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美国控制阀历史

日期:2019-11-20 13:20
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摘要:
    控制阀的概念可以追溯到古罗马时期人们在水道上使用的一种铜制旋塞阀上。滑动阀杆的概念是在18世纪末由James Watt在其飞球式调节器应用中发明的,这种调节阀用于调节蒸汽机的速度。在整个19世纪伴随着蒸汽时代的发展控制阀发明制造的先驱们也不断得到发展,在19世纪末,一种自立式的压力和液位控制阀已经在一些大型电站的锅炉气泡中使用。这些阀门的阀杆是由来自介质的压力作用在一个橡胶薄片上而驱动,而液位式控制阀的阀杆则是由浮球连杆直接驱动。 

    在1880年,Willam Fisher(美国Marshall镇城市水厂的一名工程师)要连续24小时手动操纵阀门以保持蒸汽驱动水泵的排出压力,在消除系统中要求必须进行持续的调节以保证有足够压力与流量的水去扑灭大火。通过长时间探索,Willam Fisher 发明了一种恒压泵调节器(控制阀),同时创立了FISFER公司开始生产这种调节器产品。到1907年的时候这些调节器已陆续地被安装到美国、加拿大、英国的电厂。在1882年Willam B.Mason创立了MASON调节器公司,当时Mason先生是一艘蒸汽驱动船舰的一位总工程师。在1883年Mason申请了泵速控制器砖利,在1885年申请了一项蒸汽减压阀砖利,在1886年申请了泵压力调节器的砖利。  
    蒸汽减压阀使蒸汽驱动火车成为可能并且这个行业使用了许多年,在1890年蒸汽减压阀又成功应用在美国海军船舰上以确保更高蒸汽压力的工作效率。到20世纪初已有许多公司开始生产调节器或蒸汽减压器它们分别是:Leslie,Kieley-Mveser,Atlas以及O.C.Keckley等公司。  
    石油与天然气行业的发展时期是在19世纪末20世纪初,刚开始的时候原油被泵送入一个大罐,在那里将天然气和其它组份分批分离,自力式控制阀门很容易处理这些工况,然而需求增加很快,人们需要更高的生产率,同时泵功率变得更大,需要配备更大尺寸的阀门装置,这时即使压差维持一般的值也需要更大的输出力去驱动阀杆移动阀塞。  
    这时发明出了先导式操作的自力式控制阀以满足更大尺寸阀门驱动力的要求,这种先导操作装置使得使用较小规格的膜头装置便可驱动更大尺寸的阀门。  
    在20世纪初的石油、天然气行业中,工艺流程中的温度、压力和容量的过程参数不断增加,要求使用更大尺寸的阀门,更强有力的执行机构以及更加合理的阀门结构。但此时较小的自力式控制阀是由青铜制造的,而较大的自力式控制阀均由铸铁制造,他们都采用一体式阀芯、快开式设计特性从而使阀门在*小的行程通过*大的流量,快开式阀芯以及过大尺寸的阀门常导致过程的不稳定,这时需要一种“慢开特性”的阀门以补偿过大尺寸阀门带来的影响。这时Hanlon-Water公司生产了系列产品满足上述应用,并在1920到1930年间该公司在石油领域的控制阀设计应用中作出了许多杰出的贡献。后来该公司转变成一家商用阀门制造商。在当时为阀芯提供更大的驱动力是一种挑战。  
    Fisher公司在其1915年的阀门产品样本中介绍了过大尺寸阀门所带来不佳控制特性,同时手册里给出了一个用于特定工况下**选择阀门口径的图表,手册中这样建议用户:“可以选用更小尺寸的Fisher阀门去获得更佳的控制效果。”这种基于特定阀门类型的实验数据的选型图表一直沿用到1930年,直到Foxboro公司公布了阀门口径计算公式,值得注意的是当时并没有提及Cv值的概念。 
    在1920发明了在高温高压下进行原油裂化的技术,在这期间,位于美国西海岸的Tomas- Neilan创立了Neilan阀门公司,该公司专门生产用于石化行业的阀门产品。Neilan公司发明了一系列自力式控制阀,还有一些尖端的温度压力控制仪表。此时自动控制阀应用与技术开始迅猛发展,用15psi的压力驱动执行机构的想法开始实施。   

    Neilan公司专业为炼油行业生产坚固的阀门,这些阀门都是由铸钢制造并带有厚实的法兰,同样也生产出了具有球面轴承导向的坚固的多弹簧薄膜执行机构,到1930年左右,这些阀门已经发展成了今天我们熟知的直通单双座控制阀。   

