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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,，其在技術應用和產(chǎn)品開發(fā)上一直受到比較廣泛的關注,。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和產(chǎn)品變更,，從歷史視角了解和掌握控制閥發(fā)展脈絡,。

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，具有導流,、截流,、調節(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,、各種腐蝕性化學介質、泥漿,、液態(tài)金屬和放射性物質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，并隨著人類的科技進步不斷發(fā)展,。在原始社會,，人類了調節(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,。

02

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,，伴隨著蒸汽機技術的完善,，控制閥亦隨之不斷進步，19世紀末,，壓力自給式結構和液位調節(jié)器已廣泛應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

出于調節(jié)蒸汽機速度的飛球調速器的需要,，在18世紀后期詹姆斯·瓦特設計出了動桿(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)立了梅森調節(jié)器公司,。威廉·梅森他在1883年申請了泵速調節(jié)器專利，在1885年申請了蒸汽減壓閥專利,，在1886年申請了泵壓力調節(jié)器專利,。減壓閥使蒸汽驅動火車成為可能,并且應用了很多年。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節(jié)器,。

03

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,，電氣技術和石油天然氣產(chǎn)業(yè)需求對控制閥技術進步起到重要的推動作用,。先導式調節(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和產(chǎn)品,，先后得以發(fā)明并廣泛應用。

先導式調節(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動機構，先導式調節(jié)器技術應運而生,，管道介質被用作先導操作介質,，用較小范圍的控制力來驅動較大尺寸閥門的先導閥成功應用在閥門上，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的需求隨之增加,，其中為閥芯提供更大的驅動力是一個具有挑戰(zhàn)性的技術難題。1906年,，梅森調節(jié)閥公司設計的雙閥座閥門成功解決了這一個問題,，設計上為了平衡閥瓣上的動載荷，通過閥瓣導向來穩(wěn)定閥瓣組件,，平衡閥座設計適用于2英寸至12英寸的閥門,，其驅動有獨立式液體調節(jié)器中的浮球實現(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興起,，復雜壓力和高溫工況對控制閥的設計提出了新的要求。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/平方英寸的壓力驅動執(zhí)行機構的控制閥。經(jīng)過數(shù)次技術迭代,，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向裝置。

定位器的發(fā)明

泰科閥門認為1932年,，梅森調節(jié)器公司收購了尼蘭公司,。這個時期，先導式調節(jié)器和雙閥座閥門仍然沒有克服大口徑閥門驅動力不足的弱點或在極端公況下閥門操作的問題,。技術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計減少閥桿摩擦,，但是這些措施均未達到預期,。

1936年，泰勒儀表公司發(fā)明了定位器,，執(zhí)行機構驅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)動裝置來感應閥桿的位置,，并在帶有導向系統(tǒng)的橫梁上設有一堆相向的波紋管,。最初的定位器內部還有使控制器復位的手動裝置，現(xiàn)在的定位器設有一個旁路開關而不需要將控制器重新復位,。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,，通過長期的技術和生產(chǎn)實踐,，控制器研發(fā)技術人員認識到定位器能夠提供足夠的動力,。之后，將工作重心轉向設計尺寸合理的執(zhí)行機構和單閥座閥體上,。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計理念,，將平衡式的設計方法運用于大尺寸閥門設計上，在閥蓋處增加一個大尺寸的導向活塞設計,，導向活塞上的介質壓力使活塞平衡,。

04

信息技術時代的控制閥

從20世紀四五十年代，以電子計算機技術,、航天技術,、原子能技術的應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，在此基礎上控制閥技術,、標準和設計流程等更加完善,，控制閥技術和研發(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構長度進行標準化，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、大直徑閥桿導向設計,、鋁制活塞的氣缸執(zhí)行機構,，該執(zhí)行機構與定位器實現(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,，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，對促進控制閥技術的提升和創(chuàng)新產(chǎn)生積極的推動作用,。

旋轉類控制閥發(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類控制閥替代,，1965年至1980年間，旋轉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)升級和新的技術發(fā)展勢必推動控制閥技術和產(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節(jié)精度需求愈發(fā)突出,，控制閥技術更加趨向標準化,、模塊化、智能化,、集成化和網(wǎng)絡化,。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）等學科技術深度結合。

06

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，中國控制閥應用領域主要為化工行業(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,。