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【泰科閥門】詳細闡述控制閥前世今生

泰科閥門認為，控制閥在生活生產(chǎn)中的作用十分重要，其在技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)上一直受到比較廣泛的關(guān)注。本期我們一同來了解一下控制閥的發(fā)展歷史，從四次工業(yè)革命的角度來俯瞰控制閥技術(shù)和產(chǎn)品變更，從歷史視角了解和掌握控制閥發(fā)展脈絡(luò)。

控制閥概念及起源

概念

控制閥是流體運送系統(tǒng)中的控制部件，具有導(dǎo)流、截流、調(diào)節(jié)、節(jié)流、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能，用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性化學(xué)介質(zhì)、泥漿、液態(tài)金屬和放射性物質(zhì)等各種類型流體的運動。

起源

泰科閥門認為控制閥的發(fā)展與人類的生活生產(chǎn)過程的密切相關(guān)，并隨著人類的科技進步不斷發(fā)展。在原始社會，人類了調(diào)節(jié)河流或小溪的水流量，采用大石塊或樹干來阻止水的流動或改變水的流動方向，這是控制閥最原始的概念。據(jù)文獻記載，埃及和希臘文明發(fā)明了幾種原始的控制閥門類型用于農(nóng)作物灌溉，不過這些水系統(tǒng)過于簡單。學(xué)界對控制閥的起源，一般公認的是：古羅馬人在水道上使用的一種銅制旋塞閥是控制閥的鼻祖。

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泰科閥門認為蒸汽機時代的控制閥，發(fā)端于18世紀60年代英國的第一次工業(yè)革命，這是人類技術(shù)發(fā)展史上的一次巨大革命，它開創(chuàng)了以機器代替手工勞動的時代，是以蒸汽機作為動力機被廣泛使用為標志的。整個19世紀，伴隨著蒸汽機技術(shù)的完善，控制閥亦隨之不斷進步，19世紀末，壓力自給式結(jié)構(gòu)和液位調(diào)節(jié)器已廣泛應(yīng)用于大型電站中較大的蒸汽鍋爐上。在這一時期，有三位重要的人物對控制閥的技術(shù)創(chuàng)新和提升做出了重要貢獻，他們分別是詹姆斯·瓦特、威廉·費希爾和威廉·梅森。

詹姆斯·瓦特

出于調(diào)節(jié)蒸汽機速度的飛球調(diào)速器的需要，在18世紀后期詹姆斯·瓦特設(shè)計出了動桿(自動)閥，并配套在蒸汽機上，這是現(xiàn)代控制閥技術(shù)和產(chǎn)品的開山之作。

威廉·費希爾

泰科閥門認為1880年，出于維持蒸汽驅(qū)動水泵的恒定排放壓力，愛荷華州馬歇爾敦市自來水廠的工程師威廉·費希爾恒壓泵調(diào)節(jié)器。之后，創(chuàng)辦了大名鼎鼎的費希爾控制公司（現(xiàn)已成為世界五百強企業(yè)艾默生的一個重要組成）。

威廉·梅森

在1882年，威廉·梅森創(chuàng)立了梅森調(diào)節(jié)器公司。威廉·梅森他在1883年申請了泵速調(diào)節(jié)器專利，在1885年申請了蒸汽減壓閥專利，在1886年申請了泵壓力調(diào)節(jié)器專利。減壓閥使蒸汽驅(qū)動火車成為可能,并且應(yīng)用了很多年。之后到了19世紀和20世紀之交，萊斯利、基利-穆勒、阿特拉斯和凱克利等公司也開始制造類似的調(diào)節(jié)器。

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電氣時代的控制閥

泰科閥門認為19世紀60年代后期，歐洲國家和美國、日本等國開始以電氣為代表的第二次工業(yè)革命。電器開始逐步代替機器，發(fā)展成為補充和取代以蒸汽機為動力的新能源。這一時期，電氣技術(shù)和石油天然氣產(chǎn)業(yè)需求對控制閥技術(shù)進步起到重要的推動作用。先導(dǎo)式調(diào)節(jié)器、雙閥座閥門、單座直通式控制閥和定位器等代表性的技術(shù)和產(chǎn)品，先后得以發(fā)明并廣泛應(yīng)用。

先導(dǎo)式調(diào)節(jié)器

19世紀和20世紀之交，石油和天然氣工業(yè)的興起。泵在原油生產(chǎn)中廣泛運用，隨著生產(chǎn)需求的大幅增加，泵的功率變的更大，這種情況下便需配備更大尺寸的閥門驅(qū)動機構(gòu)，先導(dǎo)式調(diào)節(jié)器技術(shù)應(yīng)運而生，管道介質(zhì)被用作先導(dǎo)操作介質(zhì)，用較小范圍的控制力來驅(qū)動較大尺寸閥門的先導(dǎo)閥成功應(yīng)用在閥門上，進而實現(xiàn)工作效率的提升。

