正確的執行機構的選型可減少停工時(shí)間
要保證生產(chǎn)率最大化，最重要的因素之一就是正確地選擇執行機構和閥門(mén)的設計與能力。不正確地選擇閥門(mén)和執行機構會(huì )導致設備的過(guò)早毀損，造成高昂的維修成本和生產(chǎn)損耗。
執行機構的尺寸確定與選擇如不符合規范，會(huì )導致各種方式下底線(xiàn)成本的劇增。如果所采購的設備型號過(guò)大，購置成本就會(huì )增多，所以?xún)r(jià)格也更貴。維修費用也會(huì )更多，因為閥門(mén)和執行機構總像是要出問(wèn)題。另外，工廠(chǎng)的安全性也會(huì )降低，因為設備緊急停機功能與設備的應用并不十分匹配。根據衛生與安全行政部門(mén)（一家英國的機構）的調查所得出的結論，2/3的執行機構的故障在實(shí)際使用之前就發(fā)生了，而初次故障產(chǎn)生的原因就是設備不符合規范要求。
作者
Donald Weeks是Flowserve流體控制部門(mén)的產(chǎn)品經(jīng)理。他負責氣動(dòng)和電動(dòng)自動(dòng)化產(chǎn)品的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與開(kāi)發(fā)。他擁有24年為閥門(mén)執行機構解決方案提供應用與規范指導的經(jīng)驗。Weeks取得了坎普林大學(xué)的企業(yè)管理學(xué)位。
自動(dòng)化閥門(mén)產(chǎn)品包（閥門(mén)、執行機構、裝配的附件、數字定位器、電磁閥和一體的或非一體的位置開(kāi)關(guān)）的應用要求高性能和幾乎為零的停機時(shí)間。
圖1（a）. 齒輪齒條執行機構
許多化學(xué)和石油化學(xué)加工企業(yè)（CPI）都涉及危險化學(xué)品（如：氯、光氣、HF烷基化）的生產(chǎn)。類(lèi)似的高危險品應用要求采用嚴格符合規范要求的高性能閥門(mén)和執行機構解決方案。這些企業(yè)的散裝化學(xué)品的生產(chǎn)常常采用批量控制工藝，即采用自動(dòng)化、高頻次長(cháng)壽命的閥門(mén)。
自控閥門(mén)有多種不同的執行機構供選擇，所采用的技術(shù)有電動(dòng)技術(shù)、液動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)技術(shù)。其中，氣動(dòng)的設計包括活塞、葉輪、齒輪齒條和撥叉式。熟悉選擇正確的執行機構的基本的選型流程是非常重要的。這里要討論的是用于控制旋轉型開(kāi)-關(guān)閥門(mén)的齒輪齒條和撥叉式執行機構的設計[（圖1（a）& 1（b）]。
圖1（b）. 撥叉式執行機構
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閥門(mén)和執行機構的技術(shù)
要正確地選擇合適的執行機構，第一步就是了解需要自動(dòng)控制的閥門(mén)特點(diǎn)�；ず褪畛Ｓ玫娜N旋轉類(lèi)閥門(mén)是球閥、旋塞閥和蝶閥。每種閥都有不同的扭矩曲線(xiàn)，因此如何選擇精確且安全的執行機構，也就大不相同。球形閥、旋塞閥和蝶閥的扭矩剖面圖如圖2所示。
當流體流經(jīng)旋轉式閥門(mén)時(shí)，關(guān)閉零件（球、蝶板或旋塞）的表面靜態(tài)壓力并不均一。
1/4轉類(lèi)旋轉閥的關(guān)閉零件（旋轉式）表面的靜態(tài)壓力分布的不均一形成了動(dòng)態(tài)轉矩。之所以叫動(dòng)態(tài)轉矩，是因為它是由流動(dòng)的流體而形成的。圖3說(shuō)明了蝶閥得蝶板和球閥的通道壁可能的靜態(tài)壓力分布。
它們的壓力，由于分布不平均，相當于作用在與干軸有一定距離的點(diǎn)的合力。
由于動(dòng)轉矩作用在閥軸處，它要么順應執行機構運行，要么抵制其運行。如果動(dòng)轉矩大于摩擦力矩，且未能經(jīng)執行機構遏止，就會(huì )導致旋轉。對于傳統的球閥和旋塞閥來(lái)說(shuō)，摩擦力矩常常會(huì )大于動(dòng)轉矩，在確定執行的型號時(shí)，通常不予考慮。傳統的球閥常會(huì )產(chǎn)生較小的動(dòng)轉矩。蝶閥的摩擦力矩常常較低，除非閥盤(pán)與閥座完全密閉時(shí)，動(dòng)態(tài)轉矩會(huì )產(chǎn)生較大的影響。
