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控制阀技术十五年转型之路

[以市场为导向的控制阀技术发展]

作者:李宝华 文章来源:PS《流程工业》  点击数:2288  发布时间:2013-05-31
1998~2013年这十五年,我国制造业的高速发展,拉动了对工业自动化仪表和控制系统的需求.


一体化的功能部件实现了更高的效率:带有驱动装置的控制阀

1998~2013年这十五年,我国制造业的高速发展,拉动了对工业自动化仪表和控制系统的需求。生产过程控制需要大量控制阀及其预测性维护以实现过程强化、功能安全和能效管理。作为控制回路终端执行元件的控制阀(亦称调节阀)凸显重要,同时也是长期以来技术比较薄弱的短板。我国控制阀生产商经历十五年转型之路,从“以产品为导向”转到“以市场为导向”,追随流程工业不断增长的应用需求,引入先进制造技术,加大研发投入和技术创新,提高产品质量,为用户提供个性化总体解决方案,完善从设计选型定制到调试检维修的全过程技术服务。控制阀技术趋于在信息数字化、控制智能化、通信网络化、系统集成化技术支持下实现高可靠性、高性能和高适用性,并体现在标准化、模块化、网络化,高集成、高性能、高智能,低成本地全面满足用户需求。

1998~2013年的十五年,我国制造业的高速发展,拉动了对工业自动化仪表和控制系统的需求。随着世界范围内工业生产技术不断进步,流程工业正朝着大型化、一体化、智能化和清洁化等方向发展,同时要求工业自动化仪表和控制系统从工厂生产操作、管理、维护的角度出发具有开放性、高可靠性、互操作性和易维护性。智能化的要求使工业企业加大对自动化控制设备的投入,生产过程控制需要大量控制阀及其预测性维护以实现过程强化、功能安全和能效管理。目前我国流程工业大型项目(装置)的自动化先进程度已经处于世界领先水平,但苛刻工况应用的控制阀产品基本依赖进口,国产控制阀和执行机构及其附件与国际水平仍有较大差距。

基本现状

作为控制回路终端执行元件的控制阀(亦称调节阀)在流程工业过程控制中凸显重要,同时也是长期以来技术比较薄弱的短板。存在的问题主要表现在:控制阀的品种多、规格多、参数多、不便于选型、安装、维护、管理;控制阀的维持性能差、可靠性差、耐用性差,不适应过程控制要求;控制阀的技术研发缓慢,难以应对苛刻工况应用以及特种需求;控制阀的体积大、噪声大、耗能大,不符合环保和能源战略;国产控制阀及其执行机构性能和功能落后、智能化程度低、技术更新周期长,生产厂家新技术发展的积极性明显不如流程工业控制阀用户高;大型项目关键部位选用的产品仍以国外控制阀为主;高端产品受制于人,特种材料仍是瓶颈,核心技术还未掌握。

市场需求牵引,技术创新推动。控制阀制造业随流程工业过程控制的快速发展而发展,也使控制阀市场整体业务得以保持稳定和高速增长趋势,采购量大增的同时国际国内竞争加剧。我国控制阀生产商经历十五年转型之路,从“以产品为导向”转到“以市场为导向”,追随流程工业不断增长的应用需求,引入先进制造技术和装备,加大研发投入和技术创新,提高制造工艺和产品质量,为用户提供个性化总体解决方案,完善从设计选型定制到调试检维修的全过程技术服务。十五年来中国控制阀制造业的进步是明显的。