雙閥座閥門

泰科閥門認為20世紀初期，帶單獨收集罐和間歇蒸餾裝置的單口油井被多井口集中收集和連續(xù)蒸餾裝置所取代。隨著壓力、溫度和容量等過程參數(shù)的不斷增加，對更大型的定位機構(gòu)的需求隨之增加，其中為閥芯提供更大的驅(qū)動力是一個具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。1906年，梅森調(diào)節(jié)閥公司設(shè)計的雙閥座閥門成功解決了這一個問題，設(shè)計上為了平衡閥瓣上的動載荷，通過閥瓣導(dǎo)向來穩(wěn)定閥瓣組件，平衡閥座設(shè)計適用于2英寸至12英寸的閥門，其驅(qū)動有獨立式液體調(diào)節(jié)器中的浮球?qū)崿F(xiàn)。

單座直通式控制閥

泰科閥門認為20世紀20年代，高溫高壓原油裂解技術(shù)興起，復(fù)雜壓力和高溫工況對控制閥的設(shè)計提出了新的要求。期間，托馬斯·尼蘭成立了尼蘭公司，針對上述需求研發(fā)了基于15磅/平方英寸的壓力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的控制閥。經(jīng)過數(shù)次技術(shù)迭代，到了1930年這種閥門發(fā)展成為單座直通式控制閥。這種閥門的創(chuàng)新之處在于機加工的拋物線形閥瓣和閥座導(dǎo)向裝置。

定位器的發(fā)明

泰科閥門認為1932年，梅森調(diào)節(jié)器公司收購了尼蘭公司。這個時期，先導(dǎo)式調(diào)節(jié)器和雙閥座閥門仍然沒有克服大口徑閥門驅(qū)動力不足的弱點或在極端公況下閥門操作的問題。技術(shù)上嘗試采用小直徑閥桿以減少填料摩擦的嘗試，例如6英寸閥門采用1/4英寸的閥桿；采用滾珠軸承和潤滑填料設(shè)計減少閥桿摩擦，但是這些措施均未達到預(yù)期。

1936年，泰勒儀表公司發(fā)明了定位器，執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動力不足的問題終于被克服了。最初的定位器被稱為雙作用裝置，通過機械聯(lián)動裝置來感應(yīng)閥桿的位置，并在帶有導(dǎo)向系統(tǒng)的橫梁上設(shè)有一堆相向的波紋管。最初的定位器內(nèi)部還有使控制器復(fù)位的手動裝置，現(xiàn)在的定位器設(shè)有一個旁路開關(guān)而不需要將控制器重新復(fù)位。20世紀30年代主要的控制儀器公司主要有泰勒、百利、?？怂共_、明尼阿波利斯—霍尼韋爾公司等。

1940年，通過長期的技術(shù)和生產(chǎn)實踐，控制器研發(fā)技術(shù)人員認識到定位器能夠提供足夠的動力。之后，將工作重心轉(zhuǎn)向設(shè)計尺寸合理的執(zhí)行機構(gòu)和單閥座閥體上。梅森—尼蘭公司的總工程師埃德·達爾提出平衡式單通道閥和流線型角閥的設(shè)計理念，將平衡式的設(shè)計方法運用于大尺寸閥門設(shè)計上，在閥蓋處增加一個大尺寸的導(dǎo)向活塞設(shè)計，導(dǎo)向活塞上的介質(zhì)壓力使活塞平衡。

04

信息技術(shù)時代的控制閥

從20世紀四五十年代，以電子計算機技術(shù)、航天技術(shù)、原子能技術(shù)的應(yīng)用為代表第三次科技革命開始興起。隨著科技的進步和繁榮發(fā)展，控制閥的理論步入了繁榮階段，在此基礎(chǔ)上控制閥技術(shù)、標準和設(shè)計流程等更加完善，控制閥技術(shù)和研發(fā)步入了成熟階段。

雙通道閥門

泰科閥門認為1941年前后，哈默爾—達爾公司研發(fā)了雙通道閥門系列，該系列閥門配有螺栓鏈接閥蓋和底蓋，安全性更高。

單座閥和雙座閥標準化

1943-1945年，美國蒸汽協(xié)會組織（現(xiàn)為流體控制研究所）開始致力于將單座閥和雙座閥的結(jié)構(gòu)長度進行標準化，以解決因閥門制造商制造出不同尺寸閥門在實際應(yīng)用中帶來的種種不便。標準化工作最終由包含來自費希爾公司的保羅埃爾弗斯、麥克拉·姆夫格公司的阿爾·漢森、梅森-尼蘭公司的拉爾夫·羅克維和哈梅爾-達爾公司的埃德·達爾組成的委員會制定完成。

