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控制阀发展简史

发布者:刘介文 [来源]:阀门公众号 [浏览次数]:

众所周知,控制阀在生活生产中的作用十分重要,其在技术应用和产品开发上一直受到比较广泛的关注。本期我们一同来了解一下控制阀的发展历史,从四次工业革命的角度来俯瞰控制阀技术和产品变更,从历史视角了解和掌握控制阀发展脉络。

01 控制阀概念及起源

概念

控制阀是流体运送系统中的控制部件,具有导流、截流、调节、节流、防止倒流、分流或溢流卸压等功能,用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性化学介质、泥浆、液态金属和放射性物质等各种类型流体的运动。

起源

控制阀的发展与人类的生活生产过程的密切相关,并随着人类的科技进步不断发展。在原始社会,人类了调节河流或小溪的水流量,采用大石块或树干来阻止水的流动或改变水的流动方向,这是控制阀最原始的概念。据文献记载,埃及和希腊文明发明了几种原始的控制阀门类型用于农作物灌溉,不过这些水系统过于简单。学界对控制阀的起源,一般公认的是:古罗马人在水道上使用的一种铜制旋塞阀是控制阀的鼻祖。

02 蒸汽机时代的控制阀

发端于18世纪60年代英国的第一次工业革命,这是人类技术发展史上的一次巨大革命,它开创了以机器代替手工劳动的时代,是以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志的。整个19世纪,伴随着蒸汽机技术的完善,控制阀亦随之不断进步,19世纪末,压力自给式结构和液位调节器已广泛应用于大型电站中较大的蒸汽锅炉上。在这一时期,有三位重要的人物对控制阀的技术创新和提升做出了重要贡献,他们分别是詹姆斯·瓦特、威廉·费希尔和威廉·梅森。

詹姆斯·瓦特

出于调节蒸汽机速度的飞球调速器的需要,在18世纪后期詹姆斯·瓦特设计出了动杆(自动)阀,并配套在蒸汽机上,这是现代控制阀技术和产品的开山之作。

威廉·费希尔

1880年,出于维持蒸汽驱动水泵的恒定排放压力,爱荷华州马歇尔敦市自来水厂的工程师威廉·费希尔恒压泵调节器。之后,创办了大名鼎鼎的费希尔控制公司(现已成为世界五百强企业艾默生的一个重要组成)。

威廉·梅森

在1882年,威廉·梅森创立了梅森调节器公司。威廉·梅森他在1883年申请了泵速调节器专利,在1885年申请了蒸汽减压阀专利,在1886年申请了泵压力调节器专利。减压阀使蒸汽驱动火车成为可能,并且应用了很多年。之后到了19世纪和20世纪之交,莱斯利、基利-穆勒、阿特拉斯和凯克利等公司也开始制造类似的调节器。

03 电气时代的控制阀

19世纪60年代后期,欧洲国家和美国、日本等国开始以电气为代表的第二次工业革命。电器开始逐步代替机器,发展成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源。这一时期,电气技术和石油天然气产业需求对控制阀技术进步起到重要的推动作用。先导式调节器、双阀座阀门、单座直通式控制阀和定位器等代表性的技术和产品,先后得以发明并广泛应用。

先导式调节器

19世纪和20世纪之交,石油和天然气工业的兴起。泵在原油生产中广泛运用,随着生产需求的大幅增加,泵的功率变的更大,这种情况下便需配备更大尺寸的阀门驱动机构,先导式调节器技术应运而生,管道介质被用作先导操作介质,用较小范围的控制力来驱动较大尺寸阀门的先导阀成功应用在阀门上,进而实现工作效率的提升。

