控制閥部件的分類管理

摘要：隨著我國工業現代化進程的不斷加快，控制閥新工藝、新結構、新技術等問題日益更替，針對煉油化工領域控制閥調節性能差、壽命短等難題，本研究基于PDM系統構建了部件分類管理體系。通過模塊化設計將控制閥分解為閥門總成、執行機構等核心組件，建立了“組-類-屬性"三級分類模型與五位編碼體系。構建含168項參數的零部件數據庫后，可實現標準件復用率提高45%、設計周期縮減40%。實際應用證實，該系統使零部件互換匹配度達98.7%，有效解決了零部件互換性差等問題，為工業設備智能化管理提供了可復用的解決方案。

關鍵詞：控制閥；部件分類；管理體系；模塊化設計；編碼

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概述

隨著現代生產制造業模式不斷更新，PDM（Product Data Management）系統在制造業中被廣泛應用。PDM是一種管理與產品有關的信息以及所有與產品相關的過程的技術體系，主要涉及產品開發和生命周期管理中產生的各種數據和文檔。同時，PDM還具有以下特性：對零部件進行正確的分類、命名和編碼，提高工作效率和協作能力；規范工作流程，加強對于文檔、圖紙和數據的高效利用，避免數據丟失和沖突；縮短產品開發周期，提高產品質量和競爭力。

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控制閥結構設計

2.1  閥內件

閥內件是控制閥中的組成部分，直接決定了閥門的流動特性及調節性能。如圖1（a）所示，傳統閥內件由普通閥座和單座閥芯組成，存在可調節性差、耐壓能力低等問題。當長期使用于煉油化工等高苛刻工況場景時，單座閥芯易因流體沖刷而導致蒸汽分布不均，引發水錘現象；同時，閥芯在振動環境下易發生旋轉或卡滯，嚴重影響生產連續性。針對這一現狀，相關技術人員提出如下設計方案：針對閥芯承受力不佳的問題，采用籠式雙座閥內件替代單座閥內件，如圖1（b）所示，該結構通過上下對稱的雙閥芯設計平衡流體壓力，可顯著提升抗振性與運行穩定性；閥芯外側增設籠狀導向套，精準限制徑向位移，從根本上解決了閥芯卡滯問題；結合階梯式多級導流孔優化，將可調比擴展至50:1，壓力差承受能力提升至6 MPa，實現更寬工況范圍的精準調控。

(a)單座調節閥  (b)雙座調節閥

圖1  控制閥內部結構圖

根據某煉化廠減壓塔控制閥的實測反饋數據表明，改進后的閥內件密封性能得到大幅優化，泄漏等級從IV級躍升至V級，密封效率提升30%；運行噪聲由85 dB降至72 dB，降噪很好。經12個月連續運行驗證，流量特性偏差始終低于3%，且未出現閥芯卡滯或特性漂移現象，充分驗證了該設計的工程可靠性。

2.2 執行機構

考慮到控制閥長期工作于苛刻的環境下，實現壓力差的調節和高溫的控制通常選用氣動執行機構作為控制閥常用的操作方式，但電動、液動和手動執行機構也被廣泛應用。與其他執行器相比，氣動執行器（圖2）的特點是將相同規格的彈簧等效排列在膜片頭部，以彈簧群取代獨立彈簧，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，還降低了后續工藝配管的設計難度，同時提高了零部件通配性。

圖2  執行機構結構圖

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控制閥結構管理

本文著重介紹了控制閥部件間的組裝層次及數量關系，為了理順產品結構關系，需要對產品結構進行標準化設計。本項目以氣動單座控制閥產品為研究對象，對其模塊化分層，并按照屬性的不同進行系統化整理和劃分，建立通用控制閥產品結構表述管理體系。

3.1  控制閥產品模塊

采用模塊化設計與管理方法，將氣動單座控制閥產品劃分為閥門總成、執行器總成、附件等3大模塊，具體見圖3。通過對預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的獨立性，可以按照用戶的要求進行選取，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構模塊中均不包含附件模塊。