對于閥桿位于閥板中心位置的對稱(chēng)的工業(yè)蝶閥，動(dòng)轉矩可以關(guān)閉閥門(mén)。但是，對于閥板與閥桿相偏離且閥板表面不對稱(chēng)的高性能蝶閥來(lái)說(shuō)，如果閥門(mén)安裝在下游的閥座保持器（如圖4所示）上，動(dòng)轉矩會(huì )使閥關(guān)閉。但如果閥座保持器在上游，則閥的關(guān)或開(kāi)取決于閥板的旋轉狀態(tài)。
閥制造商有責任真實(shí)地測試并公開(kāi)閥的扭矩數據。扭矩圖通�；谟嬎愣鄠�(gè)變量，并公布某一個(gè)峰值。大多數的測試都使用干凈環(huán)境友好的介質(zhì)。所以，還應提供額外的的安全系數，從而更好地配合終端用戶(hù)的安裝扭矩的應用。隨后，執行機構制造商應負責真實(shí)地報告其輸出的扭矩數據。如果閥門(mén)和執行機構是由同一家制造商生產(chǎn)，這個(gè)過(guò)程即可以得到簡(jiǎn)化，也更為可靠。
“一旦閥門(mén)的扭矩要求確定后，即可正確地進(jìn)行執行機構的選型。在選型前，確切的信息是必須的�？蛻�(hù)應提供執行機構的最低供氣壓力和動(dòng)作模式（如：雙動(dòng)式或彈簧復位式）�！�
執行機構的選型
氣動(dòng)執行機構的操作要求有兩個(gè)外部影響因素：一是信號，二是動(dòng)力源。
信號通常是120/240 VAC或12/24VDC的離散電壓，可以為電磁閥供電。如果使用定位器控制執行機構的旋轉，信號通常是模擬（4-20 mA）或數字信號。電磁閥或數字定位器控制著(zhù)執行機構汽缸的供氣和排氣，交替控制閥門(mén)的位置。電磁閥用來(lái)完成閥的開(kāi)、關(guān)位置的轉換。定位器也有同樣的功能，但主要用于調節控制功能，并能支持更先進(jìn)的應用，如安全儀表系統中的部分行程測試。隨著(zhù)數字式定位器的成本的日益降低，其應用在持續增長(cháng)。氣動(dòng)執行機構的常用動(dòng)力源就是約為60-100 psig的壓縮空氣。
每一種執行機構在切斷氣源后都會(huì )有一個(gè)故障位置。雙作用執行器故障斷氣時(shí)（通氣開(kāi)、通氣關(guān)），閥門(mén)會(huì )停在最后的位置處。但如果管道流體壓力產(chǎn)生的動(dòng)力矩大于閥門(mén)的摩擦力矩時(shí)，就會(huì )出現閥門(mén)旋轉。彈簧復位式執行機構在閥斷氣時(shí)閥門(mén)會(huì )恢復至初始位置。這樣的設計通常被選用于有故障安全要求的關(guān)鍵場(chǎng)合。
一旦閥門(mén)的扭矩要求確定后，即可正確地進(jìn)行執行機構的選型。在選型前，確切的信息是必須的�？蛻�(hù)應提供執行機構的最低供氣壓力和動(dòng)作模式（如：雙動(dòng)式或彈簧復位式）。如執行機構要求彈簧復位式，故障模式（即：故障關(guān)或故障開(kāi)）也必須加以確定。請遵循以下指導方針：
1.雙動(dòng)用操作：所選擇的執行機構在最小供氣壓力時(shí)的輸出扭矩應大于計算所得的閥門(mén)的扭矩。
2.彈簧復位操作，故障關(guān)：所選擇的執行機構在最小供氣壓力情況下彈簧行程末端時(shí)的輸出扭矩應大于關(guān)閉閥門(mén)所需要的扭矩。
3.彈簧復位操作，故障開(kāi)：所選擇的執行機構在最小供氣壓力情況下氣動(dòng)行程末端時(shí)的扭矩輸出應大于打開(kāi)閥門(mén)所需要的扭矩。
當為閥門(mén)或擋板選擇齒輪齒條和撥叉式執行機構時(shí)，工程師應注意在閥門(mén)估計的操作扭矩與閥門(mén)的實(shí)際輸出扭矩間留出安全余量。在缺少終端用戶(hù)的指令下，如果需要添加一個(gè)安全系數來(lái)規定和修正閥門(mén)扭矩值時(shí)，可以遵循以下說(shuō)明：
1.安全系數應加在閥門(mén)扭矩上，而不是執行機構的扭矩上。
2.如果終端用戶(hù)有建議、或閥門(mén)目錄中的扭矩數據指定“選型扭矩”或“執行機構選型扭矩”，那么不再需要添加加安全系數。
3.如果終端用戶(hù)沒(méi)有建議、或閥門(mén)目錄中的扭矩數據指示“閥門(mén)扭矩”，那么需要在閥門(mén)扭矩上加上以下安全系數：