單通道閥技術(shù)改進

20世紀四十年代，梅森—尼蘭公司研發(fā)出采用合金材料、大直徑閥桿導(dǎo)向設(shè)計、鋁制活塞的氣缸執(zhí)行機構(gòu)，該執(zhí)行機構(gòu)與定位器實現(xiàn)集成，從而達到了能夠接受較高氣源壓力的效果。這一技術(shù)的突破，克服了單通道閥瓣受力不平衡的問題。

FCI 標準出臺

1950年，美國流體控制學(xué)會(FCI)控制閥標準化委員會的艾爾·漢森主席開始致力于將流量系數(shù)Cv值的計算標準化，到了1958年形成成果，發(fā)布了“確定控制閥流通能力的推薦標準”。時到今日，這個FCI 標準仍然是控制閥測試的基礎(chǔ)，后被美國標準管理局（ISA）采納并做修訂，成為美國國家標準。

控制閥理論豐收

1962年，美國流體控制學(xué)會發(fā)布了“控制閥選型推薦標準”，標準中的公司確定了閥門參數(shù)Cv如何使用；第一版的《美國標準管理局控制閥手冊》出版等。這些理論的提煉和總結(jié)，對促進控制閥技術(shù)的提升和創(chuàng)新產(chǎn)生積極的推動作用。

旋轉(zhuǎn)類控制閥發(fā)展成主流產(chǎn)品

盡管對球形閥類型閥體的控制閥設(shè)計理念進行了量化，但是雙座控制閥的市場份額還是大幅下降，從1970年的50%下降到1975年的3%。其市場份額被更具有性價比的旋轉(zhuǎn)類控制閥替代，1965年至1980年間，旋轉(zhuǎn)類控制閥市場份額從1%增長到50%，成為控制閥的主流產(chǎn)品。

全智能控制閥

1980年開始，智能控制閥開始研發(fā)，經(jīng)過十多年的測試和改進，到1995年時實現(xiàn)了對閥門控制性能的大幅改善，并呈現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。全智能控制閥包含了閥、執(zhí)行機構(gòu)和定位器三部分，是可測量和分析的，可以用于診斷閥門的工作性能。

05

智能化時代的控制閥

泰科閥門認為進入21世紀以后，基于智能AI、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云存儲、5G等新技術(shù)革命在全球席卷，人類社會發(fā)展迎來了工業(yè)4.0階段，信息化技術(shù)促進產(chǎn)業(yè)變革的時代已經(jīng)來臨，這種情勢下產(chǎn)業(yè)升級和新的技術(shù)發(fā)展勢必推動控制閥技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展和創(chuàng)新。從目前的情況來看，對控制閥的可靠性和調(diào)節(jié)精度需求愈發(fā)突出，控制閥技術(shù)更加趨向標準化、模塊化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化。隨著科技的不斷進步和工業(yè)4.0向縱深發(fā)展，未來的控制閥研發(fā)上很可能與數(shù)字孿生（DT）、增強現(xiàn)實（AR）、人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實（VR）等學(xué)科技術(shù)深度結(jié)合。

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中外著名控制閥企業(yè)

國外著名的控制閥企業(yè)主要有美國費希爾（FISHER）、美國梅索尼蘭（Masoneilan）、美國福斯(Flowserve)、德國薩姆森（SAMSON）、日本工裝（KOSO）、芬蘭耐萊斯(neles)等。我國的控制閥工業(yè)在起步較晚，但發(fā)展較快。國內(nèi)控制閥生產(chǎn)企業(yè)主要集中在浙江、江蘇和上海等地，龍頭企業(yè)有吳忠儀表、川儀股份、智能自控等。

07

我國控制閥市場情況

泰科閥門認為目前，中國控制閥應(yīng)用領(lǐng)域主要為化工行業(yè)，占比超45%，其次為油氣、電力行業(yè)，占比均超15%。隨著近年來工業(yè)控制技術(shù)的升級，精細化工、鋰電、制藥增長顯著，隨著工業(yè)自動化水平不斷提高，控制閥市場將保持高景氣度的發(fā)展態(tài)勢。

2021年中國工業(yè)控制閥市場規(guī)模約為392.6億元，已成為全球最大的工業(yè)控制閥生產(chǎn)國之一。在排名前50企業(yè)中，國產(chǎn)控制閥銷售臺數(shù)占比已達80%以上。

泰科閥門認為我國控制閥市場競爭現(xiàn)狀：中低端市場，國內(nèi)控制閥企業(yè)基本可以實現(xiàn)全覆蓋；高端市場上以吳忠儀表、川儀股份等為代表的企業(yè)已可以與國外控制閥企業(yè)直面競爭，并取得良好的進展。