图1  工艺仪表管线包括工业接口阀（PIV），脉冲管线和接头，阀组和传感器。

不管测量原理是什么，输出量的质量和测量结果的可靠性依赖于测量设备输入量的质量。从工艺接口阀的流体密封功能到仪表脉冲管线的防泄漏无螺纹连接以及保温性能，再到阀组的高度可靠的关闭，生产车间内对用于仪器仪表连接的流体系统组件的要求可以说是最苛刻的。

目前，中国的流体系统行业（包括化工/石化，炼油，石油和天然气）面临各种挑战，例如不断增长的运营支出，激烈的市场竞争以及一直在延续的、全球经济衰退过程中的需求减弱和供应过剩。所有这些挑战要求提高化工行业的工作效率。为了应对这些挑战，全世界许多公司都在利用仪器仪表和控制技术的发展和提高来优化生产车间的效率。这些技术进步主要体现在更先进的电子元件，这些元件可以提供更加精确的测量和更快的控制算法，进而增加产量并且大大提高良品率。

工艺仪表管线——从“取样口到变送器”包含许多组件，每个组件都有专门功能（参见图1）。仪表管线必须作为一个整体进行工作，而不只是不同组件的集合。任何单一组件出现故障，都会对整个系统和数据造成不良影响，继而可能导致系统流体损失，产品不符合要求以及停工支出。

对流程工业设计人员和工程师来说，技术的不断进步使得变送器越来越重要。工程师有必要花些时间对变送器进行评估和选择，然而可靠的测量结果依赖于整条仪表管线。对流体系统组件的正确选择可以构建运行良好的仪表管线，进而有利于利润增长。对流体系统组件的不重视意味着在变送器上的投资具有相当大的风险，并且系统和数据也很可能受到不良影响。

工艺接口阀

工艺接口阀（PIV）或取样口是流体从工艺管线到仪表管线所经过的第一个阀门。历史上PIV一直选用闸阀，这是一种需多圈旋转的单一阀门，外部螺栓和三通结构可实现在线重装填料。目前，闸阀仍然被生产且应用广泛，很大一部分原因是传统和习惯使然。然而，由于单端截止阀的固有限制，客户开始由这种单端隔离阀转向更高级的PIV—双关断排放（DBB）结构。

图2  与分立阀门组合结构相比，紧凑型DBB结构阀除了具有无泄漏连接和更高的安全性之外，还具有许多明显的优势。

DBB结构包括两个隔离阀及位于两者之间的排放阀，这种结构消除了维修时变送器上压力聚积的可能性，从而使系统更安全。在只有一个闸阀的情况下，泄漏可能 、并且确实经常发生，导致压力聚积。在正常运行时，DBB结构阀的两个隔离阀打开，排放阀关闭，使变送器能感知压力波动，测量压力变化。

然而在维护时，变送器上一定不能有任何压力。要想在变送器上实现零压力，通常的作法是用一个仪表阀组将变送器与管线压力隔离开。当需要维护阀组或脉冲管线时，DBB结构工艺接口阀是最好的解决方案。维护时首先将一根排放管的一端连接到DBB结构阀的排放阀，另一端插入到一个接收容器内。然后技术人员先关闭离工艺管线最近的第一个隔离阀，再打开排放阀。管线压力通过已经打开的第二个隔离阀以及排放管释放到接收容器内。这一过程的另外一个重要作用是确保没有流体泄漏到环境中去。

然后，第二个隔离阀被关闭以确保脉冲管线上压力为零。如果第一个隔离阀发生泄漏，第二个隔离阀会把流体截住并强迫其通过打开的排放阀排放出去。这种对流体的冗余控制对于维护仪表管线组件的技术人员来说是一个很重要的安全考量（维护人员的安全依赖于没有意外的压力聚积）。维护变送器时最安全的做法是使用阀组和DBB结构阀实现零压力。尽管双关断排放阀可以由三个单独的阀组成，但是紧凑型DBB结构阀的出现已经改变了工艺仪表的发展前景。紧凑型DBB结构阀在一个独立的装置内集成了三个阀门。与分立阀门组合结构相比，紧凑型DBB结构阀除了具有无泄漏连接和更高的安全性之外，还具有许多明显的优势（参见图2）：

