(shè)備故障率。這些優(yōu)勢(shì)使得該控制閥在煉油化工企業(yè)中具有應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

表4  控制閥?應(yīng)用對(duì)比效果

5.2  注意事項(xiàng)

（1）設(shè)計(jì)選型

針對(duì)煉油化工生產(chǎn)過程中所處理的介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、工作環(huán)境復(fù)雜多變、高溫高壓等特點(diǎn)，需充分發(fā)揮控制閥的作用，不僅需要對(duì)控制閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，還需要對(duì)材料進(jìn)行合理選擇。一方面，閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)防止固體顆粒或沉積物附著在閥門內(nèi)部，避免閥門卡死或損壞，比如采用具有自清洗功能的內(nèi)件，或者選用經(jīng)過表面處理的材料，提高閥門的抗腐蝕能力，延長(zhǎng)閥門的使用壽命；另一方面，所選材料既要能承受特定介質(zhì)的腐蝕性，又要有足夠的強(qiáng)度承受工作溫度及壓力。

（2）定期維護(hù)

為了保證控制閥長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，必須對(duì)控制閥進(jìn)行經(jīng)常性的維修和檢修。一般來說，對(duì)閥門進(jìn)行例行檢測(cè)，包括閥門的密封性、靈活性和是否有磨損、破損等方面，使工作人員能夠?qū)ζ茡p的零部件進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，便于更換損壞的零部件，從而防止由于閥門故障而導(dǎo)致的生產(chǎn)停頓和安全事故。后續(xù)維修中發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)堆積引發(fā)的閥門操作失靈或內(nèi)部部件損壞是控制閥功能失效的關(guān)鍵誘因。

（3）安全操作

在石油化工生產(chǎn)中，安全是一個(gè)十分重要的問題，在操縱閥門時(shí)，必須要嚴(yán)格按照安全規(guī)范進(jìn)行。為此，企業(yè)要對(duì)在工作中經(jīng)常與控制閥接觸的工作人員進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)，確保其充分了解閥門的使用方法和工作機(jī)理，避免出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤而造成安全事故。此外，為了確保全流程的穩(wěn)定與高效，應(yīng)對(duì)控制閥的控制參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)定。工作人員需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求和工藝參數(shù)，對(duì)閥門開度、行程等指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，確保其與物料特性及產(chǎn)品質(zhì)量要求相匹配。閥門靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和調(diào)壓范圍的選擇應(yīng)同時(shí)滿足生產(chǎn)工藝要求與安全標(biāo)準(zhǔn)。

06

結(jié)語

在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，存在大量使用標(biāo)準(zhǔn)件、重用現(xiàn)有零部件的情況，使得同一產(chǎn)品中或不同零部件之間存在大量的零部件互換。通過劃分控制閥的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分類和零部件屬性管理規(guī)則，形成統(tǒng)一的零部件數(shù)據(jù)庫，輔助工程師輕松獲取原有零部件特性，準(zhǔn)確提高零部件的互換性和通配性。該方案不僅降低了零部件重復(fù)設(shè)計(jì)與核算的時(shí)間成本，同時(shí)縮減了生產(chǎn)制造成本，在緩解庫存壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。