貼壁角閥因結(jié)構(gòu)特殊、尺寸較大，用于制造閥體及閥內(nèi)件的金屬材料貴重，使其成為PTA工程中儀控設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。閥體和閥內(nèi)件的材質(zhì)要根據(jù)閥門所控制的工藝介質(zhì)的腐蝕性和操作溫度進(jìn)行選擇;閥門的作用形式和閥芯的類型根據(jù)閥門的安裝位置和控制功能進(jìn)行選擇，安裝在設(shè)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;閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)力矩需求進(jìn)行選擇。由于貼壁角閥的重要作用，建議選用智能閥門定位器，通過智能閥門定位器傳遞的一些閥門性能參數(shù)，對(duì)貼壁角閥進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。

　　近幾年來精對(duì)苯二甲酸(PTA)產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)得到迅猛發(fā)展，尤其是國內(nèi)的民營企業(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)能力迅速突破百萬噸級(jí)，甚至達(dá)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(shè)備，而在過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(yīng)器開始就多以漿料的形態(tài)存在于流程當(dāng)中。因漿料本身的黏稠和易結(jié)晶特性，用于漿料控制的閥門多采用一種特殊結(jié)構(gòu)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)的閥門已經(jīng)不能滿足過程控制的需求，需要采用一些特殊的材料來加工閥體和閥門內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，貼壁角閥設(shè)計(jì)選用的好壞往往會(huì)影響整套裝置的試車工期。

1、貼壁角閥的分類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1、分類

　　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，其中安裝在罐壁上的又可分為側(cè)壁安裝和罐底安裝，不同的安裝位置對(duì)應(yīng)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(shè)備或管道的底部，而液位控制閥多安裝在設(shè)備的側(cè)壁。

1.2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　貼壁角閥的閥座位于同設(shè)備或主管連接的一側(cè)，閥座外露。普通角閥和直通閥在安裝時(shí)基本都是閥門法蘭和管道法蘭進(jìn)行面對(duì)面的連接，而貼壁角閥和設(shè)備或主管道一側(cè)的連接采用的是侵入式連接，即在設(shè)備或主管道上配置一個(gè)凸緣法蘭(也稱為鞍座)，貼壁角閥的閥座插入凸緣法蘭內(nèi)，并且同設(shè)備或主管道的內(nèi)壁齊平，以保證閥門和設(shè)備連接處無多余空間，不留漿料積存的死角。同支管一側(cè)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(nèi)部物料可在重力作用下排出。貼壁角閥在很多場合被稱作“Y”型角閥，有135°角閥，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，也有人稱其為45°角閥，指閥體接管部分的中心線同閥桿中心線間的夾角。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(zhuǎn)彎處平滑無任何死角，可以確保漿料順暢流通。

2、貼壁角閥的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1、閥門的選材

　　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(nèi)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(duì)于中等溫度的物料(100～135℃)，閥體和閥內(nèi)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(duì)于較高溫度的物料(135℃以上)，閥體和閥內(nèi)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(nèi)件需硬化處理時(shí)推薦采用陽極氧化處理法，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(yīng)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(nèi)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、閥芯的類型和閥門的作用形式

　　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(chǔ)漿料的設(shè)備都帶有攪拌器，旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的漿料會(huì)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(huì)更厲害;另一方面，閥芯伸到主管內(nèi)，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(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)閥座外徑時(shí)要核對(duì)設(shè)備圖紙，不但要查明對(duì)應(yīng)接口部件圖上標(biāo)注的尺寸，還要知道設(shè)備的設(shè)計(jì)者對(duì)制造廠提出的制造公差。如果設(shè)備圖紙中要求的制造公差是+0.5mm，使用者對(duì)閥門廠商要求的制造公差是-0.5mm，此時(shí)設(shè)計(jì)的閥座外徑比其對(duì)應(yīng)的接口法蘭的內(nèi)徑小2mm就可滿足安裝要求。如果沒有對(duì)設(shè)備和閥門制造廠提出確切的公差要求，制造廠一般會(huì)按照±0.5mm的公差生產(chǎn)，那么設(shè)計(jì)的閥座外徑比其對(duì)應(yīng)的法蘭內(nèi)徑一般會(huì)選擇小3mm。

　　安裝在管道外壁上的角閥，在設(shè)計(jì)時(shí)一般要求閥門廠商按照壓力等級(jí)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(shè)計(jì)閥門時(shí)只要告知閥門廠商所要連接的主管尺寸和壁厚就可以了，而不用擔(dān)心閥座外徑同凸緣法蘭內(nèi)徑不匹配的問題。

2.4、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用

　　控制閥常用的有氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)和液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)比氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，在筆者設(shè)計(jì)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用。

　　氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)由膜片、壓縮彈簧、托盤、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(zhí)行機(jī)構(gòu)分為正作用和反作用兩種，當(dāng)信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向下作用的稱為正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu);反之，則稱為反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于裝有平衡彈簧，氣動(dòng)信號(hào)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力。輸出力F可由下式計(jì)算：