    在Foxboro公司1930年的阀门样本中已经对V型口的阀塞及等百分比流量特性进行了详细的介绍。手册介绍了控制阀的等百分比特性概念及其对控制回路的影响。Foxboro公司因其发明的Stabilog气动控制器在当时自动化控制中独领风骚。同时计划着借此向用户市场提供整个控制回路所需产品,当时大部分仪表公司(Bailey、 Taylor、 Honeywell)都使用了同一策略,因为阀门的动作完全依赖于控制器,仪表公司们纷纷生产一些低压的控制阀,同时向其它专业阀门公司购进其它规格的控制阀已增强各自的配套能力。   

    Mason公司在1932收购了Neilan公司,*终产生了Masoneilan公司,Mason公司的自力式控制阀产品系列保留了下来,如今任在生产,比如典型的1900系列自立式阀门。然而先导式操作的阀门和双座阀在极端的工况下仍不能克服大尺寸阀驱动力不足的弱点。这时就出现了采用较小阀杆以减少摩擦力的一些尝试和应用应用。   

    1936年Taylor公司发明了阀门定位器,执行机构驱动力不足的问题终于被克服了,*初的定位器里有机械反馈装置用于感应阀杆位置,还有一副波纹管系统。*初初定位器还装有使控制复位的手动装置,如今定位器都有一个旁路开关而不须控制器重新复位。   

    到1940通过阀门定位器来解决执行机构输出力不足的概念被确定下来,人们的重点开始转向研发合理尺寸的执行机构与单座阀门结构。   

    ED Dahl来自Neilan公司的设计工程师,成为了Masoneilan公司的总工程师。他开始着手设计平衡式的单座阀门以及流线性的角阀,平衡式的设计被运用到了大尺寸阀门上,同时还包括阀盖内大尺寸的导向设计。   

    在1943至1945期间美国蒸汽协会组织开始致力于将单座阀与双座阀门的法兰连接面之间的尺寸进行标准化,在这之前每一个阀门厂商都有各自的阀门尺寸,如果要更换另一个厂商的产品就必须连同管道一起更换。美国联邦贸易委员会也支持这工作,因为不这样会对中小企业不利,标准化*终由Paulelfers(Fisher),Alhanssen(Mcallar),Ralph(Masoneilan),Eddahl(Hammdel)等人组成的委员会完成。   

    在Masoneilan公司的Doug Annin设计开发了新一种阀门产品,他发现人们对合金材料阀门的需求量增大,他采用了大直径的阀杆导向设计,气缸式执行机构并且将定位器与执行机构进行一体式设计,它能接受较高气源压力,具有较大的输出力。这一发明也代表着双座阀应用终结的开始。  

    Annin在1948创立了自己的公司开始生产他开创的阀门产品。他的阀门在化工和航天行业应用非常突出,在1964年Masoneilan公司收购了Annin公司,如今Annin公司的生产厂仍在运行。同时Annin对阀门的独特设计被继续引用,那就是原Annin公司工程师Charles与原Mansoneilan的工程师Larry在1967共同创办的Valtek公司,Valtek公司生产全系列的气缸式操作的单座阀产品。   

    到1954年,蝶阀开始当作控制阀生产和应用,蝶阀作为一种旋转类自动阀,首先在1930被Mansoneilan公司发明,正如所知由于执行机构输出力过小及转角的限制。而限制了蝶阀的应用。直到1950年,更大驱动力的执行机构装配到蝶阀上克服了蝶阀控制时的不稳定性,从此开创了更加广阔的应用。再后来Fisher公司及Baumam公司又不断的对蝶板进行了改进设计,进一步提高了蝶阀的稳定性。   

    1930年发明的控制阀口径 计算尺代表着阀门选型时代的来临。1930年来Cv值由Ralph Rochwall(Masoneilam)由实验而得到,1950年美国流体控制协会(FCI)开始致力于将阀门选型计算过程及公式进行标准化,并与1958出版了推荐使用的阀门流通能力一书,FCI的标准是如今控制阀测试的标准,后来被美国仪表协会(ISA)采纳并作修改而成为美国国家标准。   

    接下来一直到1960年阀门选型只停留在研究理论阶段,这一时候被认为是对控制阀进行理论研究的“黄金时间”,**版ISA控制阀手册详细介绍了阀门尺寸计算公式,其中已经考虑了噪音问题,高压力恢复阀门的阻塞与气蚀现象,以及影响阀门尺寸计算的诸多因素。   

