全面了解仪表回路， 确保精确使用
发布日期：2014年10月30日 浏览次数：
在测量压力、流量或液位的流程仪表应用中，工程师或技术员会专注于精确度，将其作为工作的重中之重。发射器是设备的一个关键组成部分。工程师通常会购买他们能够买到的最精确的发射器，并对它投入极大的关注。
然而，发射器的精确度取决于系统提供给它的输入。流程仪表回路（将流程连接到发射器的管道和部件组）也同样重要。此回路的作用在于向发射器提供一组流程状态信息。这些状态必须与流程中的状态精确地保持相同。如果不相同，发射器将无法提供有用的测量结果。
而且，我们往往很难知道流程仪表回路何时表现不佳。没有报警声会响起。因此，尽管工程师或技术员可能会专注于发射器，但仪表回路可能是破坏任何成功可能性的原因。
因此，我们有充分的理由需要去了解流程仪表回路中可能出现的任何问题，包括与整体设计和布局以及单个部件的质量和安装有关的问题。
在我们详细了解流程仪表回路之前，让我们先来看看最近开发的一种替代方案。这是一种简单而精致的解决方案，如果您的应用允许您采用这种解决方案，我们建议您采用它。
通常情况下，流程仪表设置至少需要流程接口阀、引压管线、歧管和发射器（见图1）。引压管线的安装和维护成本可能比较昂贵，并且面临诸多挑战，如堵塞、泄漏点、温度控制和腐蚀。紧耦合设置消除了引压管线的需要。流程接口阀和歧管变成一个单元（见图2），并将发射器直接安装到它上面。然后，将整个组件连接到流程回路。了解这种替代方案的人大多数都会喜欢它。挑战在于找到适当的位置来使用它。
第二个局限性在于进出便利性。如果您需要到达发射器的安装位置进行校准，发射器位置则需要确保进出方便，因此，如果将一个耦合器安装在流程回路上方50英尺高的位置，将没有很大的意义。
最后一个障碍在于成本。紧耦合需要一笔初始投资，但从长远来看，特别是如果您将紧耦合系统维护成本较低考虑进去的话，那么，相比传统的替代方案，它可能没有那么昂贵。如果您有机会采用这种解决方案，我们建议您采用它。
标准化——简化维护的关键步骤
如果您的目标是获取最佳设计，那么将只有几种方法可以设置流程仪表回路。然而，大多数工厂都有多种变体设计，而且其中许多变体设计也不是最佳的。随着时间的推移，不同的工程师和/或者承包商出于不的原因为不同的项目开发了这些变体设计。这样复杂的情况可能会耗尽您的时间和精力。每个系统都有不同的维护需求，并且一旦出现问题，将存在许多可能性。
理想情况下，所有的系统应当按照一套统一的标准来设计，包括预算和容许的停机时间、维护和精确度。结果将是高度标准化。举个例子，在标准化之前，一家精炼厂可能拥有30种不同的流程仪表回路配置。而在标准化之后，同一家工厂可能仅拥有5种配置，并且每种配置均包含相同的基本部件：发射器安装、歧管系统和冗余压力测量。唯一的变化可能是管道路径和流程接口阀类型（基于温度、压力和阀门位置而变化）。
通过标准化，许多事情将变得更加简单，包括维护、安装、培训和诊断。同时，错误也减少了。另外，工厂也可以减少更换备件存货，从而减少开支。
基本构建块
对于流程仪表回路中的每个基本构建块，包括流程接口阀、引压管线和歧管，材料和设计的选择至关重要，否则可能会影响精确性。关于材料，我们强烈建议在大多数应用中选择不锈钢或其他耐腐蚀合金。尽管如此，许多工业工厂仍可能采用碳钢材料的流程接口阀、管道和歧管（或者歧管零部件）。在某些低水分应用中，如石油，碳钢是可以接受的，但对于多数其他应用而言，选择碳钢材料可能会面临风险。通常积聚在碳钢表面的结垢可能会脱落，并向下游流动，然后停留在阀座上，从而阻止阀门精确关闭。其结果是导致发射器校准不精确，和/或者发射器读数不精确（详细的讨论见下文）。如果您在仪表回路中采用碳钢部件，它们将需要非常密切的监测，以确保结垢不会响系统中阀门的操作。
