从工程与安全的角度看ESD阀的需要(二）
日期：2009-5-26 21:27:15 来源：中国工控网
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从工程与安全的角度看ESD阀的需要
摘要
为满足ESD阀理想的可用性，已经设计了不同的工具。部分阀行程测试、阀-执行机构特征曲线、测试间隔（TI）在工业中是常见的。然而，没有既包括工程也包括安全方面的ESD阀的工业标准。ESD阀及其执行机构的设计随着操作员的不同而不同，有时，同一个操作员在设计不同的工艺时，也不相同。本文致力于解决ESD阀的常用工业标准。
关键词
紧急关断阀（ESD阀）、安全仪表系统（SIS）、安全仪表功能（SIF）、测试间隔（TI）、最大关断差压（DP）、资本支出（CAPEX）、部分行程、按要求的故障概率（PFDavg）、动态扭矩、扭距安全余量、过程危险分析（PHA）、危险源和可操作性研究（HAZOP）、失效模式、效果和诊断分析（FMEDA）
阀安全因数与执行机构-阀扭矩安全余量(Ref 1)
除了差压，阀的扭矩也是应用的一个功能，例如，处理的流体，使用的阀座的类型。不同的阀厂商在扭矩计算上使用不同的阀安全系数。没有可用的标准或出版的数据来决定安全系数。太多的保留值导致过大的尺寸。在设计阶段应确定阀的安全系数。阀厂商不应增加额外的费用了。
从本质上说，需要考虑这些安全余量，记住：不管工艺条件，阀应在产品的生命周期中平稳地运行。
根据各种阀扭矩值、最小的供给压力和执行机构-阀扭矩安全系数余量选择执行机构的尺寸。考虑执行机构-阀的安全余量来满足生命周期的扭矩要求。工厂运行要求ESD阀长时间保持在当前的位置（全开条件下），这导致了灰尘累积和内部的磨损。
另外，很多最终用户都说所有的开/关阀都有相同的安全余量，而不管是何应用。能为油气行业定义三个不同的安全余量的应用。它们是一般功能（150%的安全余量），保护功能（200%的安全余量）和特殊功能，像主阀（250%安全余量）。某个操作员设置300%的安全余量。
对小尺寸的阀来说，例如50 mm NB，由于在物理尺寸或阀的设计上的限制，它很难，并且有时也不可能考虑200%或250%扭矩要求。对这些案例来说，更大尺寸的阀，例如，80 mm NB，可应用于50 mm NB的管线，从而充分地匹配扭矩值。
在海上平台，特别是井口平台上，空间限制与结构负载是最关心的事项之一。未被证明是正确的安全余量不仅增加集成件的尺寸和成本，也将导致特别大的执行机构，从而增加了平台结构的额外负载。
高扭矩安全余量，执行机构的最大扭矩输出可以超过阀的MAST（可允许的最大轴扭矩），也许需要更大尺寸的型号（更大强度）或可以通过在执行机构管线上放置一个安全阀来实现额外的保护。
阀扭矩计算
让我们计算气提流程管线工艺上的阀扭矩值。使用Cameron阀公司提供的在线工具完成扭矩计算。
图3 阀扭矩值
基于以上扭矩值，以下是在各种压力与安全余量的情况下堵转棒轭执行机构完成的一项尺寸差异的比较性研究。
选项(a) 1.5x安全系数
这个数据表明：每种阀大概有2500到3000的价格差。如果工厂恰好有50个ESD阀，并且所有的阀都是根据发兰额定压力来选型的，其他总成本是15000。另外，每个操作员都想要部分行程设备，这也将增加额外的成本。
和阀安装在一起的执行机构机械装置的类型
机架和小齿轮（RP）VS 堵转棒轭(SY)
对油气行业的大多数操作员来说，Scotch 和Yoke执行机构已经得到实际应用。首先，由于大尺寸的ESD阀要求大扭矩和适合安装在海洋环境中的执行机构的建造材料，概念已经被演化。从历史上看，SY执行机构的外壳是用碳钢的或易延展的铁造的，RP执行机构通常是铝制的。在海洋环境中由于明显的原因——腐蚀效应，是不推荐使用铝的。然而，现在RP可以使用铸铁阀体。