中国成为全球最为关注的市场,控制阀国际知名品牌大量进入中国,如EMERSON-Fisher、GE Enregy -Masoneilan、KOSO、SAMSON、abzil(Yamatake)、Flowserve、Tyco、Metso、IMI-CCI、ARCA等等。这些国际跨国公司起初依据“二八理论”,主要占据前20%的高端市场,现在则以“长尾理论”侵入其余的80%市场,建立独资或合资工厂实施本土战略以及收购中国的中小企业专门生产适合中低端市场的产品。EMERSON-Fisher在天津武清建立控制阀研发中心和组装工厂,KOSO在无锡形成制造基地,SAMSON在北京亦庄设有生产中心,GE Enregy –Masoneilan在苏州建厂,等。这种竞争策略压缩了国内企业的市场空间和提出了严峻的挑战,这些国外品牌更带来了先进的控制阀技术和多样化的产品,以及技术比较、借鉴的机会。国内近300家控制阀生产商,大多数是仿制基型产品和简单加工,在可细分的控制阀中低端市场进行低价格无序竞争。相比之下,吴忠仪表、上仪七厂、重庆川仪、无锡智能、大连亨利、浙江三方、上海大通、苏州纽威、中核苏阀、重庆南坪、重庆华林、徐州阿卡、浙江派沃等厂商能够引进与创新、技术进步,在竞争中也有逐年向上的良好表现,技术层面实现部分突破,研发出高温深冷、高压差、多相流、颗粒冲刷和磨损等苛刻工况以及大口径的控制阀产品和大推力、大扭矩的执行机构,推出旨在控制阀预测性维护的数字解决方案。在新建的大型流程工业项目,尤其石油石化和煤化工装置中应用国产控制阀的比例已有显著提升。在2012年10月投产的仪征化纤新建聚酯装置上的全部控制阀都选用了国产的无锡智能控制阀,包括主流程中关键的带热夹套的熔体特种控制阀。中核苏阀、上仪七厂和浙江三方的控制阀产品成功进入三代核电AP1000。


图1 李宝华,从事工业自动化仪表和控制系统的技术工作38年,曾任国企电仪主任、仪表科长,民企仪表总工,外企市场部经理。2006年后较多关注工业过程控制阀。

技术发展

1. 国内控制阀制造技术发展

中国制造控制阀产品始于20世纪60年代仿苏设计的ZMA/ZMB型的单座阀、双座阀,国家先后成立了上仪七厂、吴忠仪表、鞍山热工(现鞍山自控)、天仪四厂(现天津精通)、川仪11厂(现重庆川仪调节阀有限公司)等国有控制阀企业,形成一定生产能力;70年代引进的大型石化化纤装置配套而来的美德日法等国的先进控制阀(如套筒阀、偏心旋转阀、蒸汽减温减压阀、高压阀)及其执行机构和阀门定位器等附件让国内控制阀制造厂开阔了眼界、明示了产品研发方向;80年代和90年代通过引进、合资等方式生产欧美日类型的控制阀,一度缩小了与国际水平的差距,如吴忠仪表及川仪11厂引进的CV3000系列、上仪七厂引进的21000和41005系列,吴忠仪表引进模块化的ECOTROL 08C系列(现已融入自有技术推出模块化的爱客超系列控制阀),无锡工装引进的501T等系列及V型球阀,天津精通引进隔膜阀。90年代后,受国内工业项目推动,控制阀市场日益成熟和扩大,涌现出一批颇具知名度和竞争力的民营控制阀企业。进入21世纪,多数国内控制阀厂家都加大了制造加工机械设备和专用工装工具的投入,阀体材料和加工方面也有较大进步,某些部件已达到国际水准,但产品的重复简单仿制和研发滞后,以及缺乏复合型综合型人才和技术创新,使行业整体与国外差距又在拉大,尤其是几乎没有国内首创的控制阀新产品、新技术,在智能型控制阀和预测性维护及信息可互操作的技术方面落后更多。