流程接口阀（PIV）
流程接口阀是关闭流程回路的第一个阀门。从历史上来看，流程接口阀的选择一直是单闸板式闸阀或球阀。这两种阀门目前仍在继续使用，尤其是在美国，但最佳选择是双关双断阀（DBB），其包含两个隔离阀，两个隔离阀之间还有一个排放阀。采用双关双断阀的主要原因在于安全性。如果您需要关闭流程仪表回路以进行维护，您将需要关闭两个隔断阀，并打开排放阀。如果第一个隔断阀出于任何原因发生泄漏，第个隔断阀将会阻止压力或液体积聚在流程仪表回路中。
虽然双关双断阀的功能可以使用三个单独的阀门来构建，但单一的独立式装置是更好的选择，其具有以下优点：
●减少泄漏点；
●通过使用不同尺寸的孔口和法兰连接，灵活地配置产品；
●减少尺寸和重量，从而减少了仪表系统结构支撑的需求及相关费用（见图3）；
●降低成本；
●安装更快速、更容易；
●可提供广泛的压力等级和材料范围，确保可与特定的管道系统设计相兼容；以及消防安全评级。
传统设计的双关双断阀适用于所有流体，使用球阀时特别适用于那些粘度较高的流体。事实上，当系统流体较脏或者含有蜡时，良好的双关双断阀设计应当是“可以通过阀杆旋转的”。“可以通过阀杆旋转”意味着您可以绕着双关双断阀的中间位置旋阀杆，以清除堵塞物。
引压管线
引压管线将流程接口阀连接到歧管和发射器。与所有流程仪表部件一样，它们的用途在于将流程状况信息精确地传递给发射器。铺设引压管线时，需要考虑以下三个主要目标：
●防止腐蚀或结垢
●减少泄漏点
●使温度保持在一定范围内
前两个目标可通过采用由适当的合金（至少是不锈钢）制造的管道和管道配件来实现，而不是碳钢管道和螺纹连接。不锈钢管道可以弯曲和成形，从而减少了机械连接的数量。当需要机械连接时，不同于碳钢材料和螺纹连接，优质的双套圈机械锁紧环式管道配件不会因热循环或振动而后退。
第三个目标是使温度保持在一定范围内，这可以通过加热引压管线来实现。您可以手动对引压管线进行隔热处理——“现场跟踪”，或者购买出厂时预先经过隔热处理并采用聚合物护套包裹的管道。预先经过隔热处理的成束管道可以按照线卷长度随时进行安装。您可以根据应用需求，利用蒸汽将其加热，或者不对其加热。如果选用预先经过隔热处理的成束管道，很重要的一点是，当您将管道拼接或切割成预先经过隔热处理的成束管道时，必须遵守生产商有关隔热密封的操作指南。
歧管
歧管由一组阀门组成，阀体采用单块金属（通常为不锈钢）加工而成。将歧管安装到发射器的侧面，其提供关键的功能，可实现对发射器的校准或维修。
歧管的质量非常重要。在校准或正常运行期间，歧管中至少有一个阀门处于关闭位置。如果关闭不够彻底，将导致发射器读数不准确。
举个例子，当在标准压差设置下校准发射器时，技术员会关闭两个隔离阀，并打开平衡阀（见图4）。此程序将使发射器处于“归零”状态，以便进行校准。然而，如果两个隔离阀中有一个发生泄漏，校准将不会成功，所有后续的读数都将不准确。
这些阀门为什么会发生泄漏？一个原因在于碎屑的存在，包括腐蚀产生的结垢（见上文）或其他碎屑，如毛刺。毛刺是生产过程中加工工艺的副产品。在生产和安装过程中，一个关键步骤应当是去除所有湿润表面上的全部毛刺。否则，当歧管处于服务状态时，这些毛刺可能会离开原位，卡住或划伤阀杆或阀座，从而阻止阀门精确关闭。另外，毛刺在单法兰和其他球型针阀中也可能导致问题的发生。
针阀阀座密封