    直通控制阀的设计理念不断的分化,比如从1970到1975年直通双座阀的市场占有率从50%下降到3%,这其中大部分都被旋转类阀门所替代,再比如:从1965年到1980年旋转类控制阀由当初的不到1%的市场份额上升到50%的份额,旋转类控制阀(球阀、蝶阀)从1950年开始一般都用作开关阀,如果想进行连续控制就必须采用低转矩的阀板,高输出力的执行机构,无间隙的阀杆联结方式等等。旋转类阀门具有流通能力大的优点,但也具有常带来应用问题的压力恢复特性。   

    由控制阀门厂商试验而发展的阀门恢复系数Km定义了阀门压降与阀门缩流断面处压降的关系,而Kc系数则定义了气蚀发生的状态,使用这些系数有助于设计出避免气蚀和阻塞的阀门。   

    在缩流断面处的高压降常引起气体噪音。可压缩流体流速超过0.5倍声速时会引起强烈的噪音,在1970年研究发展出了一系列声路处理措施去处理噪音问题(保持距离、使用厚壁管道、使用消音器、限制流速)但只适用于噪音低于100分贝的场合。当噪音高于100分贝时就必须运用声源处理的办法了。声源处理的方法很多,大部分控制阀厂商研究开发了各自的系列降噪阀门产品,阀门内部装有声源处理的阀芯,通过分级减压,多级节流的方法来处理噪音问题。   

    到1970年人们开始关注控制阀的能耗问题,比如过程可能需要1000匹马力,但其中20%给了控制阀以完成控制,能量消耗的副产品是噪音和振动,很显然人们希望回收部分能量。人们开始尝试一些方法:如用变速泵替换控制阀,但是大部分泵和压缩机只有2:1的量程比,不能满足过程控制的要求。  

    Annin在1948创立了自己的公司开始生产他开创的阀门产品。他的阀门在化工和航天行业应用非常突出,在1964年Masoneilan公司收购了Annin公司,如今Annin公司的生产厂仍在运行。同时Annin对阀门的独特设计被继续引用,那就是原Annin公司工程师Charles与原Mansoneilan的工程师Larry在1967共同创办的Valtek公司,Valtek公司生产全系列的气缸式操作的单座阀产品。   

    到1954年,蝶阀开始当作控制阀生产和应用,蝶阀作为一种旋转类自动阀,首先在1930被Mansoneilan公司发明,正如所知由于执行机构输出力过小及转角的限制。而限制了蝶阀的应用。直到1950年,更大驱动力的执行机构装配到蝶阀上克服了蝶阀控制时的不稳定性,从此开创了更加广阔的应用。再后来Fisher公司及Baumam公司又不断的对蝶板进行了改进设计,进一步提高了蝶阀的稳定性。   

    1930年发明的控制阀口径 计算尺代表着阀门选型时代的来临。1930年来Cv值由Ralph Rochwall(Masoneilam)由实验而得到,1950年美国流体控制协会(FCI)开始致力于将阀门选型计算过程及公式进行标准化,并与1958出版了推荐使用的阀门流通能力一书,FCI的标准是如今控制阀测试的标准,后来被美国仪表协会(ISA)采纳并作修改而成为美国国家标准。   

    接下来一直到1960年阀门选型只停留在研究理论阶段,这一时候被认为是对控制阀进行理论研究的“黄金时间”,**版ISA控制阀手册详细介绍了阀门尺寸计算公式,其中已经考虑了噪音问题,高压力恢复阀门的阻塞与气蚀现象,以及影响阀门尺寸计算的诸多因素。   

    直通控制阀的设计理念不断的分化,比如从1970到1975年直通双座阀的市场占有率从50%下降到3%,这其中大部分都被旋转类阀门所替代,再比如:从1965年到1980年旋转类控制阀由当初的不到1%的市场份额上升到50%的份额,旋转类控制阀(球阀、蝶阀)从1950年开始一般都用作开关阀,如果想进行连续控制就必须采用低转矩的阀板,高输出力的执行机构,无间隙的阀杆联结方式等等。旋转类阀门具有流通能力大的优点,但也具有常带来应用问题的压力恢复特性。   

    由控制阀门厂商试验而发展的阀门恢复系数Km定义了阀门压降与阀门缩流断面处压降的关系,而Kc系数则定义了气蚀发生的状态,使用这些系数有助于设计出避免气蚀和阻塞的阀门。   