如果最大扭矩和阀体都满足标准，就能使用RP来代替SY执行机构。例如，对低扭矩要求的更小尺寸的ESD阀来说，RP执行机构也许是紧凑的和性价比高的解决方案。
从商业可用的RP执行机构来说，典型的最大输出扭矩为40 lb.in，而SY为60 lb.in。不是所有的ESD阀都需要如此大的扭矩值！
厂商声称：在同等尺寸上，堵转棒轭传动机构在有效性方面比机架和小齿轮高30%。在其他参数不变的情况下，如果说SY比RP的性价比更高，更有效，那么机架和小齿轮技术为什么在工业中仍然存在呢？
从本质上说，输出扭矩并不是执行机构类型选择的唯一的决定因素。对更小的尺寸来说，必定有某种合适的选择机制。对更小尺寸的阀来说，如果其他条件相同的话，RP的性价比可能是高的。
从理论上看，RP执行机构具有线性扭矩的特点，而SY执行机构具有非线性（下垂）的特点。
在RP和SY机械结构的相对扭矩的概念中存在一些误解(Ref 4)。据说是SY执行机构比其他任何执行机构产生的扭矩都大。执行机构的输出扭矩应满足阀的扭矩要求。同时，特殊执行机构的输出扭矩依赖于汽缸的类型，例如，单通还是双通。对SY双通汽缸来说，行程末端的扭矩（突变扭矩和复位扭矩）比中间行程的输出扭矩大，然而，执行机构的输出扭矩在行程中都是不变的。对单通执行机构来说，复位扭矩可能比中行程的扭矩小，同样，也可应用于RP。
SY输出扭矩可能是阀扭矩要求的代名词，即SY能产生更大的扭矩，无论何时在行程的末端要求时。
当选择机械类型时，应考虑以下几点：
l 阀扭矩的要求
l 阀体的材料
l 相对成本
单通（SA）VS 双通（SA）
气动弹力返回的执行机构通常被用于ESD阀。然而，这种选择产生了已知扭矩要求的最大尺寸的执行机构。双通执行机构比弹力返回的执行机构更便宜、更轻以及更紧凑。然而，当在弹力返回和双通执行机构之间进行比较时，双通执行机构需要考虑备用的供气缸和更复杂的控制。备用供气应有足够的容量来为三通阀供气。
各个操作员的方法都是不一样的。然而，在选择特殊的执行机构时，没有明显的标准。
图4 DA执行机构曲线
图4 SA执行机构曲线
G4120-SR2压缩行程的输出扭矩——72.5 barg CCW
典型的扭矩曲线
动态扭矩规范（Ref 1, 6）
在HAZOP评论中，一个著名的指导词是“高流动性”。如果主要的管线突然中断，就发生了“高流动性”。然而，在阀的设计中，是极少考虑这种现象的。这种情形可能在穿过阀时引起非常高的压降。在选择阀和执行机构的尺寸时，极少分析和考虑这种压降的条件。这将导致部分行程的速度高以及复杂的动态力，这个力是在阀内和阀关闭的组件上产生的。由于这个动态条件，声速流、旋涡/防波堤效应、气穴、闪烁等都是可能发生的。阀径上的合力是可以突然变化的。这可能帮助阀关闭或阻止阀关闭。更需要注意的是当ESD阀用于主管线和输出管线时。
最重要的事是这些扭矩的数量级在安装的执行机构的额定容量内。在失控或最差的条件下，安装的执行机构仍能实现其功能，这是至关重要的。
对于ESD阀及其执行机构的动态运行来说，通常可能会在以下几点上争论：
1. 由于这种复杂的方案，阀的扭矩特点受到影响的程度？
2. 阀的打开/关闭方向怎样？这种方案减弱或加强阀的打开/关闭吗？
3. 由于动态效应，关闭/打开速度受到影响的程度？
4. 这种效应产生的力将达到机械临界值吗？
5. 力是怎样随阀的尺寸变化而变化的？
6. 流体类型及流体条件的影响是什么，即多相流体、密度、粘性等。
7. 由于这种效应，阀座/密封材料受到影响的程度？
按照可用的数据，美国的Kalsi Engineering公司（Ref 6）完成了测试——直角回转气动阀的动态扭矩模型。在测试中，球阀的动态扭矩特点如报告所示。代表性的曲线如图5所示。从结果中可以看出，很明显，动态扭矩的特点与静态扭矩的特点在很大程度上是有差异的。这可能给操作员、厂商和设计承包商考虑ESD阀的动态扭矩要求带来提示。