2.控制阀先进制造技术

控制阀制造涉及产品设计、材料选择、生产计划、生产过程、质量保证、市场营销和技术服务的一系列工作。全球的控制阀历史可追溯到1880年,相当长时间内的制造技术和装备器具还很落后,蹒跚在机械加工与装配过程的狭义制造中。近年来,随着工业技术大环境改变,先进制造技术急切进入控制阀制造领域。国际知名品牌生产厂商都在运用先进制造工艺,大量更新设备投用生产执行系统和数控机床实现加工自动化,采用压铸、全模等高效精密成型技术、高精度磨床的高效高精度加工工艺、表面改性和涂层的特种加工及材料改性技术,生产出精致、精良、可用、可靠的高质量产品:从微小流量控制阀到超大通径控制阀;从传统单座阀型到偏心旋转阀型、V型球阀、滑板罚、轴流阀;从防喘振、抗空化气蚀、耐磨蚀控制阀到高温高压特种控制阀、专用控制阀;从大推力的气动执行机构到快速响应的电动执行机构;从保证过程安全的控制阀紧密关闭到保证环境的超低泄漏等等。控制阀与流程工业过程控制的发展同步进行,品种增加、功能扩展、不同工况应用、各种解决方案,形成全过程、大范围、高参数,基本满足了工业生产的控制要求和控制阀市场需求。

在先进设计技术方面,计算机辅助数字化设计和快速设计技术改变了控制阀设计落后的局面。模块化设计及产品已在EMERSON-Fisher(GX型)、SAMSON(240/250/290系列)、ARCA(ECOTROL 08C系列)等领军厂商推出多年。这些模块化设计的控制阀面对产品整体,体现于产品系统的标准化、组合化,结构合理、部件优化。以控制阀两大组成部分(执行机构和阀)及附件为出发点,进行功能分析,划分出功能模块,并使有限多的模块实现功能最优化、通用化。

控制阀绿色制造(GM)也初步展开,面向环境的设计制造,具体通过新设计新阀内件减少控制阀噪声、采用金属波纹管或膜片密封实现阀杆环径零泄漏或设计特殊结构填料满足环保要求,并从设计、制造、使用到报废产品自身全生命周期不产生环境污染或环境污染最小化进行绿色考虑,提高能效,降低能耗,减少危害。

3.控制阀标准国际化

标准化作为发展产业的支撑条件,对推动控制阀技术水平的普遍提高起过重要作用。标准用来衡量产品质量、实现不同厂商间协调和信息交换,在确定技术体制、促进技术融合、加强科学管理、提高产品质量等方面发挥重要作用,并日趋国际化。

国际上的控制阀标准化工作由IEC组织第65技术委员会(缩写TC65)下属的SC65B小组“系统的元件”中的第9工作组(WG9)负责,任务是为工业过程控制用的各种控制阀阀体组件、执行机构和定位器制订基本要求、端面距和相关尺寸、额定压力、泄漏和其他性能要求、尺寸计算方法和评定方法方面的标准。IEC的工业过程控制阀系列标准的序号为IEC 60534,该族现行标准已有9个部分17个标准,其中第九部分是适应控制阀制造的最新发展,专用于多级降压、级间压力恢复的多级阀芯类型的噪声预估;2010年以后IEC更新了2-1流量计算、8-2和8-3实验室测量噪声标准和撤销了2-5多级阀流量计算。国际上的控制阀生产商都已接受上述IEC标准,在设计、制造、计算中采用的是基本统一的流量公式、阻塞流公式以及噪声预估方法,控制阀公称通径、公称压力、泄漏等级、端间距等都已按IEC标准执行,阀门定位器等附件与控制阀的连接基本上符合标准可实现通用性互换性。模拟型和智能型阀门定位器分别有IEC 61514和IEC 61514-2标准。

中国于2001年开始全面采用国际标准,对于IEC工业过程控制阀系列标准目前已等同或等效了16个。另有用于阀门定位器的等同IEC 61514和IEC 61514-2的GB/T 22137.1-2008和GB/T 22137.2-2008标准,还单独有一个GB/T 4213-2008《气动调节阀》标准。虽然还有部分IEC 60534标准需要更新升级,但国产控制阀产品的总体技术要求方面不再落后国际水平。另一方面,国内控制阀制造厂商真正采纳标准的还非常有限,符合控制阀标准的产品不多。还有部分行业的设计院和用户习惯采用美国ANSI/ISA标准及API标准;有的厂商仍在使用已作废的标准(如ASME 16.104、GB/T 4213-92)。