圖3  控制閥產品模塊劃分示意圖

控制閥產品模塊是工業自動化系統的核心單元，通過調節介質流量、壓力等參數保障生產穩定運行。如圖3所示，該模塊由以下組件構成：

（1）執行器總成模塊

執行器總成模塊可將控制信號轉化為機械動作，驅動閥芯運動以改變介質流動狀態，包含三種類型：氣動型是以壓縮空氣為動力源，響應速度快，適用于防爆環境；電動型是通過電機驅動，控制精度高，支持遠程信號傳輸；液壓型是采用液壓油傳動，輸出力矩大，適用于高負載場景。

（2）閥門總成模塊

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

（3）控制模塊

控制模塊兼容4~20 mA模擬信號及數字量輸入，精準調控執行機構動作，主要類型包括：機械式定位器采用杠桿反饋結構，可實現±1.5%的線性控制精度，適用于常規工況；而智能定位器控制模組集成PID自適應算法，支持HART協議雙向通信，將控制精度提升至±0.5%，同時具備參數自整定和故障診斷功能，可顯著簡化調試流程。

（4）檢測反饋模塊

檢測反饋模塊能夠實時監測閥門開度（精度0.1%）、介質流量（誤差＜1.5%FS）及壓力參數，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。

（5）輔助組件

作為控制閥系統的功能延伸，輔助組件通過專業化設計強化核心模塊性能。其中，過濾器采用多層濾網結構，可有效攔截≥40 μm的固體顆粒，防止閥內件磨損，延長關鍵部件使用壽命30%以上；減壓閥通過內置膜片反饋機構，將入口壓力動態穩定至設定值，波動幅度控制在5%以內，確保下游壓力平穩。

3.2  控制閥部件分解

將構成氣動單座控制閥的所有零部件進行逐級分解，若有二級零部件，則進一步將其分解直到層零部件為止，形成分層樹狀結構，如圖4所示。

圖4  控制閥產品結構分解圖

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控制閥結構管理

基于樹狀結構的產品和零部件只按照從屬關系進行垂直的管理模式，但由于PDM中具有大量的數據，不利于對其進行建立、使用與維護，需要引入以材料、功能、用途、結構等特性要素為基礎的水平型管理方法，從而對產品、零部件等信息進行更好的管理。熱交換是指一種設備、材料或系統在不同溫域內的周期性運動，其在熱—聲轉換、制冷等領域具有重要意義。由控制閥對被控制的流體進行熱交換而形成的壓力，若直接施加在控制閥上，則會導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，同時增大了泄露的危險。為此，在編制設計時，采用點焊和密封焊等方法代替常規的絲扣連接，而大直徑控制閥可以采用本體堆焊的方法。

4.1  分類結構樹管理

分類結構樹管理是一種基于樹狀結構的信息分類方法，該方法根據屬性、功能、用途等多種分類準則對數據進行分層，構成多層次結構，而每一層次之下，還可以再細分為若干層次，最后構成一個整體的樹形結構。這樣的架構，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。

控制閥的產品包括閥門本體組件、執行機構組件兩大功能組件，每一組件都有各自的零部件，根據功能與結構的相似度，采用“組-類-屬性"的層級結構，對圖1中的零部件進行了劃分，從上到下分別為零部件設計類（組）、零部件名稱（組別）、功能名稱（特性類），在表1中給出了詳細的說明。通過對PDM中的特殊件、標準件、通用件等基本資料進行分類，構建了一個類別結構樹，不僅能大大提高產品的利用率，還能加速產品在電腦中的定位，提升工作效率。

表1  零部件分類結構

4.2  分類屬性管理

在編制零部件分類結構表的同時，用零部件屬性表存儲同一類零部件族內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  零部件分類編輯準則