图5 球阀的动态扭矩特点
ESD阀开关的时间——设计与安全问题（Ref 1）
在要求的条件下，快速关闭是所有的ESD阀尽量避免的。然而，阀关闭/打开时间对阀的设计、附件、可靠性及其管道都有重要的影响。应根据工艺要求选择最大的行程时间，而不是通过特殊的阀门或执行机构来实现。
快速关闭/打开可能损坏阀的内部结构，阀的可靠性将受到影响。为满足阀的关闭时间，不应妥协管道的可靠性。
快速关闭/打开可能导致相关管线上的浪涌或瞬变。在设计阶段应考虑快速关闭/打开的影响，也要考虑每个应用的管道几何/运行细节。当选择完阀后，通常忽视了浪涌效应。应完成相关的管线的浪涌分析。由于浪涌效应，小管线比大管线更容易受到损坏。
很多研究论文和案例研究都已经提到了阀的快速关闭产生的浪涌效应。简而言之，分析显示按秒计算关闭阀的时间一定比上游管道（浪涌波的反应点）的时间长2倍。管道越硬，阀关闭的越慢，因为管道弹性影响压力能量（从流体动能转换）被吸收的程度。
另外，每个阀的制造商都应完成阀的有限元分析和CFD分析从而确保阀在要求的关闭/打开时间内的完整性。每个厂商也应在出厂验收测试（FAT）中验证关闭/打开时间。
作为标准的应用，关闭速度被视为公称直径每秒移动的距离。某个操作员规定22”的球阀应在5秒内关闭，在5-30秒内打开，打开时间应是可调的。这增加了非标准的气动附件，也需要大量的空气。
对气体管线来说，在为执行机构选型时，应考虑由于在必要的阀关闭扭矩上的Joule-Thompson效应造成管线破裂而导致的低温效果。
对ESD阀来说，快的打开速度通常是不必要的；事实上，有时想要它缓慢地打开。阀的快速打开和快速关闭都能引起很多损害。执行机构的尺寸可能增大来满足必需的关闭和打开的力。
气体从汽缸排气的速度决定了快速关闭的速度。应使用合适的快速排气阀（QEV）来实现这个功能。然而，为了理想的流量系数（CV）而选择的QEV在满足关闭时间上变得困难。每个执行机构厂商都想看见一些阀运行的最优速度的标准。
阀的快速打开是根据气体供给执行机构的速度来克服弹力。从本质上说，它依赖于导向阀、电磁阀和气体过滤器的流量系数（VC值）。为满足快速打开，需要在短时间内为执行机构供应大量的气体，这可能增加大量的非标准的附件，也许不得不为执行机构提供 1” NB 到 1.5” NB的管道，也许需要小型的压缩机来满足大量气体的需求。
由于执行机构的快速运行，必须彻底研究执行机构电路的动态响应。从理论上讲，厂商应确保发布的扭矩值与弹力率不应有偏差。
变速机构，在需要避免阀太快关闭而造成浪涌的地方，执行机构应包括速度控制设备。
问题是具有不同运行时间的相同的ESD阀的“可靠性”数值是否相同。通常，这是设计相关的问题。然而，具有不同运行时间的相同的阀不能赋于相同的“故障率”。失效模式、效果和诊断分析（FMEDA）应把运行速度作为阀故障的失效模式。由于过快的速度导致的故障可能带来一些“危险的故障”，从而损坏阀座、阀的密封、阀杆甚至执行机构。对这种故障模式的现场故障数据的期望也许是太冒险的。很明显，由于这种故障模式专用于特定应用，所以它不能适用所有的应用和压力系数。
执行机构供应线上的安全阀——执行机构电路上最差的链接
为提供有竞争力的价格，所有的执行机构厂商都试图降低执行机构的尺寸。一种相同的方法是通过限制执行机构的机械强度，这可通过在供应管线上放置一个安全阀实现，也不允许对执行机构进行最大供压。
有时，已经选择执行机构的型号，在最大供气压力的情况下的扭矩值可能超越安全阀要求的阀MAST。设定点应比MAST谷值低。一直在最小可用的供压情况下计算执行机构扭矩，从总体上降低供气的跳闸设定压力。如果压力波动的话，要求避免阀进入理想的故障安全模式。同时，无论是否有空气过滤调节器（AFR），执行机构都应能承受最大的供气压力。