    在缩流断面处的高压降常引起气体噪音。可压缩流体流速超过0.5倍声速时会引起强烈的噪音,在1970年研究发展出了一系列声路处理措施去处理噪音问题(保持距离、使用厚壁管道、使用消音器、限制流速)但只适用于噪音低于100分贝的场合。当噪音高于100分贝时就必须运用声源处理的办法了。声源处理的方法很多,大部分控制阀厂商研究开发了各自的系列降噪阀门产品,阀门内部装有声源处理的阀芯,通过分级减压,多级节流的方法来处理噪音问题。   

    到1970年人们开始关注控制阀的能耗问题,比如过程可能需要1000匹马力,但其中20%给了控制阀以完成控制,能量消耗的副产品是噪音和振动,很显然人们希望回收部分能量。人们开始尝试一些方法:如用变速泵替换控制阀,但是大部分泵和压缩机只有2:1的量程比,不能满足过程控制的要求。  

    Annin在1948创立了自己的公司开始生产他开创的阀门产品。他的阀门在化工和航天行业应用非常突出,在1964年Masoneilan公司收购了Annin公司,如今Annin公司的生产厂仍在运行。同时Annin对阀门的独特设计被继续引用,那就是原Annin公司工程师Charles与原Mansoneilan的工程师Larry在1967共同创办的Valtek公司,Valtek公司生产全系列的气缸式操作的单座阀产品。   

    到1954年,蝶阀开始当作控制阀生产和应用,蝶阀作为一种旋转类自动阀,首先在1930被Mansoneilan公司发明,正如所知由于执行机构输出力过小及转角的限制。而限制了蝶阀的应用。直到1950年,更大驱动力的执行机构装配到蝶阀上克服了蝶阀控制时的不稳定性,从此开创了更加广阔的应用。再后来Fisher公司及Baumam公司又不断的对蝶板进行了改进设计,进一步提高了蝶阀的稳定性。   

    1930年发明的控制阀口径 计算尺代表着阀门选型时代的来临。1930年来Cv值由Ralph Rochwall(Masoneilam)由实验而得到,1950年美国流体控制协会(FCI)开始致力于将阀门选型计算过程及公式进行标准化,并与1958出版了推荐使用的阀门流通能力一书,FCI的标准是如今控制阀测试的标准,后来被美国仪表协会(ISA)采纳并作修改而成为美国国家标准。   

    接下来一直到1960年阀门选型只停留在研究理论阶段,这一时候被认为是对控制阀进行理论研究的“黄金时间”,**版ISA控制阀手册详细介绍了阀门尺寸计算公式,其中已经考虑了噪音问题,高压力恢复阀门的阻塞与气蚀现象,以及影响阀门尺寸计算的诸多因素。   

    直通控制阀的设计理念不断的分化,比如从1970到1975年直通双座阀的市场占有率从50%下降到3%,这其中大部分都被旋转类阀门所替代,再比如:从1965年到1980年旋转类控制阀由当初的不到1%的市场份额上升到50%的份额,旋转类控制阀(球阀、蝶阀)从1950年开始一般都用作开关阀,如果想进行连续控制就必须采用低转矩的阀板,高输出力的执行机构,无间隙的阀杆联结方式等等。旋转类阀门具有流通能力大的优点,但也具有常带来应用问题的压力恢复特性。   

    由控制阀门厂商试验而发展的阀门恢复系数Km定义了阀门压降与阀门缩流断面处压降的关系,而Kc系数则定义了气蚀发生的状态,使用这些系数有助于设计出避免气蚀和阻塞的阀门。   

    在缩流断面处的高压降常引起气体噪音。可压缩流体流速超过0.5倍声速时会引起强烈的噪音,在1970年研究发展出了一系列声路处理措施去处理噪音问题(保持距离、使用厚壁管道、使用消音器、限制流速)但只适用于噪音低于100分贝的场合。当噪音高于100分贝时就必须运用声源处理的办法了。声源处理的方法很多,大部分控制阀厂商研究开发了各自的系列降噪阀门产品,阀门内部装有声源处理的阀芯,通过分级减压,多级节流的方法来处理噪音问题。   

    到1970年人们开始关注控制阀的能耗问题,比如过程可能需要1000匹马力,但其中20%给了控制阀以完成控制,能量消耗的副产品是噪音和振动,很显然人们希望回收部分能量。人们开始尝试一些方法:如用变速泵替换控制阀,但是大部分泵和压缩机只有2:1的量程比,不能满足过程控制的要求。  

    Annin在1948创立了自己的公司开始生产他开创的阀门产品。他的阀门在化工和航天行业应用非常突出,在1964年Masoneilan公司收购了Annin公司,如今Annin公司的生产厂仍在运行。同时Annin对阀门的独特设计被继续引用,那就是原Annin公司工程师Charles与原Mansoneilan的工程师Larry在1967共同创办的Valtek公司,Valtek公司生产全系列的气缸式操作的单座阀产品。   