阀门发生泄漏的另一个原因在于设计不佳。大多数针阀采用金属对金属密封。阀杆金属头向下移动，密封住形状相匹配的金属阀座。阀杆金属头的形状可能是球形或V字形。在任何一种情况下，很重要的一点是，阀杆金属头不能随着阀杆转动。如果转动的话，阀杆金属头可能会磨损阀座，形成划痕，从而导致出现泄漏通道。
实现非旋转式阀杆头的设计方法主要有两种。如果是V字形阀杆头，可以采用万向接头，它使阀杆上部能够转向，而阀杆下部保持静止不动，轴向（上下）移动除外。
如果是球形阀杆头，将一个球漂浮在阀杆头，就像圆珠笔一样。关于球形阀杆头，一些设计使球能够在所有平面上旋转，而一些设计则限制球的活动，这样，它仅可在一个平面上旋转。后者是首选设计。每当球要密封住阀座时，将形成一条密封线，在这里，阀座将与球相遇。如果球可在所有平面上自由定位，它将形成多条纵横交错的密封线，从而导致产生泄漏点。如果球仅可在一个平面上旋转，它将仅形成一条密封线，通过这条密封线，它可以反复密封阀座，确保无任何泄漏点产生。
球阀中的球通常密封含氟聚合物阀座。液体流中的高压会将球朝着阀座方向推动，从而形成密封。然而，在低压情况下，则可能需要额外力量来确保有效密封。这股力量有时也称为“活动荷载”，来自插入底端螺杆与阀座之间的弹簧或O形环。并非所有球阀都含有这些额外部件，但在不太理想的情况下，比如温度和压力出现波动，这些部件将非常有助于实现精确的阀门关闭效果。在不含这些部件的阀门中，通常依靠过盈配合来提供阀座与球之间的低压密封。对于几次以上的驱动，过盈密封型阀座通常不提供低压气体密封功能。
如果您非常重视精确的测量，并指定使用高端发射器，那么，您的仪表回路将需要同等程度的关注。测量精度取决于发射器精度、仪表回路部件的质量以及安装和维护方法。将您的设备标准化，包括一组核心的仪表回路元件、优质部件和优质发射器，有助于提高您的测量精度。更精确的测量将产生极富吸引力的回报，包括时间、效率和工厂盈利能力等方面。
然而，发射器的精确度取决于系统提供给它的输入。流程仪表回路（将流程连接到发射器的管道和部件组）也同样重要。此回路的作用在于向发射器提供一组流程状态信息。这些状态必须与流程中的状态精确地保持相同。如果不相同，发射器将无法提供有用的测量结果。
而且，我们往往很难知道流程仪表回路何时表现不佳。没有报警声会响起。因此，尽管工程师或技术员可能会专注于发射器，但仪表回路可能是破坏任何成功可能性的原因。
因此，我们有充分的理由需要去了解流程仪表回路中可能出现的任何问题，包括与整体设计和布局以及单个部件的质量和安装有关的问题。
在我们详细了解流程仪表回路之前，让我们先来看看最近开发的一种替代方案。这是一种简单而精致的解决方案，如果您的应用允许您采用这种解决方案，我们建议您采用它。
通常情况下，流程仪表设置至少需要流程接口阀、引压管线、歧管和发射器（见图1）。引压管线的安装和维护成本可能比较昂贵，并且面临诸多挑战，如堵塞、泄漏点、温度控制和腐蚀。紧耦合设置消除了引压管线的需要。流程接口阀和歧管变成一个单元（见图2），并将发射器直接安装到它上面。然后，将整个组件连接到流程回路。了解这种替代方案的人大多数都会喜欢它。挑战在于找到适当的位置来使用它。
第二个局限性在于进出便利性。如果您需要到达发射器的安装位置进行校准，发射器位置则需要确保进出方便，因此，如果将一个耦合器安装在流程回路上方50英尺高的位置，将没有很大的意义。
最后一个障碍在于成本。紧耦合需要一笔初始投资，但从长远来看，特别是如果您将紧耦合系统维护成本较低考虑进去的话，那么，相比传统的替代方案，它可能没有那么昂贵。如果您有机会采用这种解决方案，我们建议您采用它。
