常規(guī)島控制閥模塊化設計方法研究

李立曉 莫 凡 于 濤 羅先念 周鵬波

（1.國核電力規(guī)劃設計研究院有限公司，北京 100089；2.吳忠儀表有限責任公司，寧夏 吳忠 751100）

0 引言

核電站、常規(guī)電廠系統(tǒng)回路中介質(zhì)的流量主要由閥門來控制，而調(diào)節(jié)閥可以連續(xù)、精確的調(diào)節(jié)流量，維持水位穩(wěn)定，是核電站保障機組穩(wěn)定運行的重要組成部分。而氣動調(diào)節(jié)閥由于核電站、一般的常規(guī)電廠有專門的壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)和儲氣罐，能提供并能很好的保障氣動調(diào)節(jié)閥的氣源，因此在電廠中得到廣泛的應用；另外，在氣動調(diào)節(jié)閥上安裝一些控制元件，能實現(xiàn)閥門的遠程控制，根據(jù)機組的狀態(tài)需要來控制閥門，提高工作效率和故障處理的響應時間。

現(xiàn)階段，常規(guī)島控制閥的生產(chǎn)廠家眾多，造成控制閥品種多、規(guī)格多、參數(shù)多、質(zhì)量難以保證，原有的產(chǎn)品設計理念和制造模式已經(jīng)不能滿足當下激烈的市場競爭及用戶高質(zhì)量閥門的需求，這就需要我們尋求模塊化設計方法和智能制造來進行改進，目的是最大幅度降低成本且最大程度保證質(zhì)量穩(wěn)定。

模塊化設計是先進制造技術的現(xiàn)代設計方法，是針對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能而不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，并通過對模塊的選擇和組合構成不同產(chǎn)品的設計方法。分散且相對獨立的模塊遵守共同的明確規(guī)則，以保證這些模塊能夠組合成一個完整的系統(tǒng)，并能夠隨時加入新的模塊增加系統(tǒng)功能。動態(tài)的模塊化設計創(chuàng)造了選擇權，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，增強了產(chǎn)品的靈活性和競爭力。從產(chǎn)品的集中設計到模塊化分散設計是一種創(chuàng)新，是工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

1 常規(guī)島控制閥的模塊化設計

控制閥發(fā)展的方向應是控制閥模塊化設計以及數(shù)字化應用。控制閥模塊化設計是遵守從系統(tǒng)結構入手，將整個控制閥系列產(chǎn)品按照功用切分成有限多的通用模塊（不變部分）和專用模塊（變化部分），各模塊獨立開發(fā)并要求具有更多、更好的性能，優(yōu)化設計并盡可能多地在不同口徑的閥門中采用相同的零部件，基于大部分部件確定使用通用模塊、少部分按用戶技術條件選擇專用模塊，從而快速響應常規(guī)島需求，組合成滿足需求的控制產(chǎn)品。

常規(guī)島控制閥可根據(jù)各個功能結構和特點，將整個閥門分類為閥體組件、上閥蓋組件、閥內(nèi)件組件、填料組件和填料壓蓋組件五大部分，常規(guī)島控制閥功能結構示意圖如圖1所示。加上與之配套的智能控制附件、執(zhí)行機構和手輪機構，只要把各個組件組裝在一起，就能配置與工況相適應的閥門部件，滿足所使用的工況條件的需要，模塊化劃分后，便于生產(chǎn)和組裝，可廣泛應用于核電常規(guī)島過程控制裝置中的各個位置，適用于蒸汽、水等各種工況的調(diào)節(jié)。

圖1 常規(guī)島控制閥功能結構示意圖

1.1 閥體組件模塊

首先應確定閥體組件模塊，因為它是保證與常規(guī)島工藝管道連接、承受介質(zhì)壓力的容器，是閥體壁厚核算、連接栓母布局的重要元件模塊。閥體根據(jù)工藝管道設計、法蘭標準要求，會有不同壓力等級、密封面型式；根據(jù)介質(zhì)流向和管道布局，會有直通、角通、三通等閥體形式。對于不同型式的閥體，其連接尺寸除閥體法蘭和介質(zhì)流向不同外，其余可保持一致，但需要注意的是，閥體組件模塊的設計應有常壓和高壓之分。其原因是，隨著壓力和閥門口徑的增加，所需閥體壁厚、桿件強度要求、栓母規(guī)格等會有很大不同，壓力區(qū)分可將閥體整機設計和模具準備在很大程度上趨于合理，可降低閥體組件的成本，而其余功能模塊可以視情況匹配閥體組件模塊。根據(jù)閥體組件模塊功能的特點，總結出表1的相關參數(shù)，可以匹配裝置上需求閥門的安裝。

表1 閥體組件模塊功能參數(shù)

