氣動與電動控制閥解析及應用

華人世界第一本中文閥門書籍，帶您快速認識及應用控制系統中最難了解的儀控設備。
◎第一本在華人世界出版的中文閥門書籍，深入探討整體工廠控制的重要設備。
◎建立對控制系統中最困難瞭解的儀控設備基本知識，短期內就可豁然開朗。
◎推薦需要從事儀控工程及製程工程的工程師們，這是一本閥門設備必備的書籍。

本書籍內容包含291張圖面及61種材料、應用標準等各種表格。而從圖面你可以透視閥門本體及驅動器內部的結構，輔佐以世界三大馬達閥(Limitorque、Rotork及Auma)的控制迴路及氣動控制閥的配管系統，則在設計、控制邏輯及現場閥門異常的判斷上可以盡速的釐清，找出問題點對症下藥。熟悉本書籍的內容後，你可以依據現場狀況，並對照書內提出的現象及解決方案來消除異常的事件。
本書的目的是要學習者瞭解閥門的特性、結構、配置方式及相關閥門的各種配件，在建立閥門的應用概念及如何計算驅動閥門的驅動力之後，你就可以瞭解如何應用各個閥門製造商的產品，搭配在你的製程中，可以使你的製程最佳化，降低不當的應用，減少你閥門損壞和製程停機的時間。

第一章，各種閥門的功能及應用，介紹各式各樣的閥門型式，及閥門一些基本的規範及法則。
第二章，閥門的專門用語，介紹使用於閥門的專用名詞，以中英對照的方式來說明閥門有關的設備及閥門各種組件的功能。
第三章，閥門的材料，介紹組合成閥門的各種組配件及材料。
第四章，驅動器，本章是以壓縮空氣來驅動閥門為主，詳細說明氣動控制閥驅動器上的迴路設計及搭配的各種組配件。
第五章，馬達閥，介紹電動馬達閥及計算驅動閥門的閥桿推力和扭矩。
第六章，控制閥，本章介紹控制閥Cv的由來及定義、控制閥的特性曲線、控制閥的結構和內部各組件的功能。

★內文試閱：

2.1 球體閥(Globe Valves)
球體閥其外形類似球體，製造成本低，並能夠處理各種各樣的液體和氣體。內部結構造成流體由入口到出口，需經過二個90度的轉彎，其流體壓力降是大於其他形式的閥門。主要是作為調節流量之用，包含壓力、溫度、流量、和液位，是一個高技術及專門處理流體的閥門，扮演著一個流動流體的管制者。其優點是有最佳的關斷和調節特性，缺點如表1所示有最高的阻抗力常數，即最高的水頭壓力損失。
閥門如需要獲得迅速的反應及最佳的控制，在所有閥門型式中，球體閥可控制的閥桿長度是所有閥門中最小的，理論上等於閥座直徑的1/4或更少。
球體閥的選擇傳統上是依據主要基準被決定的，例如壓力及溫度等級、流體流動範圍、及壓力降等，次要的標準包含閥座洩漏、流動特性、黏度、磨損、與腐蝕。作為一個標準球體閥，其高復原閥門能夠滿足製程的條件，但相對的需要考慮孔蝕作用、閃化作用、塞流和環境規定最大允許噪音標準。最後，必須選擇閥門的驅動器，並需要決定閥門的定位器。