双阀座阀门

20世纪初期,带单独收集罐和间歇蒸馏装置的单口油井被多井口集中收集和连续蒸馏装置所取代。随着压力、温度和容量等过程参数的不断增加,对更大型的定位机构的需求随之增加,其中为阀芯提供更大的驱动力是一个具有挑战性的技术难题。1906年,梅森调节阀公司设计的双阀座阀门成功解决了这一个问题,设计上为了平衡阀瓣上的动载荷,通过阀瓣导向来稳定阀瓣组件,平衡阀座设计适用于2英寸至12英寸的阀门,其驱动有独立式液体调节器中的浮球实现。

单座直通式控制阀

20世纪20年代,高温高压原油裂解技术兴起,复杂压力和高温工况对控制阀的设计提出了新的要求。期间,托马斯·尼兰成立了尼兰公司,针对上述需求研发了基于15磅/平方英寸的压力驱动执行机构的控制阀。经过数次技术迭代,到了1930年这种阀门发展成为单座直通式控制阀。这种阀门的创新之处在于机加工的抛物线形阀瓣和阀座导向装置。

定位器的发明

1932年,梅森调节器公司收购了尼兰公司。这个时期,先导式调节器和双阀座阀门仍然没有克服大口径阀门驱动力不足的弱点或在极端公况下阀门操作的问题。技术上尝试采用小直径阀杆以减少填料摩擦的尝试,例如6英寸阀门采用1/4英寸的阀杆;采用滚珠轴承和润滑填料设计减少阀杆摩擦,但是这些措施均未达到预期。

1936年,泰勒仪表公司发明了定位器,执行机构驱动力不足的问题终于被克服了。最初的定位器被称为双作用装置,通过机械联动装置来感应阀杆的位置,并在带有导向系统的横梁上设有一堆相向的波纹管。最初的定位器内部还有使控制器复位的手动装置,现在的定位器设有一个旁路开关而不需要将控制器重新复位。20世纪30年代主要的控制仪器公司主要有泰勒、百利、福克斯波罗、明尼阿波利斯—霍尼韦尔公司等。

1940年,通过长期的技术和生产实践,控制器研发技术人员认识到定位器能够提供足够的动力。之后,将工作重心转向设计尺寸合理的执行机构和单阀座阀体上。梅森—尼兰公司的总工程师埃德·达尔提出平衡式单通道阀和流线型角阀的设计理念,将平衡式的设计方法运用于大尺寸阀门设计上,在阀盖处增加一个大尺寸的导向活塞设计,导向活塞上的介质压力使活塞平衡。

04 信息技术时代的控制阀

从20世纪四五十年代,以电子计算机技术、航天技术、原子能技术的应用为代表第三次科技革命开始兴起。随着科技的进步和繁荣发展,控制阀的理论步入了繁荣阶段,在此基础上控制阀技术、标准和设计流程等更加完善,控制阀技术和研发步入了成熟阶段。

双通道阀门

1941年前后,哈默尔—达尔公司研发了双通道阀门系列,该系列阀门配有螺栓链接阀盖和底盖,安全性更高。

单座阀和双座阀标准化

1943-1945年,美国蒸汽协会组织(现为流体控制研究所)开始致力于将单座阀和双座阀的结构长度进行标准化,以解决因阀门制造商制造出不同尺寸阀门在实际应用中带来的种种不便。标准化工作最终由包含来自费希尔公司的保罗埃尔弗斯、麦克拉·姆夫格公司的阿尔·汉森、梅森-尼兰公司的拉尔夫·罗克维和哈梅尔-达尔公司的埃德·达尔组成的委员会制定完成。

单通道阀技术改进

20世纪四十年代,梅森—尼兰公司研发出采用合金材料、大直径阀杆导向设计、铝制活塞的气缸执行机构,该执行机构与定位器实现集成,从而达到了能够接受较高气源压力的效果。这一技术的突破,克服了单通道阀瓣受力不平衡的问题。

FCI 标准出台

1950年,美国流体控制学会(FCI)控制阀标准化委员会的艾尔·汉森主席开始致力于将流量系数Cv值的计算标准化,到了1958年形成成果,发布了“确定控制阀流通能力的推荐标准”。时到今日,这个FCI 标准仍然是控制阀测试的基础,后被美国标准管理局(ISA)采纳并做修订,成为美国国家标准。

