貼壁角閥因結構特殊、尺寸較大，用于制造閥體及閥內件的金屬材料貴重，使其成為PTA工程中儀控設計的重點之一。閥體和閥內件的材質要根據閥門所控制的工藝介質的腐蝕性和操作溫度進行選擇;閥門的作用形式和閥芯的類型根據閥門的安裝位置和控制功能進行選擇，安裝在設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;閥門的執行機構依據力矩需求進行選擇。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，對貼壁角閥進行預測性維護。

　　近幾年來精對苯二甲酸(PTA)產業在國內得到迅猛發展，尤其是國內的民營企業進入該產業后，不僅將PTA的整體產能推高，而且使得單套裝置的生產能力迅速突破百萬噸級，甚至達到2Mt/a以上。單套裝置生產能力的增加需要更大尺寸的管道和更大容積的設備，而在過程控制方面也就需要更大尺寸的控制閥。在PTA生產裝置中，主工藝介質自氧化反應器開始就多以漿料的形態存在于流程當中。因漿料本身的黏稠和易結晶特性，用于漿料控制的閥門多采用一種特殊結構的角閥———貼壁角閥。在PTA生產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，普通不銹鋼材質的閥門已經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。特殊的結構，較大的尺寸和特殊的材質使得貼壁角閥成為PTA裝置儀控設計的重點之一，貼壁角閥設計選用的好壞往往會影響整套裝置的試車工期。

1、貼壁角閥的分類和結構特點

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壁安裝和罐底安裝，不同的安裝位置對應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備或管道的底部，而液位控制閥多安裝在設備的側壁。

1.2、結構特點

　　貼壁角閥的閥座位于同設備或主管連接的一側，閥座外露。普通角閥和直通閥在安裝時基本都是閥門法蘭和管道法蘭進行面對面的連接，而貼壁角閥和設備或主管道一側的連接采用的是侵入式連接，即在設備或主管道上配置一個凸緣法蘭(也稱為鞍座)，貼壁角閥的閥座插入凸緣法蘭內，并且同設備或主管道的內壁齊平，以保證閥門和設備連接處無多余空間，不留漿料積存的死角。同支管一側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135°(或120°)的彎頭，其轉彎處平滑無任何死角，可以確保漿料順暢流通。

2、貼壁角閥的設計要點

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℃)，閥體和閥內件材質可選用316L不銹鋼，閥芯表面用司太萊堆焊硬化處理。對于中等溫度的物料(100～135℃)，閥體和閥內件材質可選用317L不銹鋼、雙相鋼或哈氏C合金，閥芯表面也要硬化處理。對于較高溫度的物料(135℃以上)，閥體和閥內件材質要選用鈦材(含微量雜質的Ti2或Ti3)，閥桿因硬度的關系則選用鈦合金Ti5，鈦材閥內件需硬化處理時推薦采用陽極氧化處理法，不推薦滲氮法加硬處理方法，滲氮后的鈦材會降低耐腐蝕性。在精制單元，除了加氫反應部分，其他工段物料中所含醋酸已經很少，閥體材質可選用304L不銹鋼，閥內件材質選用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節的貼壁角閥，閥芯近似于倒錐形，錐面曲線依據閥門的固有流量特性設計;而用于開關的貼壁角閥，閥芯近似于碟片。為了防止漿料阻塞閥門，安裝在罐體外壁上的角閥一般選用反作用形式，閥芯伸向罐內閥門打開，該設計還可以減少閥門的行程，縮小執行機構的體積，節省安裝空間，降低成本。但另一方面存儲漿料的設備都帶有攪拌器，旋轉流動的漿料會沖刷伸到設備內的閥芯，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節還是開關，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的曲面，開關閥的閥芯則是圓柱形的柱塞，頂端加工成同主管內壁等半徑的弧度，尺寸較大的則與安裝在設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，閥芯向閥的腔體內回縮閥門打開。這主要是管道內漿料的流速更快，若閥芯伸到主管內，所受的沖刷會更厲害;另一方面，閥芯伸到主管內，會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計

　　設計閥座外徑時要核對設備圖紙，不但要查明對應接口部件圖上標注的尺寸，還要知道設備的設計者對制造廠提出的制造公差。如果設備圖紙中要求的制造公差是+0.5mm，使用者對閥門廠商要求的制造公差是-0.5mm，此時設計的閥座外徑比其對應的接口法蘭的內徑小2mm就可滿足安裝要求。如果沒有對設備和閥門制造廠提出確切的公差要求，制造廠一般會按照±0.5mm的公差生產，那么設計的閥座外徑比其對應的法蘭內徑一般會選擇小3mm。

　　安裝在管道外壁上的角閥，在設計時一般要求閥門廠商按照壓力等級和尺寸要求自配凸緣法蘭，甚至是同主管連接的“T”型接頭，這樣設計閥門時只要告知閥門廠商所要連接的主管尺寸和壁厚就可以了，而不用擔心閥座外徑同凸緣法蘭內徑不匹配的問題。