■泄漏点少；

■可灵活配置具有不同尺寸孔径和法兰连接的产品；

■尺寸小，重量轻，降低仪器仪表系统支撑结构的需求及成本；

■降低成本；

■安装更简单、便捷；

■为了兼容特定的管道系统设计，有多种压力等级和材料可供选择；

■防火设计并通过了相关测试。

紧凑型DBB结构阀起源于上世纪80年代在北海上的海洋石油天然气行业工作的英国工程师，他们面临的需求是减小分立阀门组合结构的体积，减轻重量，并减少泄露点，DBB结构阀应运而生。这种技术后来被“移植”到陆地上，因其优点在陆地应用中广受重视。和亚太地区一样，欧洲地区开始广泛采用这种技术。在美国闸阀继续占统治地位， DBB技术的推广速度比较慢。对美国公司来说，从最新的工艺接口阀中受益的机会很大。

球阀和针形阀

在“经典”的紧凑型DBB阀中，两个隔离阀是球阀，排放阀是针形阀。球阀的大孔径设计降低了流体堵塞的潜在可能性，并且使这种结构在高粘度流体中的应用更加有效。正因如此，经典的DBB结构阀被越来越广泛地用于上游产业链中，例如在石油和天然气开采领域。相对而言，单法兰（另外一种紧凑型DBB结构阀），是可以提供的体积最小的双关断排放阀门，它在一个单独的法兰内集成了三个针形阀。针形阀孔径较小，更适用于轻质的且不太粘稠的流体及碳氢化合物。对于下游产业链来说，例如化工和精炼行业，单法兰是最好的解决方案。

最好的DBB结构阀采用了高度可靠的密封技术，所需要的维护微乎其微，并可以有效防止外漏以及内漏。目前有几种技术可以用于DBB结构中的球阀和针形阀：其中一种用于针形阀的技术的是在关闭时不会旋转的球形阀杆尖。在这种情况下，球形阀杆头可以在所有平面上自由旋转，而不会被迫与阀杆一起旋转。当球形阀杆头随着阀杆一起旋转时，如果将阀杆头和阀杆做成一体的固定球形阀杆头，阀杆头可能会磨损并划伤阀座。划伤阀座会使其受到损坏，在重复咬合后通常会导致泄漏。相反，由于球形阀杆头在与阀座咬合后不会旋转，所以保护了阀座的完整性。

图3  阀组包括三个针形阀，提供隔离阀和平衡阀功能以便进行正确的现场校准。

一些非旋转或“可控的”球形阀杆头进一步采用了针形阀的技术。一个典型的球形阀杆头是一个可以在所有平面上“不可控”地旋转的圆球体。每次球体与阀座咬合时，球体上都会留有一条“密封线”，即在球表面形成一个环形的凹痕。由于球体可以在所有平面自由旋转，每次阀门关闭时球体表面上不同的区域与阀座咬合，因此在球体表面形成许多交叉的“密封线”。阀门的完整性在密封线的交叉点处有所损坏，此种情况被称作“线密封损失”。

如果球形阀杆头只有一条密封线，在每次阀门关闭时与阀座进行咬合，那么线密封将不再有损失。可控球形阀杆头可以实现这一点。除了在顶部有一个平面之外，可控球形阀杆头是球形的。此平面可以控制球形阀杆头绕中心轴在唯一一个平面上旋转。这些特性使阀门性能优异，可以为客户提供稳定可靠的线密封和可重复的无泄漏关断。

对于针形阀来说，另外一个要指出的特征就是填料位于螺纹下方，因此当阀门打开时系统介质不会因为与螺纹接触而造成腐蚀或阻塞。也可以选用加工硬化或冷轧的螺纹，以提高强度、使操作顺畅以及延长寿命。

另外，高质量的针形阀中有一个两件式的肘形连接，位于填料上方，因此不会与系统介质接触。此设计提供一个非旋转式针形阀杆头。与可控的非旋转式球形阀杆头相类似，非旋转式针形阀杆头或“V型阀杆头”不会随阀杆旋转导致阀座的损坏性磨损。相反，V型阀杆头只在轴上上下移动。阀杆头与阀座咬合的位置合适并且始终保持不变，从而可以获得高度可靠的密封。总之，当指定使用DBB结构针形阀时，非旋转的V型阀杆头和可控的非旋转球形阀杆头是最好的选择。