从理论上讲，如果能保证空气质量的话，对ESD阀来说，AFR是不必要的，根据最小的供气压力（用于扭矩计算）和最大的供气压力（用于机械强度）计算执行机构扭矩。某个操作员避免使用AFR。然而，AFR通常广泛应用于执行机构的供气电路中。如果执行机构没有设计能承受最大的供气压力，需要在供气管线上安装安全阀。安全设定压力应比执行机构的MAWP低。在某些案例中，AFR与完整的卸压设备安装在一起。
在设计阶段，通常忽视了这些压力安全阀。执行机构厂商从来不提供小安全阀的尺寸计算，假定它仅仅是一个管状的组件，类似于水管线的放热。这些阀从来没有写进操作员和维护人员的日记，因为它们不是常规的安全阀，没有为这些阀设定测试间隔。如果阀的出口由于灰尘累积被堵塞的话，执行机构回路上的压力可能超过可接受的值，能导致大的事故。
当实现回路的安全分析时，应考虑以下原因：
l 管线最大压力的发生
l 空气过滤器调节器故障
l 安全阀故障
图4安全阀回路示意图
虽然所有的原因同时发生是不太可能的，但是在执行机构的FMEDA分析中，应该解决相同的问题。
部分行程，阀-执行机构特征曲线和测试间隔
对所有操作员来说，部分行程测试设备已经成为ESD阀的健康处方。部分行程测试的目的是检验ESF阀在机械上是否是足够健康的，从而能在实际的工艺要求时能关闭。具有部分行程设备，也增加了PFD值和SIL等级。（Ref 5）
从制造出来就能跟踪阀和执行机构的“扭矩特征”。在阀的出厂测试中，应记录初始的“扭矩特征”。同样，在调试中需要重新检查从而确定蒸发和安装中的损坏。“扭矩特征”曲线，在阀的生命周期中都可以跟踪扭矩的变化，这可能帮助分配或预测阀的部分/全部行程或替换阀。需要注意的是，很多操作员仍利用复杂的局部行程设备，具有局部气动测试面板甚至引进简单的远程部分行程设备，该设备可从控制室得到。除了测试中昂贵的人力要求，这种方法还有个缺陷。在测试中，不能关闭ESD阀，阀被忽视而保持开状态（10%关闭）。
部分行程可以确定与以下有关的故障模式：
l 阀的运行速度
l 由于灰尘累积，气门粘着
l 汽封漏气
l 气动回路通过装置泄露
l 由于绞死效应，弹力K系数变化
l PVST后，可以消除冗余旁路阀的要求
主要的问题是即使执行机构在生命周期运行中选择高扭矩的尺寸，在调试阶段冲洗中，由于残渣累积和不恰当的手艺（机床，即在维护中，经常发现螺母、螺栓、螺杆、密封管、焊条、焊渣），执行机构可能不工作。即使有高的扭矩，由于实际中存在的这些问题，阀-执行机构在要求条件下可能不会反应。问题是我们是否需要如此大的扭矩，即使在部分行程设备或扭矩特征曲线后。另外，在清管的过程中，在阀座处可能聚集了大量残渣，可能损坏阀座，也可能改变扭矩值。另外，需要确保的是，在清管的操作中，应保持阀全开。部分打开/关闭阀可能完全损坏阀座或阀的密封，并直接影响可靠性。
泄露与火灾安全测试
在工业中，有几个泄露测试和火灾安全测试的标准/编码。不同标准的要求是不同的。通常，在适当的条件下进行泄露测试；然而，API 6A规定应在液体的2个极端温度点完成泄露测试。
对阀座泄露测试API508来说，遵守了ISO5208。必须注意的是，在ANSI/FCI 70.2标准中规定的泄露规范仅仅应用到控制阀。
对火灾安全测试来说，以下标准是在实践中应用的：
l 软座阀，API 607
l API 6A & API 6D 阀，API 6FA
l BS 6755 Part 2
火灾安全阀即使受到火灾的损坏，也必须是可以操作的。火灾安全应消除火灾中阀体和操作机制的热扭曲，它是由热压及其管道压力引起的。应期待扭矩的增加，应考虑执行机构尺寸的额外费用。然而，如果发生火灾时，需要多研究一下阀和执行机构的动态性能。关于火灾案例中的阀和执行机构的动态性能，似乎没有可用的信息。