為了確保產品，采用五位編碼（分類代碼+標識代碼）。分類代碼主要用于區別零部件設計階段的類別、零部件名稱類別以及功能特性類別；使用兩個位數的流水碼作為標識類代碼，用于描述相同零部件在相同的產品家族中的特性。例如，編號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表示多級閥芯，第4-5位01表示閥座直徑100的流量特性為快開。控制閥零部件分類編碼準則如表3所示。

表3  零部件分類編碼準則

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實際應用

5.1  應用場景

控制閥在煉油化工企業中擁有廣泛的應用場景。在石油加工的復雜流程中，原油需歷經加熱、蒸餾、裂解等一系列精密工序，每一道工序都對工藝參數有著要求。例如，在原油蒸餾環節，控制閥發揮著至關重要的作用，其能夠精確調整水的溫度和壓力，從而確保蒸餾工藝達到狀態。在此基礎上，為了確保裂解反應的平穩進行，還必須采用高性能的控制閥來嚴格調控反應釜內的溫度和壓力。此外，該控制閥還廣泛應用于煉廠生產中的各種氣體及流體的調節，如氫氣、乙烯、丙烯等，其精準的控制能力極大地提高了煉油工藝的穩定性和安全性。圖5為煉油廠控制閥實際應用場景示意圖。

圖5  控制閥在煉油廠的應用

通過對比表4中的數據，可以清晰地看到采用優化的控制閥在原油蒸餾、裂解反應、氣體及流體調節等方面均取得了顯著的效果。溫度、壓力等關鍵工藝參數得到了穩定控制，從而提高了生產效率、降低了能耗，并減少了設備故障率。這些優勢使得該控制閥在煉油化工企業中具有應用價值和推廣前景。

表4  控制閥?應用對比效果

5.2  注意事項

（1）設計選型

針對煉油化工生產過程中所處理的介質腐蝕性強、工作環境復雜多變、高溫高壓等特點，需充分發揮控制閥的作用，不僅需要對控制閥結構進行科學設計，還需要對材料進行合理選擇。一方面，閥門的內部結構應防止固體顆粒或沉積物附著在閥門內部，避免閥門卡死或損壞，比如采用具有自清洗功能的內件，或者選用經過表面處理的材料，提高閥門的抗腐蝕能力，延長閥門的使用壽命；另一方面，所選材料既要能承受特定介質的腐蝕性，又要有足夠的強度承受工作溫度及壓力。

（2）定期維護

為了保證控制閥長期穩定可靠地運行，必須對控制閥進行經常性的維修和檢修。一般來說，對閥門進行例行檢測，包括閥門的密封性、靈活性和是否有磨損、破損等方面，使工作人員能夠對破損的零部件進行及時檢測，便于更換損壞的零部件，從而防止由于閥門故障而導致的生產停頓和安全事故。后續維修中發現，雜質堆積引發的閥門操作失靈或內部部件損壞是控制閥功能失效的關鍵誘因。

（3）安全操作

在石油化工生產中，安全是一個十分重要的問題，在操縱閥門時，必須要嚴格按照安全規范進行。為此，企業要對在工作中經常與控制閥接觸的工作人員進行專業的培訓，確保其充分了解閥門的使用方法和工作機理，避免出現嚴重錯誤而造成安全事故。此外，為了確保全流程的穩定與高效，應對控制閥的控制參數進行適當設定。工作人員需根據實際生產需求和工藝參數，對閥門開度、行程等指標進行精準調節，確保其與物料特性及產品質量要求相匹配。閥門靈敏度、響應時間和調壓范圍的選擇應同時滿足生產工藝要求與安全標準。

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結語

在新產品設計中，存在大量使用標準件、重用現有零部件的情況，使得同一產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品結構分類和零部件屬性管理規則，形成統一的零部件數據庫，輔助工程師輕松獲取原有零部件特性，準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設計與核算的時間成本，同時縮減了生產制造成本，在緩解庫存壓力的基礎上進一步推動產品設計優化。