图2 控制腐蚀性介质的490型蝶阀配备的是小型驱动装置

4.智能控制阀应用

控制阀是控制回路的终端执行元件,接受控制指令并由阀门定位器自身闭合回路实现阀位的反馈控制。阀门定位器这一控制阀的重要附件,长期采用机械式的模拟技术,结构复杂、功能单一且故障率高,也使控制阀整体性能低下,常常不能实现有效控制。

流程工业生产装置在控制系统、测量仪表率先数字化、智能化后,控制阀更显现为控制回路中的薄弱环节,严重制约了过程控制的发展。十五年来,以智能电气阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案,使控制阀转换为工业现场的智能化设备,进入信息化整合。

智能阀门定位器是新一代高性能的电气阀门定位器,采用在板微处理器、应用软件和功能模块,可实现定位功能的自校准、自适应、阀位控制和控制阀的在线自诊断及离线测试,本机显示或附加更多功能,以及数字通信和集成到控制系统/资产管理系统,还具有免维护运行特征。

控制阀制造厂商在研发智能电气阀门定位器时,主要是为本公司的控制阀产品配套,也考虑到遵从相关的阀门定位器与控制阀连接的IEC60534-6-1/-6-2标准或行业标准,使不同厂商的阀门定位器与控制阀/执行机构之间组合连接成为可能;而在设计上都是基于定位功能的自校准、自适应、阀位控制和执行机构性能的自诊断功能及免维护运行,并支持HART通信/无线通信和Profibus-PA、Ff现场总线和集成各种工程工具软件,可互操作的技术主要有功能块、EDDL、FDT/DTM。但是,流程工业用户对已有的智能电气阀门定位器设计的许多创新功能也未得到充分理解和应用。

流程工业中尤其大型项目过程控制中选用的智能电气阀门定位器绝大多数出自少数国外知名品牌:

EMERSON-Fisher的DVC6000、DVC6200、DVC2000系列;Siemens的SIPART PS2系列;SAMSON的3730/3731系列;GE Enregy -Masoneilan的SVI II AP;ABB(H&B)的TZID-C;abzil的SVP3000;Metso-Neles的ND9000等。国内相关产品还是刚刚起步,吴忠、重庆、温州、南京等地已有相应产品推出,但技术差距较大,尤其是在电气转换和气动部件上以及可互操作问题。

5.控制阀预测性维护

预测性维护注重动态管理和监测以及设备良好运行的可持续性。发展控制阀预测性维护,实现执行机构自校准、自适应、状态监测、在线动态特性分析和设备故障诊断,在控制阀还没有产生故障前就通过计算机辅助故障识别和诊断技术以及广义专家系统对状态参数预测可能出现的情况和预期的时间,通过预测控制阀设备的功能安全和时间依存性来进行维护。国际上普遍认可NAMUR有关《现场设备的自监控和诊断》的NE 107规范,内部诊断归类为4个浓缩状态,操作人员只看到状态,维护人员查看到细节。浓缩状态表明超程或故障,要求维护(已发生故障)/需要维护(已到或超过维护周期),以及功能检查,无浓缩状态则设备正常。

流程工业大型装置的管控一体化及资产管理系统促进了控制阀预测性维护的技术发展,随着智能电气阀门定位器的深入研发,所需的状态监测和诊断功能逐渐转移到控制阀本机设备上的诊断体系。利用智能电气阀门定位器自带阀位(行程)、输出、气源等参量传感器直接进行状态监测,以故障识别、逻辑思维推理、鲁棒性的广义专家系统进行在线预测性维护,提升并维持了性能,减少了运行故障和提高了使用寿命,对工业生产有显著的经济效益。