另外，一些操作员坚持在执行机构管线上为主关断阀安装保险丝插塞（温度敏感设备，推荐为API 14C）。如果火灾发生，保险丝插塞将融化并促使阀置于故障安全位置。
当完成阀-执行机构的FMEDA时，应特别注意保险丝插塞。保险丝插塞是一种机械设备，易受虚假的行程的影响。
其他设计问题
对于不同的操作员以及不同的设备来说，阀的材料选择也是不同的。从本质上说，它依赖于处理的流体的类型。对大多数海洋应用来说，阀的材料应满足NACE MR-01-75标准。一些操作员的规范包括NACE MR-01-75标准之上的一些特殊的材料和测试要求，阀厂商满足这个规范面临一些困难。有时，这在满足特殊的材料规范的项目日程/交货日程上带来了很大的影响。有时，由于特殊的要求，厂商拒绝采用这个规范。更明确的是，每个厂商都希望看见工业中材料的常见标准。
在工业应用中，有很多种阀座和密封材料。一些操作员使用他们自己的阀座及其材料。软阀座和金属阀座应用得差不多。根据处理的流体，每种类型都有其优缺点。从根本上说，有两种类型的软阀座和密封材料：人造橡胶和热塑性塑料。人造橡胶阀座/密封材料是丁腈橡胶（Nitrile Rubber）,Viton A, Viton B, Viton GF, Viton GLT和Viton AED。热塑性塑料阀座/密封材料是Teflon, KELF, PEEK和Nylon。软座球阀通常低于150℃以下。几个因素影响阀座类型的选择，例如，差压、流体类型、阀设计类型、价格和交货。对高差压应用来说，通常使用金属阀座。在高压/高流动条件下，软密封容易喷水。一定差压下，金属座阀比软座阀需要更大的扭矩，执行机构的尺寸也是不同的。阀厂商想要一个通用的阀座和密封材料的标准。现在，火灾安全阀可用双座的。第一层阀座密封是通过不同橡胶类型的软密封环或PTFE硬密封环实现的。第二层密封是通过金属接触片实现的。
软阀座对灰尘、沙粒和管道碎片更敏感，因为它们可能导致磨损或撕裂。
金属阀座（碳化钨, 钨铬钴合金, 二联钢, 铬镍铁合金）更能适应灰尘和碎片。
对生铁管线来说，通常认为软阀座比金属阀座更容易损坏。
全孔阀和半孔阀的选型将根据应用决定。对需要清管的工艺管线来说，应使用全孔水平安装的球阀或闸阀。半孔阀可用于阀的压力可接受的地方。用于ESD的开/关阀或旁路阀可以降低孔径。由于低的CAPEX，半孔隔离阀通常是一个优势。对全孔阀来说，孔的直径等于管线的内径（ID），Cv值比半孔大，要求更大的执行机构，增加了阀的重量，增大了空间，也增加了成本。因此，在压降和增加的执行机构尺寸、重量和空间带来的成本之间，应有一个平衡。
从以上可以看出，很明显，阀的故障数据是恰当的可靠性分析关心的原因。
阀-执行机构PFDavg和SIL等级
按要求的平均故障率( PFDavg)计算公式为：
Pf (t)是任何时候的故障率。它依赖于组件和“测试间隔”的故障率。把PFDavg赋值给阀-执行机构一直是主观的问题。它通常并不包括任何设计事项或设计缺陷。
从本质上说，任何执行机构-阀的故障概率应根据以下几点计算：
l 清洁与否的服务类型
l 阀和执行机构的类型
l 附件的类型
l 阀的测试间隔
l 阀的关闭速度
在FMEDA分析中，应考虑以下设计相关的问题:
l “故障数据是否依赖不同的扭矩？” 如果使用同种外力的话，设计有300%的扭矩的执行机构将比设计有150%的扭矩的执行机构提供更长的生命周期的扭矩。
l 当提到安全分析和故障数据时，出现了两种不同的执行机构-阀的故障数据是否相同的问题：一个有RP执行机构，另一个有SY执行机构，所有的附件都是相同的吗？