标准化——简化维护的关键步骤
如果您的目标是获取最佳设计，那么将只有几种方法可以设置流程仪表回路。然而，大多数工厂都有多种变体设计，而且其中许多变体设计也不是最佳的。随着时间的推移，不同的工程师和/或者承包商出于不的原因为不同的项目开发了这些变体设计。这样复杂的情况可能会耗尽您的时间和精力。每个系统都有不同的维护需求，并且一旦出现问题，将存在许多可能性。
理想情况下，所有的系统应当按照一套统一的标准来设计，包括预算和容许的停机时间、维护和精确度。结果将是高度标准化。举个例子，在标准化之前，一家精炼厂可能拥有30种不同的流程仪表回路配置。而在标准化之后，同一家工厂可能仅拥有5种配置，并且每种配置均包含相同的基本部件：发射器安装、歧管系统和冗余压力测量。唯一的变化可能是管道路径和流程接口阀类型（基于温度、压力和阀门位置而变化）。
通过标准化，许多事情将变得更加简单，包括维护、安装、培训和诊断。同时，错误也减少了。另外，工厂也可以减少更换备件存货，从而减少开支。
基本构建块
对于流程仪表回路中的每个基本构建块，包括流程接口阀、引压管线和歧管，材料和设计的选择至关重要，否则可能会影响精确性。关于材料，我们强烈建议在大多数应用中选择不锈钢或其他耐腐蚀合金。尽管如此，许多工业工厂仍可能采用碳钢材料的流程接口阀、管道和歧管（或者歧管零部件）。在某些低水分应用中，如石油，碳钢是可以接受的，但对于多数其他应用而言，选择碳钢材料可能会面临风险。通常积聚在碳钢表面的结垢可能会脱落，并向下游流动，然后停留在阀座上，从而阻止阀门精确关闭。其结果是导致发射器校准不精确，和/或者发射器读数不精确（详细的讨论见下文）。如果您在仪表回路中采用碳钢部件，它们将需要非常密切的监测，以确保结垢不会响系统中阀门的操作。
流程接口阀（PIV）
流程接口阀是关闭流程回路的第一个阀门。从历史上来看，流程接口阀的选择一直是单闸板式闸阀或球阀。这两种阀门目前仍在继续使用，尤其是在美国，但最佳选择是双关双断阀（DBB），其包含两个隔离阀，两个隔离阀之间还有一个排放阀。采用双关双断阀的主要原因在于安全性。如果您需要关闭流程仪表回路以进行维护，您将需要关闭两个隔断阀，并打开排放阀。如果第一个隔断阀出于任何原因发生泄漏，第个隔断阀将会阻止压力或液体积聚在流程仪表回路中。
虽然双关双断阀的功能可以使用三个单独的阀门来构建，但单一的独立式装置是更好的选择，其具有以下优点：
●减少泄漏点；
●通过使用不同尺寸的孔口和法兰连接，灵活地配置产品；
●减少尺寸和重量，从而减少了仪表系统结构支撑的需求及相关费用（见图3）；
●降低成本；
●安装更快速、更容易；
●可提供广泛的压力等级和材料范围，确保可与特定的管道系统设计相兼容；以及消防安全评级。
传统设计的双关双断阀适用于所有流体，使用球阀时特别适用于那些粘度较高的流体。事实上，当系统流体较脏或者含有蜡时，良好的双关双断阀设计应当是“可以通过阀杆旋转的”。“可以通过阀杆旋转”意味着您可以绕着双关双断阀的中间位置旋阀杆，以清除堵塞物。
引压管线
引压管线将流程接口阀连接到歧管和发射器。与所有流程仪表部件一样，它们的用途在于将流程状况信息精确地传递给发射器。铺设引压管线时，需要考虑以下三个主要目标：
●防止腐蚀或结垢
●减少泄漏点
●使温度保持在一定范围内
前两个目标可通过采用由适当的合金（至少是不锈钢）制造的管道和管道配件来实现，而不是碳钢管道和螺纹连接。不锈钢管道可以弯曲和成形，从而减少了机械连接的数量。当需要机械连接时，不同于碳钢材料和螺纹连接，优质的双套圈机械锁紧环式管道配件不会因热循环或振动而后退。
