李立晓 莫 凡 于 涛 罗先念 周鹏波

（1.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100089；2.吴忠仪表有限责任公司，宁夏 吴忠 751100）

0 引言

核电站、常规电厂系统回路中介质的流量主要由阀门来控制，而调节阀可以连续、精确的调节流量，维持水位稳定，是核电站保障机组稳定运行的重要组成部分。而气动调节阀由于核电站、一般的常规电厂有专门的压缩空气生产系统和储气罐，能提供并能很好的保障气动调节阀的气源，因此在电厂中得到广泛的应用；另外，在气动调节阀上安装一些控制元件，能实现阀门的远程控制，根据机组的状态需要来控制阀门，提高工作效率和故障处理的响应时间。

现阶段，常规岛控制阀的生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多、质量难以保证，原有的产品设计理念和制造模式已经不能满足当下激烈的市场竞争及用户高质量阀门的需求，这就需要我们寻求模块化设计方法和智能制造来进行改进，目的是最大幅度降低成本且最大程度保证质量稳定。

模块化设计是先进制造技术的现代设计方法，是针对一定范围内的不同功能或相同功能而不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，并通过对模块的选择和组合构成不同产品的设计方法。分散且相对独立的模块遵守共同的明确规则，以保证这些模块能够组合成一个完整的系统，并能够随时加入新的模块增加系统功能。动态的模块化设计创造了选择权，缩短了产品生产周期，增强了产品的灵活性和竞争力。从产品的集中设计到模块化分散设计是一种创新，是工业产品的发展趋势。

1 常规岛控制阀的模块化设计

控制阀发展的方向应是控制阀模块化设计以及数字化应用。控制阀模块化设计是遵守从系统结构入手，将整个控制阀系列产品按照功用切分成有限多的通用模块（不变部分）和专用模块（变化部分），各模块独立开发并要求具有更多、更好的性能，优化设计并尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部件，基于大部分部件确定使用通用模块、少部分按用户技术条件选择专用模块，从而快速响应常规岛需求，组合成满足需求的控制产品。

常规岛控制阀可根据各个功能结构和特点，将整个阀门分类为阀体组件、上阀盖组件、阀内件组件、填料组件和填料压盖组件五大部分，常规岛控制阀功能结构示意图如图1所示。加上与之配套的智能控制附件、执行机构和手轮机构，只要把各个组件组装在一起，就能配置与工况相适应的阀门部件，满足所使用的工况条件的需要，模块化划分后，便于生产和组装，可广泛应用于核电常规岛过程控制装置中的各个位置，适用于蒸汽、水等各种工况的调节。

图1 常规岛控制阀功能结构示意图

1.1 阀体组件模块

首先应确定阀体组件模块，因为它是保证与常规岛工艺管道连接、承受介质压力的容器，是阀体壁厚核算、连接栓母布局的重要元件模块。阀体根据工艺管道设计、法兰标准要求，会有不同压力等级、密封面型式；根据介质流向和管道布局，会有直通、角通、三通等阀体形式。对于不同型式的阀体，其连接尺寸除阀体法兰和介质流向不同外，其余可保持一致，但需要注意的是，阀体组件模块的设计应有常压和高压之分。其原因是，随着压力和阀门口径的增加，所需阀体壁厚、杆件强度要求、栓母规格等会有很大不同，压力区分可将阀体整机设计和模具准备在很大程度上趋于合理，可降低阀体组件的成本，而其余功能模块可以视情况匹配阀体组件模块。根据阀体组件模块功能的特点，总结出表1的相关参数，可以匹配装置上需求阀门的安装。

表1 阀体组件模块功能参数

1.2 上阀盖组件模块

上阀盖作为壳体承压部件之一，一般与阀体通过螺栓连接，底部可设计阀杆导向结构，上部承载填料函实现动密封。上阀盖组件应适应阀体组件，有常压、高压和超高压之分，但根据使用工况的要求和不同功能差异，上阀盖组件模块具体又可以分为：常温型上阀盖、高温散热型上阀盖和低温型上阀盖，每种类型的上阀盖主要根据操作介质的温度来确定其具体类型，再匹配适用的阀门公称通径和压力等级就可将上阀盖组件模块确定下来，只需将上阀盖和相应的阀杆更换就可以实现通用互换，上阀盖类型分类如图2所示。

图2 上阀盖类型分类

1.3 阀内件组件模块

对于非平衡式结构的阀门，阀内件组件包括阀芯、阀座、套筒和阀杆等，而平衡式结构又可将平衡套筒、密封件及阀内用标准件等归类为阀内件组件模块。阀内件组件的主要作用是调节流量，其差异在阀芯和阀座类型上，一般根据不同的结构形式主要分类有曲面单座阀内件、套筒单座阀内件、笼式套筒阀内件、平衡式阀内件、多级减压阀内件等，阀内件组件的分类建议用阀门的具体型号进行区分，这也是绝大多数阀门生产商所遵循的规则，不同类型的阀内件组件对应唯一的阀门型号，有助于小批量、定制类零件的管理和生产。阀内件结构的选取主要与工作介质的差压工况有关，根据实际工况的计算结果选择合适的阀内件组件，但对于同口径、同压力阀内组件应设计其互换性，也就是说，除了阀内件组件外，其余几大模块可不用更换，不同结构阀内件互换对比图如图3所示。

