一种多功能集成异形组合阀的设计应用

程 路，李 庆

（徐州阿卡控制阀门有限公司，江苏 徐州 221000）

1 概述

多功能集成异形组合阀主要采用的是一种多路组合多通道结构，适用于复杂配液系统、本次设计针对的用户工艺要求就是多管路配液系统，是一个中试装置乙醇项目，安装空间狭小，半米的管道径向空间安装4台阀门，工艺要求纯度达99.99%。这就要求配液的管路不能有死角，管道内无配液残留，因此，常规的组合阀形式及分流合流阀即使做到无管道连接也无法满足用户要求，这就需要各管路阀门高度集成，唯一的办法就是做成几路阀门一体式结构，这就是多路组合多通道结构设计理念的形成。

据了解，目前市场上化学制药配液系统的核心设备中有几种安装形式，用于防止交叉污染，主要是隔膜阀类多通道阀，与本设计在结构理念上相似，可以借鉴，但在功能集成及灵活性上，本设计有强大的优势，如组合阀的调节品质（主要是流量特性），满足高压力等级、高低温的设计，组合的形式多样化等，可以满足不同用户的个性化需求[1]。

本文设计的异形调节阀按控制方式主要有气动控制和电动控制和机械控制三种，其中机械控制方式因操作的不方便性，在本文设计中不予推荐。其结构主要分为阀本体部分和执行机构部分两部分，阀部分结构主要有单座、套筒结构，执行机构主要由执行元件及智能仪表等组成。

具有智能控制系统的多功能异形组合阀在中试装置领域及化工配液系统的高端领域，对于满足介质的无残留、安装空间的局限性及调节控制的稳定性有很好的保证[2]。

2 结构介绍

2.1 异形组合阀结构

因为异形组合阀结构特殊性，其阀体部分多为锻压成型，且根据通路的多少大多设计为长方体，个别需要设计成异形体，方便多通道的合理布局，因为多路组合多通道阀共用一个阀体，机械加工方式与铸造阀门有很大不同，主要通过铣、镗、焊接等步骤来完成。由于多路组合在一个阀体，因此阀内主流道是共用的，因此这种阀门在结构设计上可以达到无死角的要求，从下图1阀体剖面图中可以看到，阀芯、阀座与阀内主流道紧密贴合，特别适用于有卫生要求，纯度要求及阀内无残留要求的场合。

图1 阀体剖面结构图

2.2 常规组合阀结构

一般是由多个单独的阀门，通过法兰、焊接及管道串联或并联混合拼装在一起组合而成，下图2是ASME BPE中提供的常规组合阀门的结构图。

图2 常规组合阀门结构图

常规组合阀门的形式是目前各行业中应用最广泛的方式，究其原因，主要是在满足现有工艺要求的条件下有足够的安装空间，但随着科技的发展，智能化、模块化、集成化是必然的发展趋势，在这种发展方向下，常规组合阀门的使用就会受到很大的限制。下图3是GEA公司宣传册页上所绘制的一个CIP系统的示意图，其中使用的就是常规组合阀的安装形式，在图中可以看到整个系统由好多单个阀门组合而成，此种组合形式要求空间要足够大，且管线连接较为复杂，如果能够满足工艺要求的情况下采用异形组合阀阀设计，基本两台异形组合阀就可以满足要求，将会省掉很大的空间浪费和管路铺设的浪费，异形组合阀组见下图4所示。

图3 GEA公司应用于CIP系统的常规组合阀示意图

图4 异形组合阀外形结构图

3 特点比较

3.1 异形组合阀

（1）由于多路组合多通道阀阀体是锻造而成，加工难度偏大，在加工成本上相对于高一点，但由于多路组合多通路阀共用一个阀体，其在重量和体积上要小的多，这无形中把生产成本降了下来，因此综合计算后，多路组合多通道阀的生产成本是相对偏低的，随着加工工艺的不断进步，相信不久的将来，多路组合多通道阀的加工难度会持续下降，届时，其生产综合成本将会进一步下降[3]。

（2）多路组合多通道阀不受传统阀门的几何结构限制，可以灵活多样组合，可以适应配液系统中的各种工艺要求，因此其灵活适应性比较好。安装所需空间常规组合阀系统结构是很小的。