控制阀理论丰收

1962年,美国流体控制学会发布了“控制阀选型推荐标准”,标准中的公司确定了阀门参数Cv如何使用;第一版的《美国标准管理局控制阀手册》出版等。这些理论的提炼和总结,对促进控制阀技术的提升和创新产生积极的推动作用。

旋转类控制阀发展成主流产品

尽管对球形阀类型阀体的控制阀设计理念进行了量化,但是双座控制阀的市场份额还是大幅下降,从1970年的50%下降到1975年的3%。其市场份额被更具有性价比的旋转类控制阀替代,1965年至1980年间,旋转类控制阀市场份额从1%增长到50%,成为控制阀的主流产品。

全智能控制阀

1980年开始,智能控制阀开始研发,经过十多年的测试和改进,到1995年时实现了对阀门控制性能的大幅改善,并呈现出较高的稳定性。全智能控制阀包含了阀、执行机构和定位器三部分,是可测量和分析的,可以用于诊断阀门的工作性能。

05 智能化时代的控制阀

进入21世纪以后,基于智能AI、物联网、大数据、云存储、5G等新技术革命在全球席卷,人类社会发展迎来了工业4.0阶段,信息化技术促进产业变革的时代已经来临,这种情势下产业升级和新的技术发展势必推动控制阀技术和产品的发展和创新。从目前的情况来看,对控制阀的可靠性和调节精度需求愈发突出,控制阀技术更加趋向标准化、模块化、智能化、集成化和网络化。随着科技的不断进步和工业4.0向纵深发展,未来的控制阀研发上很可能与数字孪生(DT)、增强现实(AR)、人工智能(AI)、虚拟现实(VR)等学科技术深度结合。

06 中外著名控制阀企业

国外著名的控制阀企业主要有美国费希尔(FISHER)、美国梅索尼兰(Masoneilan)、美国福斯(Flowserve)、德国萨姆森(SAMSON)、日本工装(KOSO)、芬兰耐莱斯(neles)等。我国的控制阀工业在起步较晚,但发展较快。国内控制阀生产企业主要集中在浙江、江苏和上海等地,龙头企业有吴忠仪表、川仪股份、智能自控等。

07 我国控制阀市场情况

目前,中国控制阀应用领域主要为化工行业,占比超45%,其次为油气、电力行业,占比均超15%。随着近年来工业控制技术的升级,精细化工、锂电、制药增长显著,随着工业自动化水平不断提高,控制阀市场将保持高景气度的发展态势。

2021年中国工业控制阀市场规模约为392.6亿元,已成为全球最大的工业控制阀生产国之一。在排名前50企业中,国产控制阀销售台数占比已达80%以上。

我国控制阀市场竞争现状:中低端市场,国内控制阀企业基本可以实现全覆盖;高端市场上以吴忠仪表、川仪股份等为代表的企业已可以与国外控制阀企业直面竞争,并取得良好的进展。

08 小结

从控制阀的发展历史来看,每一次技术和产品的升级和创新都离不开时代发展的需求和科技进步的支撑。在“制造强国”战略指引下,当下中国经济正处于转型升级的重要发展时期,对于我国控制阀企业来讲,则肩负国产化的历史使命和发展机遇。可以预见在不远的将来,我国控制阀企业必将成为世界控制阀企中的重要一极。

编后语:随着工业4.0向纵深推进,整个工业领域的信息化、智能化水平将大幅提升,控制阀需求和技术面临着新的变化和趋势。通过此文,我们希望以历史地角度来了解控制阀,并为行业控制阀发展提供助益。当然,对于控制阀的相关信息梳理,受限于笔者水平,定存有诸多不足,恳请行业方家批评指正,并向我们反馈相关信息及线索。

(转自阀门公众号)