2.4 蝶閥(Butterfly Valves)
蝶閥是一種可以用於隔離或調節流量的閥門。其關閉流體的機構是一種盤狀的形式，稱之為閥盤(Disk)。操作方式類似一個球閥，也是利用迴轉式的轉動來阻塞流體。蝶閥一般而言較受喜愛，因為它們與其他閥門設計成本較低，重量更輕，而這意味著需要更少的支架來支撐閥門。蝶閥的閥盤(Disk)被放置在管線的中心，通過閥盤是一根閥桿，連接到閥門的外部的驅動器。旋轉式的驅動器轉動閥盤，平行或垂直於流體的流動。不像球閥，其閥盤總是處於流體之中。
迴轉阻塞式的閥門有蝶閥、球閥和旋塞閥(Plug Valve)等三種，它們也被稱為四分之一轉(Quarter-turn)閥門，使用最多的是蝶閥。蝶閥大部分用於大尺寸管線上的流量控制。蝶閥在功能上有三種型式，每一種的應用適合於不同的壓力和不同的用法。1. 彈性蝶閥，或稱為同心蝶閥，它利用橡膠的彈性，使用於最低的壓力等級。2. 高性能蝶閥，也就是雙偏心蝶閥，使用在稍高的壓力系統，特性是在定位閥盤的方式略有偏移閥體中心線和管線中心線，這增加了閥門的密封能力，並降低磨損的傾向。3. 最適合用於高壓系統的是三偏心蝶閥，利用一個金屬閥座，而能夠承受較大的壓力。下面簡述這三種功能性的蝶閥及圖1-4四種蝶閥全關位置的偏心位置，單偏心蝶閥很少在市場上找到，不在本節討論範圍，最多採用在市場上偏心型蝶閥是雙偏心式或三偏心式：
同心蝶閥(Concentric Butterfly Valves)：此型式的閥門具有一個彈性橡膠閥座與金屬閥盤。
雙偏心蝶閥(Double-eccentric Butterfly Valves)(高性能蝶閥或雙偏移蝶閥)：閥座和閥盤使用不同型式的材料。
三偏心蝶閥(Triple-eccentric Butterfly Valves)：閥座是層狀或固體金屬閥座的設計。

5.0平衡閥與不平衡閥
平衡閥與不平衡閥的差異在於調整構件(Trim)的不同，即平衡閥的調整構件包含閥瓣(或閥塞)、閥籠、閥座及密封件的接液組件，而不平衡閥只有單獨的閥瓣與閥座相配對。
平衡閥上的閥塞必定有流通孔(Disk Vent Holes)，利用這些流通孔使閥門腔室(閥塞上方的空間)壓力與閥塞下游的壓力平衡(相等)，開啟閥門時不需要克服閥門入口與出口之間的壓力差，可以使閥門很輕易的開啟。
平衡閥在關閉狀態下，由於腔室內的壓力與下游的壓力相同，是以必須防止上游流體經由腔室洩漏至下游管線上，在閥套上有密封組件的設計，即閥套密封是由一圈軟金屬材料緊密貼在閥瓣上。洩漏等級的定義是流體由入口至出口之間的洩漏量，洩漏越少等級越高，平衡閥就洩漏方面而言，有兩處需要密封，一是閥瓣與閥套之間的密封，另一是閥瓣與閥座之間的密封，尤其是閥瓣與閥套之間的密封，由於常處在作動的狀態下，密封圈將因頻繁的摩擦而損耗，自然在一段操作期間後就會發生洩漏。所以平衡閥的閥座洩漏等級一般設定為Class III級。

3.0 安全失效的模式及配管系統
閥門安全失效的模式有三種，閥門失效開啟(Fail Open)、失效關閉(Fail Close)、以及失效保持當處(Fail As Is)或失效鎖住最後位置(Fail lock-in-last-position)。馬達-齒輪驅動器先天性就是失效保持當處，而氣動式驅動器及電-液壓驅動器依據製程的要求，及適當的配件的組合，三種模式狀態的任何一種皆可設計。本節主要討論使用最廣泛的彈簧-膜片驅動器和活塞驅動器，以及達成安全失效目標的配管系統。
所謂的失效是指失去提供驅動閥門的動力，在馬達閥方面為失去電源的供應，而氣動控制閥則是失去壓縮空氣的供應。本節主要是談氣動控制閥上儀用管線(Tube)和組件，如何達到閥門失效開啟、失效關閉和失效保持當處。
一般閥門失效開啟和失效關閉，主要是依據驅動器內彈簧的位置來決定，而失效閥門位置保持當處，則需要一個閉鎖閥加入管線上才能達到此功能。