1.2 上閥蓋組件模塊

上閥蓋作為殼體承壓部件之一，一般與閥體通過螺栓連接，底部可設計閥桿導向結構，上部承載填料函實現(xiàn)動密封。上閥蓋組件應適應閥體組件，有常壓、高壓和超高壓之分，但根據(jù)使用工況的要求和不同功能差異，上閥蓋組件模塊具體又可以分為：常溫型上閥蓋、高溫散熱型上閥蓋和低溫型上閥蓋，每種類型的上閥蓋主要根據(jù)操作介質(zhì)的溫度來確定其具體類型，再匹配適用的閥門公稱通徑和壓力等級就可將上閥蓋組件模塊確定下來，只需將上閥蓋和相應的閥桿更換就可以實現(xiàn)通用互換，上閥蓋類型分類如圖2所示。

圖2 上閥蓋類型分類

1.3 閥內(nèi)件組件模塊

對于非平衡式結構的閥門，閥內(nèi)件組件包括閥芯、閥座、套筒和閥桿等，而平衡式結構又可將平衡套筒、密封件及閥內(nèi)用標準件等歸類為閥內(nèi)件組件模塊。閥內(nèi)件組件的主要作用是調(diào)節(jié)流量，其差異在閥芯和閥座類型上，一般根據(jù)不同的結構形式主要分類有曲面單座閥內(nèi)件、套筒單座閥內(nèi)件、籠式套筒閥內(nèi)件、平衡式閥內(nèi)件、多級減壓閥內(nèi)件等，閥內(nèi)件組件的分類建議用閥門的具體型號進行區(qū)分，這也是絕大多數(shù)閥門生產(chǎn)商所遵循的規(guī)則，不同類型的閥內(nèi)件組件對應唯一的閥門型號，有助于小批量、定制類零件的管理和生產(chǎn)。閥內(nèi)件結構的選取主要與工作介質(zhì)的差壓工況有關，根據(jù)實際工況的計算結果選擇合適的閥內(nèi)件組件，但對于同口徑、同壓力閥內(nèi)組件應設計其互換性，也就是說，除了閥內(nèi)件組件外，其余幾大模塊可不用更換，不同結構閥內(nèi)件互換對比圖如圖3所示。

圖3 不同結構閥內(nèi)件互換對比圖

1.4 填料組件模塊

填料組件是保證閥桿處動密封的關鍵零部件，具有極其關鍵的作用，密封性能不好導致介質(zhì)外漏，會引發(fā)重大安全事故；而填料數(shù)量太多或填料壓得太緊，會導致閥桿處摩擦力過大，造成爬行和死區(qū)過大現(xiàn)象，嚴重影響閥門的調(diào)節(jié)性能。填料根據(jù)工藝參數(shù)的要求有石墨填料、四氟填料、高溫高壓填料、高溫導熱油填料、特殊工況填料等，可根據(jù)不同口徑、不同壓力的閥體，將上閥蓋填料函（裝填料內(nèi)腔）處分為四類：常壓小口徑填料（DN10～DN65）、中高壓常規(guī)口徑填料（DN80～DN200）、中高壓大口徑填料（DN250～DN400）和超大口徑填料（DN450～DN600），在以上每種口徑范圍區(qū)間內(nèi)，根據(jù)介質(zhì)屬性選擇合適的填料，即可保證閥門填料的通用性，不同類型填料組件結構如圖4所示。

圖4 不同類型填料組件結構示意圖

1.5 填料壓蓋組件模塊

填料壓蓋組件是保證填料壓緊力的結構，常規(guī)閥門的壓蓋組件結構較為簡單，由壓蓋、壓板、栓母及一些輔助密封元件組成；而一些特殊位置閥門或動作頻繁的閥門可設計較為復雜的預載結構，具有預載結構的填料壓蓋組件不僅能保證填料壓緊力的均勻性，還可在一定限度內(nèi)補償填料磨損帶來的風險。其實，填料壓蓋組件可不必單獨作為一大模塊來單獨設計，一般如果壓蓋沒有特別復雜的結構，在閥門填料組件確定后壓蓋組件也就隨之確定下來了，填料壓蓋組件結構如圖5所示。

圖5 填料壓蓋組件結構示意圖

2 控制閥模塊化零部件的通用性

模塊化設計的控制閥產(chǎn)品需更加深入考慮顧客的需求、成本等諸多因素，不僅以其全新的系統(tǒng)結構、優(yōu)化的模塊部件、簡便的計算與選型、高安全性和可靠性、產(chǎn)品緊湊堅固、號型齊全多樣、部件通用可換、易于維護檢修等方面使控制閥整體功能和性能明顯提升，而且其零部件通用性更高，同口徑的各個模塊組合，最少可組配近十幾種不同型號產(chǎn)品（如單座調(diào)節(jié)閥、壓力平衡式單座調(diào)節(jié)閥等），滿足近百種不同工況、不同CV值組配產(chǎn)品，控制閥模塊化零部件通用性統(tǒng)計如表2所示。