l 当在具有相同的阀的SA和DA执行机构上完成FMEDA分析时，使用更复杂的控制电路及其DA附件可能得到不同的故障数据。
l 通过快速关闭/打开阀，执行机构-阀的故障数据受影响的程度？
l 在FMEDA分析中，安全阀故障是一种方式的故障吗？
l 在FMEDA分析中，在执行机构电路中安装保险丝插塞的故障是一种方式的故障吗？
l 水平安装的球阀和浮球阀的故障数据是一样的吗？
l 软座阀与金属座阀的故障数据是一样的吗？
l “Beta Model”相关的常见原因故障是怎样应用到机械设备（如执行机构-阀）的？
故障数据的来源
一些关于ESD阀和执行机构的案例研究表明：阀本身比执行机构及其控制系统更可靠（Ref 1）。据研究，它经历过电磁阀、继电器和其他附件，包括流体泄露导致ESD阀不能运行。其他研究表明：50.78%的阀故障是由于阀内部的材料退化造成的。因此，在可用的故障数据方面存在一些变化。然而，可能出现的是，数据没有按相似的方式采集或解释。
为得到好的故障数据，实际现场数据是必要的。这是一项挑战性的工作。应开发文化来鼓励所有的操作员和厂商来发布故障数据。
没有好的故障数据，概率计算的整个目的将是不攻自破的（Ref3）。厂商提供的数据也应使每个领域的数据都有效。
因此，为更有效地评估PFDavg，应有一些好的故障数据。为所有ESD阀的安全故障系数（SFF）和危险失效系数(DFF)赋值，应有FMEDA分析的常见标准。
一些可用的参考数据库，例如，OREDA, WIB 数据库, Exida, CCPS 数据库。
结论
工业有完善的安全标准（例如，IEC-61508, IEC-61511, ISA-84.01 and ISA TR 84.02）来提供通用的安全评估方法。必定有ESD阀规范的工业标准（它占SIF的PFDavg 的50%），考虑到设计问题（例如，合适尺寸的DP的基础，阀和执行机构的扭矩余量，运行的速度）和安全问题（例如，故障率和测试间隔）。明显可以降低任何安装的总体CAPEX，使工业中的每个人都感到生活舒适。
参考文献
1. Health and Safety Executive (HSE) Report .Offshore Technology Report-OTO 97 018,Emergency Shutdown Valve Study: Industry Operating Experiences and views: The way forward. J Peters, National Engineering Laboratory
2. The collection and interpretation of instrument failure rate data: Jan Wiegerinck, Shell Global solutions, The Hague
3. Getting Failure Rate Data: Dr. W.M. Goble, PriNcipal Partner, Exida.
4. www.qtrco.com
5. Problems, Concerns and Possible Solutions for Testing ( and diagnostics coverage) of final control element of SIF loops : Riyaz Ali, Emerson Process Management –Fisher Controls
6. Dynamic Torque Models for Quarter- Turn Air- Operated Valves: M.S. Kalsi, B Eldiwany,V. Sharma, D. Somogyi, Kalsi Engineering, Inc.