4.3 計算需求的閥桿推力
4.3.1.1 閥瓣和閥桿的重量(F重量)
這個力是由閥瓣和閥桿組成的，在閥桿上產生一個軸向負荷。這個力和其他的力比較，通常是微小的，然而在一些條件下，例如，某些大的閘門和低差壓的應用，此重量就變得重要了。就一個正常閥門的結構而言，F重量對開的閥門是加數的(那就是，重量加到需要開啟的負荷)，而對關的閥門是減數的(那就是，重量減去需要關閉的負荷)。
4.3.1.2 封填墊的摩擦負荷(F封填墊)
封填墊的摩擦負荷是使閥桿滑動通過封填墊所需要的力量，使用於工業上典型的封填墊是撓性石墨，而封填墊的摩擦阻力是依據下列條件形成：
4.3.1.3 活塞效應的力量(F活塞)
活塞效應力量通常也稱“閥桿排除力量”，是被內部流體的壓力作用在閥桿面積所引起的。在球體閥的閥塞上，負荷是結合流體壓力提供成為差壓負荷，是指閥門的差壓力量。球體閥通常不計算此力量，而是以差壓力量來顯現。
4.3.1.4 閘閥的差壓力量
就閘閥而言，差壓的力量是流體施加於閥楔的壓力，即是閥門上游管線壓力和下游管線壓力的差值，這個壓力隨著閥楔的位置而變化。閥門全開的狀態下，上游和下游管線壓力是相同的，差壓是微小的甚至是零。當閥楔接近關閉的位置，流體的壓力快速的增加，差壓在需求閥桿推力的計算中，變成主要的條件。通常此壓力的數值由製程系統給予的，以此製程壓力值作為差壓的力量。
4.3.1.5 密封力(F密封)
閥門對於流體的隔絕，主要在閥瓣和閥座之間的密封力量，為了在兩者表面之間發展足夠的密封條件，需要展開足夠的閥座坐落應力來有效密封，而這個閥座坐落應力是由閥門構件的剛度、材料、閥座表面磨光度、表面硬化硬度和出/入口之間差壓等需要考慮的各種機能。密封力的計算一般是在閥門入口與出口的壓力差為零或幾乎等於零時才需要來計算，這種製程流體的壓力為零的狀態下幾乎沒有，是以通常密封力在閥門計算扭矩或推力時可以忽略不計。

8.1 需求的閥桿推力
開啟或關閉閥門的總推力，使用在閘閥或球體閥組成的推力是不同的。閘閥是由3個推力所組成的，而球體閥是由2個推力所組成的。方程式5-20是以計算此兩種閥門3個力量之和作為基礎，求出總推力之值，再以此值乘以一個操作的安全係數，得出一個可以控制閥門的總推力。總推力除以閥桿因數，得出總扭矩值。比較閥門驅動器製造廠商的扭矩值資料，選擇大於此值的驅動器，即是所需求控制閥門的驅動器。
操作的安全係數在傳統電廠設定為1.25。這些數值的由來是因為推力和扭矩值，精確預測中存在著易變性(Variability)因數，這個易變性因數可依據閥門的設計及閥門的型式而存在著差異。易變性因數包含4種因為機械性能所產生的變化數值。此4種易變性因數說明如下：
8.1.1負荷敏感性(LSB，Load Sensitive Behavior)
一個10%的調整加入到計算需求的推力，這是觀察到測試閥門期間，負荷比率有著多樣化的變化，而這個變化被認為是閥桿螺紋負荷率和潤滑作用特性的合併所產生的效果是有關的。
8.1.2閥桿潤滑作用降低的性能(SLD，Stem Lubrication Degradation)
一個3%的調整加入到計算需求的推力，這是說明閥桿潤滑品質的退化而產生的效應。對於一個給予的扭矩應用而言，這個效應增加了螺紋摩擦係數，造成一個推力的減弱。
8.1.3彈簧匣鬆弛(SPR，Spring Pack Relaxation)
一個3.8%的調整加入到計算需求的推力，這是說明機械材料的老化，造成彈簧匣組件的鬆弛。這是一個彈簧鬆弛測試上界線值的上限值，是作為代表彈簧匣組件的性質。
8.1.4扭矩開關跳脫的重複性(TSTR，Torque Switch Trip Repeatability)
一個5%的調整加入到計算需求的推力，這是說明當扭矩開關已經被設定，且扭矩設定點超過1及扭矩值超過50 ft-lb時，輸出扭矩重複性的誤差值。這個值是藉由許多驅動器的測試而獲得的。
綜合統計上述四種易變性因數的調整值為21.8%，當選擇驅動器的扭矩值時，除了推動閥門100%的力量外，尚須加入這四種易變性因數值21.8%，這是操作閥門開啟和關閉的安全係數必須為1.25的由來。而核能廠1.5的安全係數，是包含閥門因為熱變形(Thermal Binding)效應，造成需要額外的扭力來克服這個效應，是以訂定為1.5的安全係數。