和针阀一样，在选择球阀时新技术也可能是更好的选择，例如球阀阀座的设计就有了进步，具体来说是在如何将压力作用于阀座方面。球阀密封可借用流体对球体的压力来实现。

同时需要其它力量来补偿温度和流体压力的变化。此压力源于阀座设计时额外增加的零部件。一种方法是采用活动负载阀座。

活动负载阀座设计或采用一个带弹簧负载的阀座，或在端部螺栓和阀座之间插入弹簧或O形圈。在系统压力很高的情况下，球体被推向下游，挤压下游阀座从而形成密封。在系统压力较低的情况下，活动负载阀座由自身弹力推动球体以补偿系统压力从而形成密封。

DBB结构球阀的第二个进步是活动负载阀杆密封，也被称作唇式密封。在这种设计中，装在PTFE容器内的弹簧代替了传统的易磨损的阀杆填料。弹簧持续不断地提供侧向力，保持对阀杆的一个正向密封（这在系统压力较低的情况下是一个非常重要的考虑因素）。另外的好处是减少所需的操作扭矩，提高性能以及补偿填料磨损。

脉冲管线和接头

仪器仪表回路中一个很关键的部分就是脉冲管线，它将工艺接口阀连接到变送器上。理想情况下，脉冲管线应该将工艺流体的工艺条件一成不变地传递到变送器上。流体中的任何变化都会引起偏差导致错误的测量结果。一般来说脉冲管线需要隔热以确保工艺温度不变并防止凝固。温热流体在脉冲管线中冷却后可能会导致冷凝，这会对测量结果造成不良影响并增加额外的维护。

一种将脉冲管线隔离保持流体温度的方法叫现场伴热。现场伴热是一项艰苦、耗时且成本很高的、在工厂现场完成的工作，需要手动隔离脉冲管线，通常需要加保温套，或用保护壳将其覆盖住。有时，现场伴热需要在脉冲管线旁伴行蒸汽管线或包裹电热带。

与现场伴热相比，经过预隔热包裹的管道对于那些需要对工艺流体进行防凝结保护、温度保持以及节约能源的仪器仪表应用来说是可预测、可重复、成本低且易维护的解决方案。与现场伴热和隔热系统相比，预隔热管线安装更快捷并具有更加稳定可靠的热性能。这些产品由合适数目的短管组成，每根短管裹有隔层并置于粗糙的聚合物隔热体中。可以主动加热管子的隔热层，也可以不加热，此外所提供的附件可用于防止湿气从两端渗入隔热层。

另外，这种经过预隔热包裹的管道可以做成蛇形管，这样可以减少机械连接的数量。减少脉冲管线上的连接有许多好处，因为连接越少泄漏的机会越少。对于阀来说，连接接头处的外漏是工艺仪表回路的精确性的一个主要负面因素。除了每年会导致大量金钱浪费之外，泄漏会削弱变送器给出精确的、有代表性的工艺数据的能力。

当必须使用卡套管接头时，选择高质量的零部件非常重要。卡套管接头技术一直在不断发展。双卡套接头是设计上的一种选择。前卡套进行密封，后卡套抓紧或固定住卡套管。然而，不是所有的双卡套接头都是相同的。已有的设计采用不同的方法抓紧卡套管。有的设计利用卡套咬入卡套管表层进行抓紧，这会削弱管子的强度；而有的设计是通过卡套与管子大面积的接触来抓紧并固定卡套管。

咬入式卡套的抓紧主要是在卡套管上形成一个凹痕。此凹痕会导致一个不完全支撑的应力集中点，如果连接暴露在振动环境中，此应力集中点会削弱卡套管抓紧并导致其失效。理想的双卡套接头连接应同时具有平稳的绞链夹箍（非弯曲）作用。卡套与管子之间更直接的接触以及卡套凹痕后的抓紧支持增强了卡套管抓紧的可靠性。这种连接也减少了振动的影响或者说增强了卡套管接头连接的抗振动极限。

这些非常小的元件可以提高也可以削弱测量结果的准确性。能够正确地选择卡套管接头的系统设计人员在建立无泄漏仪表管线方面已经迈进了重要的一步。

阀组

到目前为止，在仪表管线内，任何一个影响测量性能的因素都与泄漏相关。另外，阀组本身会直接影响测量的质量。在仪表回路内，阀组是最为关键的部件之一，然而粗糙的制造工艺和不足的质量控制措施会导致阀组质量低下。

例如，毛刺和其他生产的碎屑可能会影响阀组内阀的隔离效果进而会影响到校准，因而导致读数错误。先进的生产工艺，例如热除刺和100%测试，可使用户相信所采购的阀门具有高可靠性，可以在苛刻条件下应用，能够提升其在仪器仪表上投资的价值。