a.“閥門(mén)扭矩”加10%，用于選擇作為雙動(dòng)執行機構。
b.“閥門(mén)扭矩”加15%，用于選擇彈簧復位式執行機構。
在為安全關(guān)斷閥（SSOV）和緊急關(guān)斷閥（ESD）的選擇執行機構時(shí)，通常有特殊的性能要求。如果閥門(mén)的動(dòng)作頻率低于每月一次，那么建議安全系數為計算所得的閥門(mén)扭矩乘以2。多數SSOV都有特定的關(guān)閉時(shí)限（一般很快）。如果客戶(hù)要求一個(gè)4”的自動(dòng)SSOV一秒鐘關(guān)閉，這也很正常。為了確保滿(mǎn)足該要求，執行機構制造商應實(shí)施操作時(shí)間的計算。備有證明文件的計算通常被要求用來(lái)確認執行機構選型的一致性和恰當性。
多數自動(dòng)化閥門(mén)規格書(shū)（上述四種）都會(huì )要求配備手動(dòng)操作裝置，為順應這一要求，指定先進(jìn)的執行機構控制附件是非常重要的。為了確保安全和恰當的操作，氣動(dòng)執行機構必須配備氣動(dòng)鎖定和通氣（LOV）裝置。該LOV可以排空殘存在汽缸里、可能阻止活塞行進(jìn)并導致設備損壞的空氣。更重要的是，該裝置可以防止不當操作，特別是遠程操作中的不當操作。
“規范選擇閥門(mén)自動(dòng)化可以增加生產(chǎn)正常運行時(shí)間，降低維修成本、提高工廠(chǎng)的安全性。選擇恰當的執行機構通常會(huì )基于扭矩要求、閥門(mén)應用和價(jià)格�！�
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恰當地選擇閥門(mén)自動(dòng)化產(chǎn)品可以增加生產(chǎn)正常運行時(shí)間，降低維修成本、提高工廠(chǎng)的安全性。選擇恰當的執行機構通常會(huì )基于扭矩要求、閥門(mén)應用和價(jià)格。
通常，齒輪和齒條技術(shù)執行器應用于6英寸或更小閥門(mén)的控制。設計有兩個(gè)活塞、雙齒輪齒條執行機構的性能和可靠性是無(wú)與倫比的。在長(cháng)壽命/高性能應用中，先進(jìn)的設計增加了內部支撐導桿（圖5）可以消除活塞走歪現象及走歪而產(chǎn)生的側向力，延長(cháng)其使用壽命。
6英寸以上的閥門(mén)主要采用撥叉式執行機構，因為這種設計能更好地用于驅動(dòng)高達百萬(wàn)英寸-磅的高轉矩和止推負載。先進(jìn)的設計還包括內部導桿（請參見(jiàn)圖5）支撐撥叉和先進(jìn)的活塞密封設計可以清潔行進(jìn)表面，增強密封性能。高品質(zhì)的設計通過(guò)對內部關(guān)鍵部件（如：氣缸壁、導桿）的表面處理改善了防腐蝕性能。同時(shí)，外表面的處理也使產(chǎn)品能承受?chē)揽恋沫h(huán)境。
對所有按規范選擇并安裝的執行機構來(lái)說(shuō)，發(fā)生故障的首要原因就是使用低于A(yíng)NSI/ISA-7.0.01標準所定義的空氣質(zhì)量的空氣。幾乎所有的閥門(mén)執行機構都需要永久性潤滑，并配以最佳的高品質(zhì)儀表氣（也適用于環(huán)境侵入的空氣）。執行機構的汽缸在活塞運行時(shí)排氣。當活塞向內運動(dòng)時(shí)，就會(huì )通過(guò)排氣口吸入周?chē)h(huán)境的空氣。如果當地的環(huán)境比較惡劣，必須采取特殊的控制方法（如：呼氣閥）來(lái)防止污染和設備過(guò)早損壞。如果空氣保持干凈，則執行機構可使用相當長(cháng)的時(shí)間。
功能性安全（IEC 61508）和安全整體水平（SIL）等級的課題已成為石化行業(yè)CPI的關(guān)注趨向。根據衛生與安全行政部門(mén)（一家英國的機構）的調查所得出的結論，2/3的故障在操作者實(shí)際開(kāi)始使用產(chǎn)品或系統（請參見(jiàn)圖6）之前就發(fā)生了。設計規范的錯誤是故障的主要原因。當前，全球遵循的標準強調，設備的質(zhì)量和可靠性是安全系統防止故障產(chǎn)生的的關(guān)鍵。
閥門(mén)執行機構的選擇和購買(mǎi)要求有具備資質(zhì)的人員進(jìn)行全程評估，且相關(guān)用戶(hù)及其合同支持方有責任建立一個(gè)定義明確的產(chǎn)品規范，工廠(chǎng)的性能和員工的安全也都建立在這個(gè)規范之上。 | 