全球控制阀主要生产商也是推行控制阀预测性维护的先行者,不断升级智能电气阀门定位器及完善预测性维护诊断软件。EMERSON-Fisher有 DVC6000/6200/2000系列和AMS ValveLink诊断软件、SAMSON有3730/3731系列和EXPERT Plus诊断软件及TROVIS-VIEW、GE Enregy-Masoneilan有SVI II AP和Valvue诊断软件、Foxboro有SRD960/991和VALcareTM诊断软件、azbil有SVP 3000alphaplus和Valstaff诊断软件等等。

6.控制阀空化及损害的评估与预防

控制阀苛刻工况应用是流程工业过程控制重点关注的技术问题,控制阀液体流体应用时发生的空化会对阀内件和阀体及阀后管件造成很大破坏,严重影响控制阀的工作性能和使用寿命以及加剧噪声、振动,构成安全隐患。空化及损害的评估长期止步不前,抗空化气蚀方案多限于计算复杂、加工难度大、应用局限大的迷宫式阀内件。

在基于经验指数的西格玛方法难以指导普遍问题下,近年来,在对控制阀液体流体应用时发生的空化及损害的评估和防治上有了技术突破,根据实时测试阀门空化气蚀程度的方法研究,通过声压级测试和材料测试建立相关性,获得更精确的信息,取得开拓性进展,IEC组织据此发布了IEC 60534-8-4:2005年第2版,在液体流体噪声预估中提出XF压差比方法,可由理论公式计算出接近实测值的初始空化特性压力比XFZ、微喷射流参数以及空化噪声功率等。2007年又发布了具有抗空化气蚀功效的多级降压级间压力恢复控制阀的IEC 60534-9标准,2010年以后又更新了IEC 60534-8-2和-8-3实验室测量噪声标准,能够指导控制阀厂家有效评估控制阀的空化及损害,进而基本掌握各种阀型不同通径不同流量系数下的初始空化、初始空化损害的相关数据,以及结合阻塞流计算与测试、噪声预估与测试,保证控制阀适用于苛刻工况。GE Enregy-Masoneilan、IMI-CCI和EMERSON-Fisher及SAMSON继续在控制阀苛刻工况应用、抗控制阀空化及损害、超高压差工况应用、多级阀设计计算和制造方面居行业领先地位。

发展趋势

中国制造业持续高速发展,总体规模不断扩大,进一步优化产业布局和提高产业聚集度,流程工业已形成多个集聚产业区和具有国际水平的大型生产基地。仅石油石化行业在“十二五”期间还将建成多个世界级规模的炼油-乙烯-芳烃上下游一体化的产业基地;新型煤化工行业适度发展和建设大型的二甲醚、煤制油、甲醇制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇等装置。这一切都使控制阀需求量增长很大,例如每套千万吨级炼油装置约需1500多台、每套百万吨级乙烯装置约需5300多台,其中苛刻工况应用约占25%,包括大口径、高压力等级、特殊结构的控制阀。

流程工业自动化趋于在信息数字化、控制智能化、通信网络化、系统集成化技术支持下实现高可靠性、高性能和高适用性,在应用上呈现满足不同对象的个性化总体解决方案、结合企业经营管理的管控一体化系统、提高经济效益的能效管理。在此基础上对控制阀市场产生大的需求以及技术拉动,使控制阀制造业跟随发展,并体现在标准化、模块化、网络化,高集成、高性能、高智能,低成本地全面满足流程工业过程控制需求。

1.标准先行、模块化设计、网络互联互通

寻求、完善和执行统一的控制阀标准,使不同厂商生产的控制阀能够实现互换性、互操作性和高适用性。整合计算选型程序,采用标准化软件,从分散的不通用的各自计算状态发展到根据过程数据和指定功能、性能和成本就能够正确计算选型、确定所需的阀型、流路、流量系数、通径和管路配合、适合的阀体阀内件型式和材质、针对性的密封型式等。建立标准化的软件平台,使用标准化的计算机辅助故障识别和专家诊断软件,使不同制造商的控制阀可进行性能监测和故障诊断。标准化也使得控制阀的低成本和可维修性达到目的。