对于标准的差压变送器来说，三阀阀组提供了隔离阀和平衡阀功能，以便进行正确的现场校准（参见图3）。至于工艺接口阀，阀组的密封可靠性非常重要。

阀组中的两个隔离阀和一个平衡阀均为针形阀。常开隔离阀在校准期间是关闭的。常闭平衡阀在校准期间是打开的。此程序确保变送器在零压力下“清零”并且进行校准。

校准后，平衡阀再次关闭，隔离阀打开。如果此时平衡阀内漏，高压会排放到低压管线。其结果就是错误的差压测量，反过来负面影响流量控制。仅阀组中平衡阀的微小泄漏就足以使变送器的技术优势荡然无存，而这些优势往往是用户选择该变送器的原因。因此用户应该选择由针形阀组成的阀组，针形阀应该具有之前描述的特征，特别是无旋转针形阀杆头或可控的球形阀杆头设计。

变送器

变送器是产生作为控制系统输入的电信号。现代变送器可以提供许多不同的电子信号，例如标准模拟输出（4~20 mA），复用数字输出信号（HART），和现场总线设备。适合的变送器可以顺利地被整合到符合特定应用的控制方案中。

最近几年，现场总线设备已经赢得了很多关注，然而，标准模拟控制方案在今天的流程工业中仍然占主导地位。标准4~20 mA 变送器可以提供工艺流程状态的代表性数据，能很容易地集成到控制系统中，并且对定制化（例如I/O卡）的需求非常少。

具有HART功能的变送器除了提供主要的工艺变量信息外，还提供辅助工艺变量信息，例如诊断和历史维护等。具有HART功能的变送器通常都需要特殊的I/O以便复用数字输出信号能够为控制系统所用。HART的先进特征使用户在获得许多数字通信协议带来的优势的同时兼容传统的4~20 mA设备。

基于现场总线的变送器使用真正的数字通信协议，无需在变送器和控制系统之间安装单独的双绞线。变送器和控制系统之间以及其他基于现场总线的组件之间可以直接通信，这有助于减少仪器仪表回路中所需导线的数量。除了有与HART相似的先进功能之外，现场总线设备还具有许多其他优势，如安装成本低，诊断和远程询问较少以及点到点控制功能。

变送器的正确安装十分关键。生产车间所有人应对安装位置和应用细节给予充分考虑，防止影响其性能。要着重考虑的因素为振动、温度和设备接近性。一些传统的变送器/阀组安装支架可能会松动并将整个仪表的重量转移到仪表连接上去。一个有效的解决方案就是采用无螺纹仪表回路理念和坚固的变送器安装设计来减少振动效应。当用户将仪表回路中的螺纹连接降低到最少时，一定会看到这样做的优势所在。

供应商考虑因素

如果用户选择的供应商能够提供如下专业服务，生产车间所有人会受益匪浅：

■能够组成从取样口到变送器的完整仪表回路的成套组件（包括工艺接口阀、集成管束、阀组和变送器单元以及接头）；

■计算机辅助设计（CAD）模板可以被直接整合进用户的电子设计系统，帮助对流体系统组件和仪表线路进行设计。CAD模板加快设计速度，方便设计流程并且可以节省成本；

■本地化的销售和服务中心能够提供完善服务；

■为每个用户量身定做的安装培训，旨在提高工作环境的安全性，提高生产率，帮助设备使用人员了解最新的流体系统技术。

结语

现今的流程工业面临着日益增长的竞争和挑战，必须要有一条性能卓越的工艺仪表管线。尽管变送器是系统的关键部分，设计人员和工程师需要了解测量的质量同样依赖于仪表线路中的流体系统组件。必须仔细选择工艺接口阀，脉冲管线和接头，以及阀组，因为变送器主要是靠它们产生的输入信号进行测量。从取样口到变送器，工艺仪表管线直接影响到生产车间的盈利能力。

作者简介

自2002年加入世伟洛克公司以来，Bill Menz一直与授权销售、服务网点和最终用户紧密合作了解市场趋势，寻求增长机会，了解新产品需求以及世伟洛克公司分析和工艺仪表产品的应用情况。在于2006年被任命为世伟洛克现场工程经理之前，Bill是负责世伟洛克分析仪器及工艺仪表市场的专员。在Rosemount Analytical工作的13年中，Bill担任过工程设计和市场方面的很多职位，积累了丰富的工作经验。Bill的专业特长是取样系统设计。Bill毕业于辛辛那提大学（University of Cincinnati），获得了化学工程学士学位。