阀门定位装置气路元件的工作原理及故障检修

摘要：目前，我国的工业化进程有了很大进展，对阀门的应用也越来越广泛，气动调节阀作为工业自动化系统中的关键执行元件，其定位控制精度对于生产效率和系统安全具有重要意义。本文就阀门定位装置气路元件的工作原理及故障检修进行研究，以供参考。

关键词：压电阀门；鼓膜；泄漏；失效；压电组件

引言

气动调节阀是流程工业领域应用最为广泛的终端执行单元，作为工艺管路中控制介质流动的关键部件，其性能的优劣很大程度上决定了整个控制回路的性能与品质，但是气动调节阀的使用工况通常较为恶劣，而且长期受到流体冲刷、磨损、腐蚀等影响，容易出现各种故障。

1阀定位器构造

当操作过程中，气动阀门位置机构产生“噗噗”的声音，这时不需要打开或闭合阀门，所以不同于压电式部件中的进气及排气阀，以下的切换阀都被统称为“外部阀门”。实际上，这个声响是定位器内部的压电阀在一个较短的时间里运动而引起的。在“电致形变”效应下，驱动压电模块中的阀门孔反转，驱动压电阀门驱动下的进/排气阀协调动作，从而改变外部阀门的阀门位置。位于先导层的进气-压电阀门和排气-压电阀门，是实现压电组件中“电-气”转化的关键。从应用上来说，2个压电阀门等效为一微型二位三通电子控制阀门。其工作原理为：利用PID控制系统输出的脉宽调制信号，并利用该信号进行定位控制。

2压电型组件的结构和控制方法

2.1电气阀门定位器的硬件系统设计

智能电气阀门定位器的硬件系统属于阀门定位器范围，其基本工作原理是：来自控制系统的4～20mA控制信号经过取电电路和调理电路后经A/D转换后，作为阀位设定值；来自阀位反馈机构的阀位信号经A/D转换后，作为阀位实测值；在微处理器中经标度变换和线性化处理后，根据其偏差大小，再利用优化的五步开关控制算法，求出PWM控制量，而后驱动压电阀组件，调节压电阀组件输出的控制压力的大小，进而控制气动执行机构的阀杆位移，以达到快速准确调节阀门开度的目的。

2.2预测控制算法

基于预测控制算法的框架，在当前的控制动作获取过程中采用求解有限时域开环最优控制问题的方法，其核心在于首先需要构建被控对象的精确动力学模型，该模型可详尽描述系统状态随时间变化的规律以及输入与输出之间的关系。为了实现对系统状态的实时监测与精确估计，学者们进一步设计了一种全阶状态观测器的装置或算法。 全阶状态观测器是一种能够重构系统内部所有状态变量动态变化过程的系统，基于系统的动力学模型，通过可测量的系统输入输出信息来恢复系统的完整状态信息。

2.3创新点与优势

目前，国内外针对阀体泄漏检测的方案有很多，但几乎是针对整个阀门，在应用过程中不仅精度低，且均具有极大局限性，而针对填料处泄漏检测的方案较少。 声发射检测可以在阀体使用中进行检测，但此方案成本高，不能实时监控。 相比之下，超声波传感器检测技术优势明显，将超声波传感器检测技术与智能阀门定位器控制、通讯、监控技术集成，通过阀门定位器对控制阀状态实时检测和数据收集，超声波传感器检测信息被及时采集和解析，实现控制阀对填料函处泄漏的在线监测和报警。该项技术填补了国内阀门填料处泄漏检测的空白，具有在线实时检测、检测下限低、精确度高和成本低等特点；同时，产品体积小、防护性好，抗电磁干扰性能强，可适用于石油化工、精细化工和军事领域中除水蒸气外的各种气体检测工况。 超声波传感技术的主要功能如下：（1）实现在线实时检测；（2）泄漏检测下限低、精度高：可实现0.1ｍｌ／ｍｉｎ 的气体泄漏的检测；（3）对气体无选择性：可实现各种气体介质（水蒸气除外）阀门的泄漏检测；（4）适合于高温和低温气体介质阀门的检测；（5）与智能阀门定位器控制功能集成；（6）安装简单，无需专门技能和工具。