从产品的集中设计到模块化分散设计是一种创新,模块化设计遵守从系统结构入手,将整个控制阀系列产品按照功能切分成有限多的通用模块(不变部分)和专用模块(变化部分),分散的相对独立的模块遵守共同的明确规则,以保证这些模块能够组合成一个完整的系统,并能够随时加入新的模块增加系统功能。各模块独立开发并要求具有更多更好的性能,优化设计并尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部件,基于大部分部件确定使用通用模块、少部分按用户技术条件选择专用模块,缩短了产品生产周期能够快速响应市场,组合成满足需求的控制阀产品。模块化设计的控制阀将以其开放式架构、全新的系统结构、优化的模块部件、简便的计算与选型、高安全性和可靠性,以及产品紧凑坚固、号型齐全多样、部件通用可换、易于维护检修,带来控制阀整体功能和性能的明显提升,也使其在应用、生产、维修、管理方面大为简化,并使用户受益。

网络技术推动了传统工业结构的变革,开启“智慧地球”概念的物联网时代,通过传感设备和通信手段实现全面互联的网络,进行智能化的实时管理和控制。流程工业将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联互通、嵌入式技术和无线通信技术融合,在保证系统原有的稳定性、实时性等要求的同时, 又增强了系统的开放性和互操作性, 提高了系统对不同环境的适应性。网络化支持控制阀技术,以信息化网络灵活而迅速地组织资源,建立虚拟制造和虚拟设备(仪表),形成快速反应和高效集成,产生整体经济效益。数字化应用的控制阀成为现场智能设备,支持现场总线协议及无线通信并融入管控一体化网络,在运作的网络化下更好地协同工作、有效控制、在线诊断和便捷维护,实现全局信息和全生命周期信息的整合。

2.信息和性能集成的高智能

高集成基于信息化,包括企业资源的集成化研发管理和产品制造、开放性技术和标准化的产品。利用先进制造技术进行控制阀产品融合信息和性能的高集成,运用制造执行系统MES和企业资源计划系统ERP。注重全息集成、有效利用与整合、提升制造智能、优化系统和控制阀产品,使控制阀生产商有效管理全生命周期和提供优质有效、低成本、绿色产品。控制阀本身的高集成也使产品功能多样化、复杂化,单台控制阀就具有应对流程工业生产多种控制要求的能力。

开发控制阀的高性能处理能力、苛刻工况应用能力,加强基型产品的技术开发创新,彻底摆脱产品仅有单一技术特征,在控制流体量的简单执行功能和工作可靠有效之上,同时具备本机显示、组态、检测、控制、运算、诊断、通信以及安全、绿色等功能和兼容性,实现按需求控制、个性化解决方案。要重视对流程工业各种装置工艺参数和过程特征的了解,从功能安全和适用角度注重产品设计细节、制造质量和配套能力,以及开发高性能的流程工业特种控制阀。

控制阀利用人工智能技术和计算机技术,嵌入式数字解决方案实现智能化,更多表现在控制阀自适应、自校准、自诊断和远程通信上,更好体现在实现强化性能和分散风险,提高可用性和可靠性上。综合神经网络、模糊逻辑、广义专家系统的计算机故障识别与性能诊断将是推动控制阀高智能化的主要因素,智能电气阀门定位器普及应用到控制阀和电动执行机构智能一体化设计以及智能控制阀预测性维护是发展主流。

小结

流程工业对控制阀的全面应用需求以及实现过程强化、功能安全和能效管理的技术要求,推动控制阀按照高可靠性、高性能和高适用性进行研发创新,在应对苛刻工况和开发新阀型方面下功夫,满足流程工业日益增强的过程控制,控制阀制造从“以产品为导向”转向“以市场为导向”,提供响应用户的个性化总体解决方案和控制阀产品全生命周期的技术服务。

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