（3）由于多路组合多通道阀在结构设计上几乎没有死角，因此当不同管

路通过此阀门时，只有阀芯内的微量残液存在，而阀芯的密封性泄漏为零，因此各介质间交叉污染的风险很小。

（4）因为结构设计上没有死角，阀体内腔的清洁度较高。

（5）由于多路组合多通道阀门是智能控制阀门，因此其操作便利性很好、智能化程度很高。

（6）虽然多路组合多通道阀的阀体是整体加工的，但其在结构设计时的柔性度较高，在配液系统的设计工艺有一定改变时，其在内部结构及性能参数上是可以变动的。

（7）多路组合多通道阀门是公用腔体设计，在出现执行机构机械故障、阀门内漏这些情况时，一般是不能被及时发现的。但我们的多路组合多通道阀门配有自研的在线智能故障诊断系统，实时监测阀门动态运行状态，将实时故障传输至总控台，以确保及时排除故障，因此使用多路组合多通道阀门在生产维护上已不再是难题。

（8）异形组合阀是采用锻造一体式的阀体，有效避免了因采用管路法兰、焊接等连接方式而造成的漏点多的问题，安全稳定性高。

3.2 常规组合阀门

（1）常规组合阀门是由单个阀门拼装而成，因此常规组合阀门的材料成本投资较高，导致生产成本比异形组合阀整体偏高。

（2）常规组合阀门的安装需要短管和三通、弯头等管件来连接，而且受到一定的角度限制，因此其安装需要的空间非常大，如果有的配液系统采用模块化设计，且现场的空间有限，则常规组合阀门将不能满足工艺要求，因此其灵活适应性较差。

（3）由于常规组合阀门是由管道、三通、弯头等连接而成的，死角较多，有大量的管路存在，其内部的残液会造成各介质间交叉污染的风险。

（4）由于存在的死角较多，常规组合阀门在清洁性要求上很难达标[4,5]。

（5）在智能化程度上常规组合阀及本文所述的异形组合阀基本一致。

（6）常规组合阀门的扩展性非常的好。在安装、调试过程中，甚至是后续使用中，如果发生工艺变更，组合阀门是最好更改的安装方式。这一优势是异形组合阀欠缺的。

（7）由于常规组合阀门是很多阀门拼装而成，一旦出现机械故障是不能被及时发现的。因此使用常规组合阀门的生产维护也是一个难题。

（8）常规组合阀多采用多个单独的阀门通过法兰、焊接及管路连接而成，跑、冒、滴、漏现象无法避免，存在很大的安全隐患。

3.3 异形组合阀及常规组合阀系统的各种优缺点比较

见下表1。

表1 异形组合阀和常规组合阀比较

4 多功能集成

（1）异形组合阀可以实现多个进出口任意的组合，可以在工艺要求改变时，实现进出口的切换。

（2）不同Cv值及流量特性的任意组合，也就是说根据工艺要求的需要，在一个异形组合阀上可以做到多个Cv和流量特性的组合使用。

（3）可以实现任意一个通道的随时关停和开启，且其它通路不受影响。

（4）根据工艺要求，可以实现不同阀型的组合，比如单座阀、笼阀及软硬密封等各种阀型的集成。

（5）可以实现各通路不同作用方式的组合集成，即一台异形组合阀上可以有气开（电开）、气关（电关）的组合。

（6）在工艺有需求的情况下，可以将流量计、液位计集与一身，实现多功能操作。

（7）可以作为一个终端集成控制系统，总控台过来的信号通过这个终端集成控制系统后，按出厂设置好的控制程序，分别自动控制每个支路的阀门开关及调节，减少总控台的操作工作，实现真正意义上的智能控制。

5 结束语

综上所述，异形组合阀虽然在各行各业的配液系统中会应用越来越广泛，但由于其工艺要求的局限性，在更广的范围内使用还需要进一步探究，随着科技的发展，异形组合阀将会在更多领域实现应用，尤其是要求阀内无残液、无死角，配液系统较复杂，安装空间比较有限，对调节精度要求比较高的场合，异形组合阀有很大的优势，是最优先考虑的设计方案。

图6 异形组合阀投入中试装置配液系统使用