2.4膜的故障与维修

在设备的操作中，由于管道振动，床层旁路阀门在投产1年多以后，因定位器壳体被锁死，造成了信号不稳定的现象，阀门逐步完全关闭；定位器外壳开启，阀门逐步开启。经过现场拆解，发现在阀门长期振动位置中，压电部件的先导层和放大层间因摩擦而产生大量微小的孔洞，导致增程层中的气体漏入到先导层，给进气鼓或排气鼓带来了一定的压力。进而带动进气门或排气门的动作，从而造成阀门失控。造成这种情况的原因是：泄露到先导层的气体，通过压电组件顶部的一个孔，进入到了定位器的空腔中。在封闭的情况下，不能将气体排出，而是被正压填满，此时在压力的作用下，进气门和排气门都被压下，进气门被打开，排气门关闭，因此阀门完全关闭。然而，在开启外盖的时候，内部的气体会被排放到空气中。此时，泄漏的小孔变成了一个小孔，在引导层的鼓膜上形成了一个负压，使得所有的耳膜都处于不充气的状态，进气门重新闭合，排气门也被重新打开，外面阀门的气体都被清空。因此，阀门完全开启。更换隔离膜后，经过多次操作和现场使用，发现阀门没有问题。在更换隔膜后，必须将二次减压的过渡弹簧盖与膜片粘牢，不然会造成二次气体的泄漏。

2.5与智能电气阀门定位器故障自诊断

定位器检测到上述阀门故障后，可进入预设的故障安全状态，也可保持正常的运行状态，应根据现场工况和工艺要求确定配置。例如，表中第4和第5条异常信号或状态，也可能是工艺过程出现异常波动，导致管道内的流体压力出现异常造成的，并不是气动调节阀真的出现故障。因此，基于阀门定位器的阀门故障诊断，通常只给出预警信号，通过显示屏和HART通信告知故障代码，帮助用户有针对、有目的地对气动调节阀进行检查和维护。

3养护工作建议

检修中发现，定位装置的故障多为压电组件，电路板上的故障较少，偶有位置传感器的阻值中断。其中，压电组件中最常见的故障是压电元件的损坏。通过对现场长时间的跟踪观测与试验，这类故障的产生是因为定位装置没有考虑到对负荷侧（阀与管道）的压力不稳定进行反馈与补偿，也就是负荷侧的开环调节。因此，必须对阀位进行反馈，使压电阀板的作用达到负荷端气体压力的稳定。长时间的负荷泄漏会导致执行器的使用寿命缩短。若提前对负荷侧背压腔内的压力变化进行补偿，如将背压腔内的压力控制与定位装置的位置相结合，则可解决压电陶瓷阀易受损伤的问题。这是一个品牌电子式定位器的实践，也许可以给以后的改善提供一些参考。经可靠试验结果表明，这种定位器的耗气量为0.36L/h，而其它品牌的“喷管-折流板”式定位器耗气量为3.9L/h，与传统的“吸嘴-折流板”式定位器相比，具有更高的节电和节能效果。因此，节约能源是此款定位仪的一大优点。

结语

随着区域空气质量明显改善，污染防治攻坚战进入深水区，排放标准将更加严格，大气污染物减排空间也进一步缩小，治理难度越来越大。 基于阀门定位器的阀门故障诊断功能尽可能进行了厂内的故障模拟试验，但是工业现场实际工况复杂多变，还需要根据现场应用反馈的情况，不断修正并完善基于模型和数据融合驱动的故障诊断算法，提高气动调节阀的可靠性和可用性，帮助用户有计划、有目的、有针对地对气动调节阀进行维护和保养。

参考文献

[1] 钟盛辉，王登攀. 压电式调节阀的使用及其关键工艺的研究[J]. 电力与防爆，2020（06）：12～15.

[2] 张卫华，江李丽，廖宣亮. 阀位测量及压电式阀位测量系统的设计[J]. 铜工业，2011（01）：61～65.

[3] 钟盛辉，刘渝新. 基于压电式阀控装置的智能型阀控输入/输出装置[J]. 自动化与仪器，2022（03）：44～46，52.