表2 控制閥模塊化零部件通用性

3 閥體組件BOM生成和提取

控制閥的物料清單（Bill of Material，BOM），采用計算機輔助生產(chǎn)管理，首先要使計算機能夠讀出所制造的產(chǎn)品構成和所有要涉及的物料，為了便于計算機識別，必須把用圖示表達的五大模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)編碼格式，然后以數(shù)據(jù)編碼格式來傳遞制造信息。

閥體組件模塊、上閥蓋組件模塊、閥內(nèi)件組件模塊、填料組件模塊和填料壓蓋組件模塊可依據(jù)不同的產(chǎn)品型號，通過產(chǎn)品參數(shù)導入、產(chǎn)品結構BOM導入、零件基本信息導入生成最終的產(chǎn)品構成信息，就可以保證產(chǎn)品組配與產(chǎn)品結構BOM一一對應。產(chǎn)品參數(shù)導入是為了限定對應組件的提取條件，也就是說，各部分組件的提取依據(jù)來自閥門的公稱通徑、公稱壓力、密封面型式、材質(zhì)、溫度、Cv值等參數(shù)，如果參數(shù)錯誤，則不能按五大模塊的要求組配閥門BOM清單；產(chǎn)品結構BOM導入是為了確定該型號產(chǎn)品具體的結構組成，如常規(guī)島控制閥就可以按照五大功能模塊逐一導入，這也就明確了其產(chǎn)品結構，而其他類型的產(chǎn)品可以此為參考設置不同的功能模塊去構成產(chǎn)品結構；零件基本信息導入則明確了某一功能模塊詳細的零件和數(shù)量，包括圖號、名稱、材質(zhì)、毛坯種類等信息，這些基本信息一旦給定，制造管理部門（如工藝部、計劃部、采購部等）就可以加入具體業(yè)務信息，就能夠做到數(shù)據(jù)信息的唯一性，數(shù)據(jù)共享，統(tǒng)一管理和統(tǒng)一使用。需要特別說明的是，零件基本信息是構成某一型號產(chǎn)品的基本元素，在導入系統(tǒng)之前，是要對零件基本信息按閥門型號和參數(shù)進行編制，設定提取條件。圖6是以閥內(nèi)件組件模塊為例的BOM清單示意圖。

圖6 閥內(nèi)件組件生成BOM清單示意圖

將閥門按五大模塊劃分后，對不同零件基本信息的編制和提取條件的設定，就可以將組成閥門所有的零件歸類至五大模塊組件中，每個模塊組件中所有零件信息的提取條件應該相同，這也就最終確定了某一模塊組件的提取條件；各模塊組件提取條件確定后取最大公約數(shù)，就明確了一臺閥門的最終提取條件。各模塊及閥門整機提取條件如表3所示。

表3 閥門整機提取BOM參數(shù)表

4 結論

（1）高效率：常規(guī)島控制閥通過模塊化設計，只要按照閥門選型數(shù)據(jù)一一輸入BOM系統(tǒng)中，就會得到閥門所含的五大功能模塊，一個整機的組裝零部件明細就可以提出。生產(chǎn)車間可以根據(jù)此明細加工或領取相對應的零部件來裝配閥門。從設計到裝配，每一個環(huán)節(jié)的時間大大縮短，井然有序，不會混亂，使得閥門制造廠的交貨快且品質(zhì)高，更高效、更快速積極的響應市場的需求。

（2）安全性和可靠性提高：模塊化的設計將閥門結構系統(tǒng)實現(xiàn)了優(yōu)化，各個零部件也進行了改良，使得整機功能和性能明顯提升。

（3）部件通用，可換性提高、易于維修：通過模塊化的設計，可實現(xiàn)多個零部件通用，如上閥蓋部件，所有常壓（Class600、HG PN63壓力等級以下）同口徑閥體、上閥蓋等零部件通用；高壓（含Class600、HG PN63及其以上壓力等級）同口徑閥體上閥蓋通用。即所有常、高壓不同型號的閥體及上閥蓋實現(xiàn)通用，不但降低了工裝模具數(shù)量，而且方便易換，極便于維修，也確保了售后服務第一時間為客戶解決問題。

（4）降低成本費用：模塊化設計的通用性，會更有利于設備管理和運行維護，并能大幅度減少備件庫存數(shù)量。對閥門制造廠而言，中間產(chǎn)品數(shù)量和庫存也將大大減少，型式組合更靈活。

（5）更加環(huán)保：由于模塊化的設計，很多零部件可通用，可大批量生產(chǎn)所需零件，大批量的生產(chǎn)使得生產(chǎn)總能耗降低10%并且減少了15%的環(huán)境有害物的排放。

模塊化設計的控制閥對用戶來說，會更有利于設備管理和運行維護，并能大幅度減少備件庫存數(shù)量。對制造廠商而言，工裝模具數(shù)量將明顯減少，中間產(chǎn)品數(shù)量和庫存也將大大減少，響應市場更快。