2.4、閥門執行機構的選用

　　控制閥常用的有氣動、電動和液動執行機構。電動和液動執行機構比氣動執行機構結構復雜、價格昂貴，在筆者設計的幾套PTA裝置中很少被采用，文中不再贅述，下面主要論述氣動薄膜和氣動活塞兩種執行機構的設計選用。

　　氣動薄膜式執行機構由膜片、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。直行程的執行機構分為正作用和反作用兩種，當信號壓力增加時推桿向下作用的稱為正作用執行機構;反之，則稱為反作用執行機構。氣動薄膜式執行機構由于裝有平衡彈簧，氣動信號壓力使薄膜室產生的推力減去彈簧的反作用力才是氣動薄膜執行機構的輸出力。輸出力F可由下式計算：

　　式中：F———輸出力，N;p———信號壓力，Pa;p0———彈簧啟動壓力，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薄膜式執行機構，其膜片有效面積Ae必須足夠得大，才能使執行機構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也意味著閥門的執行機構的體積變得很大，但由于安裝空間的限制，特別是對于那些安裝在設備底部裙座內用于排放或沖洗的貼壁角閥，大尺寸的執行機構是沒有辦法被接受的。

　　若要增加執行機構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，氣動薄膜式執行機構沒有充分利用儀表氣源的壓力，而采用氣動活塞式執行機構則可以解決這個問題。氣動活塞式執行機構能輸出較大的驅動力且有很快的驅動速度。單作用彈簧復位的氣動活塞式執行機構(直行程)輸出力F計算公式與氣動薄膜式執行機構(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生很大的推力。雙作用的氣動活塞式執行機構，由于沒有了彈簧的反作用力，可以在兩個方向上都提供較大的推動力。但由于沒有了彈簧復位功能，雙作用兩位式氣動活塞式執行機構為實現氣開、氣關，需配置儲氣罐。氣動活塞式執行機構可分為兩位式和比例式。雙作用兩位式的執行機構通過兩位五通的電磁閥對氣路進行切換，將活塞由高壓側推向低壓側，帶動推桿推動閥芯實現閥門的全開或全關。用于沖洗或泄料的貼壁角閥多選用這種執行機構。雙作用兩位式氣動活塞式執行機構的氣路如圖1所示。雙作用比例式的執行機構通過雙作用式閥門定位器使推桿的行程跟隨輸入信號成比例的變化，從而帶動閥芯移動，實現閥門開度的變化，用于調節的貼壁角閥多選用這種執行機構。雙作用比例式氣動活塞式執行機構的氣路如圖2所示。

圖1 雙作用兩位式氣動活塞式執行機構的氣路

圖2 雙作用比例式氣動活塞式執行機構的氣路

　　貼壁角閥直接安裝在設備壁或管道壁上，不能設置旁路，因而在設計選型時一般會在執行機構配置手輪，當閥門氣路故障時，可采用手輪進行手動控制。為了降低閥門尺寸和操作方便，手輪多采用側裝。

3、智能閥門定位器和預測性維護

　　在控制系統中，主要故障有執行器故障、被控對象故障、傳感器故障和控制器故障，而執行器和傳感器的故障發生較多，特別是執行器的故障往往危及整個系統的控制策略，因而對執行器的可靠性提出了較高的要求。應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貴重并且尺寸也較大，一般都不設計旁通閥，1臺閥門出現問題就會影響整條生產線的運行。通過智能閥門定位器傳遞的一些閥門性能參數，對貼壁角閥進行預測性維護是很必要的選擇。

　　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。高級的智能閥門定位器具有自適應、自校準和自診斷性能，集成了先進的微處理技術、信息技術以及專家診斷軟件，適用于調節閥，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通信協議，而部分總線型智能閥門定位器則支持FF或Profibus等現場總線協議。將智能閥門定位器通過專用的軟件插件，集成到DCS或AMS設備管理系統，通過調看智能閥門定位器內的特定功能模塊，可以實現遠程校準、狀態監視和故障診斷等操作。

　　預測性維護在貼壁角閥還沒有產生故障前就通過故障識別和診斷技術對狀態參數預測可能出現的情況和預期的時間，預測閥門的功能安全和時間依存性。通過閥門(定位器)廠商的專用軟件對閥門進行故障診斷，實施在線預測性維護，提升貼壁角閥的性能，減少運行故障，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間，提高工廠產能，節省設備維護成本。另外利用智能閥門定位器還可實現高品質調節，增加過程控制的精確性和穩定性。

4、結束語

　　貼壁角閥作為PTA裝置中一種特殊又關鍵的控制閥，從閥體材質、閥芯類型、作用形式到執行機構的設計選擇都會影響到整套裝置的控制策略。材質的選擇錯誤會使閥門在很短時間內就會因過度腐蝕而產生內漏，閥門將無法實現設計需要的控制效果，甚至完全失控。閥座外徑的誤差，執行機構的體積大小選擇的是否合適，在建造安裝時期就會產生影響。在裝置運行階段，貼壁角閥在長時間苛刻的工況下運行，閥門的參數會有哪些變化，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的DCS或AMS系統進行查看分析并做出預測性的維護，通過這種“主動性維護”實現閥門的長時間高效率的運行。