　　式中：F———輸出力，N;p———信號(hào)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———閥門行程，cm;L———閥門全行程，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(zhí)行機(jī)構(gòu)，其膜片有效面積Ae必須足夠得大，才能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)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也意味著閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積變得很大，但由于安裝空間的限制，特別是對(duì)于那些安裝在設(shè)備底部裙座內(nèi)用于排放或沖洗的貼壁角閥，大尺寸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是沒有辦法被接受的。

　　若要增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力而又不增加其體積，另一種方式就是增加p。工廠的儀表氣源壓力通常是700kPa左右，氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有充分利用儀表氣源的壓力，而采用氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)則可以解決這個(gè)問題。氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)能輸出較大的驅(qū)動(dòng)力且有很快的驅(qū)動(dòng)速度。單作用彈簧復(fù)位的氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(直行程)輸出力F計(jì)算公式與氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(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(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于沒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。但由于沒有了彈簧復(fù)位功能，雙作用兩位式氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)氣開、氣關(guān)，需配置儲(chǔ)氣罐。氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為兩位式和比例式。雙作用兩位式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過兩位五通的電磁閥對(duì)氣路進(jìn)行切換，將活塞由高壓側(cè)推向低壓側(cè)，帶動(dòng)推桿推動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)閥門的全開或全關(guān)。用于沖洗或泄料的貼壁角閥多選用這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。雙作用兩位式氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路如圖1所示。雙作用比例式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過雙作用式閥門定位器使推桿的行程跟隨輸入信號(hào)成比例的變化，從而帶動(dòng)閥芯移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門開度的變化，用于調(diào)節(jié)的貼壁角閥多選用這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。雙作用比例式氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路如圖2所示。

圖1 雙作用兩位式氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路

圖2 雙作用比例式氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路

　　貼壁角閥直接安裝在設(shè)備壁或管道壁上，不能設(shè)置旁路，因而在設(shè)計(jì)選型時(shí)一般會(huì)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置手輪，當(dāng)閥門氣路故障時(shí)，可采用手輪進(jìn)行手動(dòng)控制。為了降低閥門尺寸和操作方便，手輪多采用側(cè)裝。

3、智能閥門定位器和預(yù)測性維護(hù)

　　在控制系統(tǒng)中，主要故障有執(zhí)行器故障、被控對(duì)象故障、傳感器故障和控制器故障，而執(zhí)行器和傳感器的故障發(fā)生較多，特別是執(zhí)行器的故障往往危及整個(gè)系統(tǒng)的控制策略，因而對(duì)執(zhí)行器的可靠性提出了較高的要求。應(yīng)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(shè)計(jì)旁通閥，1臺(tái)閥門出現(xiàn)問題就會(huì)影響整條生產(chǎn)線的運(yùn)行。通過智能閥門定位器傳遞的一些閥門性能參數(shù)，對(duì)貼壁角閥進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)是很必要的選擇。

　　智能閥門定位器是基于微處理器的具有通信能力的定位器。高級(jí)的智能閥門定位器具有自適應(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)以及專家診斷軟件，適用于調(diào)節(jié)閥，并且有些智能閥門定位器還集成了低功耗電磁閥，可以用于兩位式開關(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定位器都支持HART通信協(xié)議，而部分總線型智能閥門定位器則支持FF或Profibus等現(xiàn)場總線協(xié)議。將智能閥門定位器通過專用的軟件插件，集成到DCS或AMS設(shè)備管理系統(tǒng)，通過調(diào)看智能閥門定位器內(nèi)的特定功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷等操作。

　　預(yù)測性維護(hù)在貼壁角閥還沒有產(chǎn)生故障前就通過故障識(shí)別和診斷技術(shù)對(duì)狀態(tài)參數(shù)預(yù)測可能出現(xiàn)的情況和預(yù)期的時(shí)間，預(yù)測閥門的功能安全和時(shí)間依存性。通過閥門(定位器)廠商的專用軟件對(duì)閥門進(jìn)行故障診斷，實(shí)施在線預(yù)測性維護(hù)，提升貼壁角閥的性能，減少運(yùn)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的時(shí)間，提高工廠產(chǎn)能，節(jié)省設(shè)備維護(hù)成本。另外利用智能閥門定位器還可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)調(diào)節(jié)，增加過程控制的精確性和穩(wěn)定性。

4、結(jié)束語

　　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)、閥芯類型、作用形式到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇都會(huì)影響到整套裝置的控制策略。材質(zhì)的選擇錯(cuò)誤會(huì)使閥門在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)因過度腐蝕而產(chǎn)生內(nèi)漏，閥門將無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要的控制效果，甚至完全失控。閥座外徑的誤差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yùn)行階段，貼壁角閥在長時(shí)間苛刻的工況下運(yùn)行，閥門的參數(shù)會(huì)有哪些變化，存在哪些故障隱患，則需要通過智能閥門定位器和作為上位機(jī)的DCS或AMS系統(tǒng)進(jìn)行查看分析并做出預(yù)測性的維護(hù)，通過這種“主動(dòng)性維護(hù)”實(shí)現(xiàn)閥門的長時(shí)間高效率的運(yùn)行。