图3 不同结构阀内件互换对比图

1.4 填料组件模块

填料组件是保证阀杆处动密封的关键零部件，具有极其关键的作用，密封性能不好导致介质外漏，会引发重大安全事故；而填料数量太多或填料压得太紧，会导致阀杆处摩擦力过大，造成爬行和死区过大现象，严重影响阀门的调节性能。填料根据工艺参数的要求有石墨填料、四氟填料、高温高压填料、高温导热油填料、特殊工况填料等，可根据不同口径、不同压力的阀体，将上阀盖填料函（装填料内腔）处分为四类：常压小口径填料（DN10～DN65）、中高压常规口径填料（DN80～DN200）、中高压大口径填料（DN250～DN400）和超大口径填料（DN450～DN600），在以上每种口径范围区间内，根据介质属性选择合适的填料，即可保证阀门填料的通用性，不同类型填料组件结构如图4所示。

图4 不同类型填料组件结构示意图

1.5 填料压盖组件模块

填料压盖组件是保证填料压紧力的结构，常规阀门的压盖组件结构较为简单，由压盖、压板、栓母及一些辅助密封元件组成；而一些特殊位置阀门或动作频繁的阀门可设计较为复杂的预载结构，具有预载结构的填料压盖组件不仅能保证填料压紧力的均匀性，还可在一定限度内补偿填料磨损带来的风险。其实，填料压盖组件可不必单独作为一大模块来单独设计，一般如果压盖没有特别复杂的结构，在阀门填料组件确定后压盖组件也就随之确定下来了，填料压盖组件结构如图5所示。

图5 填料压盖组件结构示意图

2 控制阀模块化零部件的通用性

模块化设计的控制阀产品需更加深入考虑顾客的需求、成本等诸多因素，不仅以其全新的系统结构、优化的模块部件、简便的计算与选型、高安全性和可靠性、产品紧凑坚固、号型齐全多样、部件通用可换、易于维护检修等方面使控制阀整体功能和性能明显提升，而且其零部件通用性更高，同口径的各个模块组合，最少可组配近十几种不同型号产品（如单座调节阀、压力平衡式单座调节阀等），满足近百种不同工况、不同CV值组配产品，控制阀模块化零部件通用性统计如表2所示。

表2 控制阀模块化零部件通用性

3 阀体组件BOM生成和提取

控制阀的物料清单（Bill of Material，BOM），采用计算机辅助生产管理，首先要使计算机能够读出所制造的产品构成和所有要涉及的物料，为了便于计算机识别，必须把用图示表达的五大模块转化成数据编码格式，然后以数据编码格式来传递制造信息。

阀体组件模块、上阀盖组件模块、阀内件组件模块、填料组件模块和填料压盖组件模块可依据不同的产品型号，通过产品参数导入、产品结构BOM导入、零件基本信息导入生成最终的产品构成信息，就可以保证产品组配与产品结构BOM一一对应。产品参数导入是为了限定对应组件的提取条件，也就是说，各部分组件的提取依据来自阀门的公称通径、公称压力、密封面型式、材质、温度、Cv值等参数，如果参数错误，则不能按五大模块的要求组配阀门BOM清单；产品结构BOM导入是为了确定该型号产品具体的结构组成，如常规岛控制阀就可以按照五大功能模块逐一导入，这也就明确了其产品结构，而其他类型的产品可以此为参考设置不同的功能模块去构成产品结构；零件基本信息导入则明确了某一功能模块详细的零件和数量，包括图号、名称、材质、毛坯种类等信息，这些基本信息一旦给定，制造管理部门（如工艺部、计划部、采购部等）就可以加入具体业务信息，就能够做到数据信息的唯一性，数据共享，统一管理和统一使用。需要特别说明的是，零件基本信息是构成某一型号产品的基本元素，在导入系统之前，是要对零件基本信息按阀门型号和参数进行编制，设定提取条件。图6是以阀内件组件模块为例的BOM清单示意图。

图6 阀内件组件生成BOM清单示意图

将阀门按五大模块划分后，对不同零件基本信息的编制和提取条件的设定，就可以将组成阀门所有的零件归类至五大模块组件中，每个模块组件中所有零件信息的提取条件应该相同，这也就最终确定了某一模块组件的提取条件；各模块组件提取条件确定后取最大公约数，就明确了一台阀门的最终提取条件。各模块及阀门整机提取条件如表3所示。

表3 阀门整机提取BOM参数表

4 结论

（1）高效率：常规岛控制阀通过模块化设计，只要按照阀门选型数据一一输入BOM系统中，就会得到阀门所含的五大功能模块，一个整机的组装零部件明细就可以提出。生产车间可以根据此明细加工或领取相对应的零部件来装配阀门。从设计到装配，每一个环节的时间大大缩短，井然有序，不会混乱，使得阀门制造厂的交货快且品质高，更高效、更快速积极的响应市场的需求。

（2）安全性和可靠性提高：模块化的设计将阀门结构系统实现了优化，各个零部件也进行了改良，使得整机功能和性能明显提升。

（3）部件通用，可换性提高、易于维修：通过模块化的设计，可实现多个零部件通用，如上阀盖部件，所有常压（Class600、HG PN63压力等级以下）同口径阀体、上阀盖等零部件通用；高压（含Class600、HG PN63及其以上压力等级）同口径阀体上阀盖通用。即所有常、高压不同型号的阀体及上阀盖实现通用，不但降低了工装模具数量，而且方便易换，极便于维修，也确保了售后服务第一时间为客户解决问题。

（4）降低成本费用：模块化设计的通用性，会更有利于设备管理和运行维护，并能大幅度减少备件库存数量。对阀门制造厂而言，中间产品数量和库存也将大大减少，型式组合更灵活。

（5）更加环保：由于模块化的设计，很多零部件可通用，可大批量生产所需零件，大批量的生产使得生产总能耗降低10%并且减少了15%的环境有害物的排放。

模块化设计的控制阀对用户来说，会更有利于设备管理和运行维护，并能大幅度减少备件库存数量。对制造厂商而言，工装模具数量将明显减少，中间产品数量和库存也将大大减少，响应市场更快。