7.0 孔蝕作用和閃化作用(Cavitation and Flashing)
孔蝕作用和閃化作用是一種流體動力的現象，此種現象開始得到認知時，是在二十世紀的初期，當時把它當作一個工程技術的問題。那時期，觀察高速推進器運行時，發現其周圍產生氣泡，而這個氣泡是水產生的汽化，這導致推動效力的降低。這種流體的汽化被定義為孔蝕作用。
孔蝕作用和閃化作用在工業應用中，影響閥門的結構，尤其對控制閥內部結構的型式，及如何來消除孔蝕作用產生氣泡的基本方法。孔蝕作用發生在製程流體為液體的系統中，當閥門內液體通過節流口時，發生局部壓力的變動，當其壓力接近液體的蒸汽壓時，引起氣泡的成長和瓦解，產生局部的衝擊波和液體微射流。假如這個衝擊波和微射流發生在泵、閥門或管線的金屬表面，將會發生嚴重的凹陷和浸蝕般的損傷，此能夠降低設備的壁厚，進而損壞設備。
另外孔蝕作用時常產生高分貝的噪音和強烈的振動，其範圍包含著廣大的頻率。過大的振動能夠鬆脫法蘭的螺栓、損壞支撐管線的結構和破壞製程設備，且這些危險及過大的噪音，衝擊著人員和環境。
閃化作用也是一種液體汽化的過程，類似於孔蝕作用。然而閃化作用不同於孔蝕作用，它的氣泡持續存在，並延伸到閥門下游的管線。因為閥門下游液體壓力仍然處在流體的蒸汽壓或低於流體的蒸汽壓。高流速和雙相態的流體，經由液體產生的蒸汽膨脹，可以引起浸蝕和壓力邊界壁厚的變薄。雖然閃化作用的噪音，通常比嚴重的孔蝕作用少得多，但引起過大的振動與高速的流體流動有關聯。降低流速及使用抗浸蝕的材料，是有效的設計策略，把閃化作用的損傷降至最低的限度。
孔蝕作用和閃化作用純粹是一種液體流動的過程，氣體和蒸汽不會形成孔蝕作用和閃化作用。儘管有二種公認孔蝕作用的種類，當應用到控制閥時，最重要的是蒸汽式孔蝕作用(Vaporous Cavitation)。閃化作用和強烈的孔蝕作用降低了閥門的流動量，通常被製程稱為“塞流”。就應用而言，流動容量或閥門的計算篩選，忽略塞流的調整，將會預測高於實際的流動率，或小於需要的閥門尺寸。

8.3如何因閥門關閉而防止水錘產生的效應
由於閥門引起的水錘有下列二種解決方法：
1.於DCS或PLC系統內，加入延長閥門關閉時間的邏輯。
2.於氣動閥內主管閥門開啟和關閉的電磁閥，將電磁閥結構內讓壓縮空氣通過的孔口(Orifice)，選擇小的孔徑，使空氣填充閥體腔室的時間加長，則閥門關閉的時間即可延長。