第三个目标是使温度保持在一定范围内，这可以通过加热引压管线来实现。您可以手动对引压管线进行隔热处理——“现场跟踪”，或者购买出厂时预先经过隔热处理并采用聚合物护套包裹的管道。预先经过隔热处理的成束管道可以按照线卷长度随时进行安装。您可以根据应用需求，利用蒸汽将其加热，或者不对其加热。如果选用预先经过隔热处理的成束管道，很重要的一点是，当您将管道拼接或切割成预先经过隔热处理的成束管道时，必须遵守生产商有关隔热密封的操作指南。
歧管
歧管由一组阀门组成，阀体采用单块金属（通常为不锈钢）加工而成。将歧管安装到发射器的侧面，其提供关键的功能，可实现对发射器的校准或维修。
歧管的质量非常重要。在校准或正常运行期间，歧管中至少有一个阀门处于关闭位置。如果关闭不够彻底，将导致发射器读数不准确。
举个例子，当在标准压差设置下校准发射器时，技术员会关闭两个隔离阀，并打开平衡阀（见图4）。此程序将使发射器处于“归零”状态，以便进行校准。然而，如果两个隔离阀中有一个发生泄漏，校准将不会成功，所有后续的读数都将不准确。
这些阀门为什么会发生泄漏？一个原因在于碎屑的存在，包括腐蚀产生的结垢（见上文）或其他碎屑，如毛刺。毛刺是生产过程中加工工艺的副产品。在生产和安装过程中，一个关键步骤应当是去除所有湿润表面上的全部毛刺。否则，当歧管处于服务状态时，这些毛刺可能会离开原位，卡住或划伤阀杆或阀座，从而阻止阀门精确关闭。另外，毛刺在单法兰和其他球型针阀中也可能导致问题的发生。
针阀阀座密封
阀门发生泄漏的另一个原因在于设计不佳。大多数针阀采用金属对金属密封。阀杆金属头向下移动，密封住形状相匹配的金属阀座。阀杆金属头的形状可能是球形或V字形。在任何一种情况下，很重要的一点是，阀杆金属头不能随着阀杆转动。如果转动的话，阀杆金属头可能会磨损阀座，形成划痕，从而导致出现泄漏通道。
实现非旋转式阀杆头的设计方法主要有两种。如果是V字形阀杆头，可以采用万向接头，它使阀杆上部能够转向，而阀杆下部保持静止不动，轴向（上下）移动除外。
如果是球形阀杆头，将一个球漂浮在阀杆头，就像圆珠笔一样。关于球形阀杆头，一些设计使球能够在所有平面上旋转，而一些设计则限制球的活动，这样，它仅可在一个平面上旋转。后者是首选设计。每当球要密封住阀座时，将形成一条密封线，在这里，阀座将与球相遇。如果球可在所有平面上自由定位，它将形成多条纵横交错的密封线，从而导致产生泄漏点。如果球仅可在一个平面上旋转，它将仅形成一条密封线，通过这条密封线，它可以反复密封阀座，确保无任何泄漏点产生。
球阀中的球通常密封含氟聚合物阀座。液体流中的高压会将球朝着阀座方向推动，从而形成密封。然而，在低压情况下，则可能需要额外力量来确保有效密封。这股力量有时也称为“活动荷载”，来自插入底端螺杆与阀座之间的弹簧或O形环。并非所有球阀都含有这些额外部件，但在不太理想的情况下，比如温度和压力出现波动，这些部件将非常有助于实现精确的阀门关闭效果。在不含这些部件的阀门中，通常依靠过盈配合来提供阀座与球之间的低压密封。对于几次以上的驱动，过盈密封型阀座通常不提供低压气体密封功能。
如果您非常重视精确的测量，并指定使用高端发射器，那么，您的仪表回路将需要同等程度的关注。测量精度取决于发射器精度、仪表回路部件的质量以及安装和维护方法。将您的设备标准化，包括一组核心的仪表回路元件、优质部件和优质发射器，有助于提高您的测量精度。更精确的测量将产生极富吸引力的回报，包括时间、效率和工厂盈利能力等方面。