    到1954年,蝶阀开始当作控制阀生产和应用,蝶阀作为一种旋转类自动阀,首先在1930被Mansoneilan公司发明,正如所知由于执行机构输出力过小及转角的限制。而限制了蝶阀的应用。直到1950年,更大驱动力的执行机构装配到蝶阀上克服了蝶阀控制时的不稳定性,从此开创了更加广阔的应用。再后来Fisher公司及Baumam公司又不断的对蝶板进行了改进设计,进一步提高了蝶阀的稳定性。   

    1930年发明的控制阀口径 计算尺代表着阀门选型时代的来临。1930年来Cv值由Ralph Rochwall(Masoneilam)由实验而得到,1950年美国流体控制协会(FCI)开始致力于将阀门选型计算过程及公式进行标准化,并与1958出版了推荐使用的阀门流通能力一书,FCI的标准是如今控制阀测试的标准,后来被美国仪表协会(ISA)采纳并作修改而成为美国国家标准。   

    接下来一直到1960年阀门选型只停留在研究理论阶段,这一时候被认为是对控制阀进行理论研究的“黄金时间”,**版ISA控制阀手册详细介绍了阀门尺寸计算公式,其中已经考虑了噪音问题,高压力恢复阀门的阻塞与气蚀现象,以及影响阀门尺寸计算的诸多因素。   

    直通控制阀的设计理念不断的分化,比如从1970到1975年直通双座阀的市场占有率从50%下降到3%,这其中大部分都被旋转类阀门所替代,再比如:从1965年到1980年旋转类控制阀由当初的不到1%的市场份额上升到50%的份额,旋转类控制阀(球阀、蝶阀)从1950年开始一般都用作开关阀,如果想进行连续控制就必须采用低转矩的阀板,高输出力的执行机构,无间隙的阀杆联结方式等等。旋转类阀门具有流通能力大的优点,但也具有常带来应用问题的压力恢复特性。   

    由控制阀门厂商试验而发展的阀门恢复系数Km定义了阀门压降与阀门缩流断面处压降的关系,而Kc系数则定义了气蚀发生的状态,使用这些系数有助于设计出避免气蚀和阻塞的阀门。  康为粉体蝴蝶阀
  

    在缩流断面处的高压降常引起气体噪音。可压缩流体流速超过0.5倍声速时会引起强烈的噪音,在1970年研究发展出了一系列声路处理措施去处理噪音问题(保持距离、使用厚壁管道、使用消音器、限制流速)但只适用于噪音低于100分贝的场合。当噪音高于100分贝时就必须运用声源处理的办法了。声源处理的方法很多,大部分控制阀厂商研究开发了各自的系列降噪阀门产品,阀门内部装有声源处理的阀芯,通过分级减压,多级节流的方法来处理噪音问题。   

    到1970年人们开始关注控制阀的能耗问题,比如过程可能需要1000匹马力,但其中20%给了控制阀以完成控制,能量消耗的副产品是噪音和振动,很显然人们希望回收部分能量。人们开始尝试一些方法:如用变速泵替换控制阀,但是大部分泵和压缩机只有2:1的量程比,不能满足过程控制的要求。   康为粉体蝴蝶阀

        还有采用透平机替换控制阀,可将高压差的能量转换为电能,但也由于它的运转需要恒定的过程而受限制,另一个办法就是增加阀门口径已减少所需的压降。   
    1970年美国政府条例要求调整化工流程中的某些介质状态与成份,而这种调整是通过往过程中加入微量介质达到的,这些微小的流量,雷诺数较低,通常是层流状态,所以用原先规定的用于湍流条件下的阀门计算公式用在这里就不准确了。在1990定义了阀门类型的修正系数Fd,它给出了管线尺寸与阀门尺寸之间的修正关系以及雷诺数修正系数Fr,可以根据雷诺数大小来修正流量系数。在1990年人们也更加关注控制阀门的循环使用寿命,这使人们意识到每年的修理费可能等于购买阀门与安装阀门费用总和的一半。智能变送器的概念也被运用到控制阀上从而产生了全智能控制阀。控制阀门能测出上下游管线压力、执行机构气源、阀门位置等参数,并以此进行计算分析用以诊断控制阀工作性能。智能控制阀从1980年开始研发到1995年时已大幅度改善了阀门的控制性能,智能控制阀已表现出更佳的稳定性。它们所需的维护量极低,即使需要维护也只需很短的时间就可完成。 康为粉体蝴蝶阀