7. Partial - Stroke Testing of block valves: Angela E. Summers, Ph.D,P.E.,President , SYSTECH Solutions, LP.
8.Cameron Valve Torque Calculator.
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为满足ESD阀理想的可用性，已经设计了不同的工具。部分阀行程测试、阀-执行机构特征曲线、测试间隔（TI）在工业中是常见的。然而，没有既包括工程也包括安全方面的ESD阀的工业标准。ESD阀及其执行机构的设计随着操作员的不同而不同，有时，同一个操作员在设计不同的工艺时，也不相同。本文致力于解决ESD阀的常用工业标准。
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对小尺寸的阀来说，例如50 mm NB，由于在物理尺寸或阀的设计上的限制，它很难，并且有时也不可能考虑200%或250%扭矩要求。对这些案例来说，更大尺寸的阀，例如，80 mm NB，可应用于50 mm NB的管线，从而充分地匹配扭矩值。
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高扭矩安全余量，执行机构的最大扭矩输出可以超过阀的MAST（可允许的最大轴扭矩），也许需要更大尺寸的型号（更大强度）或可以通过在执行机构管线上放置一个安全阀来实现额外的保护。
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阀扭矩计算
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这个数据表明：每种阀大概有2500到3000的价格差。如果工厂恰好有50个ESD阀，并且所有的阀都是根据发兰额定压力来选型的，其他总成本是15000。另外，每个操作员都想要部分行程设备，这也将增加额外的成本。
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机架和小齿轮（RP）VS 堵转棒轭(SY)
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对油气行业的大多数操作员来说，Scotch 和Yoke执行机构已经得到实际应用。首先，由于大尺寸的ESD阀要求大扭矩和适合安装在海洋环境中的执行机构的建造材料，概念已经被演化。从历史上看，SY执行机构的外壳是用碳钢的或易延展的铁造的，RP执行机构通常是铝制的。在海洋环境中由于明显的原因——腐蚀效应，是不推荐使用铝的。然而，现在RP可以使用铸铁阀体。
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如果最大扭矩和阀体都满足标准，就能使用RP来代替SY执行机构。例如，对低扭矩要求的更小尺寸的ESD阀来说，RP执行机构也许是紧凑的和性价比高的解决方案。
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从商业可用的RP执行机构来说，典型的最大输出扭矩为40 lb.in，而SY为60 lb.in。不是所有的ESD阀都需要如此大的扭矩值！
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厂商声称：在同等尺寸上，堵转棒轭传动机构在有效性方面比机架和小齿轮高30%。在其他参数不变的情况下，如果说SY比RP的性价比更高，更有效，那么机架和小齿轮技术为什么在工业中仍然存在呢？
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从本质上说，输出扭矩并不是执行机构类型选择的唯一的决定因素。对更小的尺寸来说，必定有某种合适的选择机制。对更小尺寸的阀来说，如果其他条件相同的话，RP的性价比可能是高的。
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从理论上看，RP执行机构具有线性扭矩的特点，而SY执行机构具有非线性（下垂）的特点。
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在RP和SY机械结构的相对扭矩的概念中存在一些误解(Ref 4)。据说是SY执行机构比其他任何执行机构产生的扭矩都大。执行机构的输出扭矩应满足阀的扭矩要求。同时，特殊执行机构的输出扭矩依赖于汽缸的类型，例如，单通还是双通。对SY双通汽缸来说，行程末端的扭矩（突变扭矩和复位扭矩）比中间行程的输出扭矩大，然而，执行机构的输出扭矩在行程中都是不变的。对单通执行机构来说，复位扭矩可能比中行程的扭矩小，同样，也可应用于RP。
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SY输出扭矩可能是阀扭矩要求的代名词，即SY能产生更大的扭矩，无论何时在行程的末端要求时。
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当选择机械类型时，应考虑以下几点：
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l 阀扭矩的要求
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l 阀体的材料
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l 相对成本
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单通（SA）VS 双通（SA）
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气动弹力返回的执行机构通常被用于ESD阀。然而，这种选择产生了已知扭矩要求的最大尺寸的执行机构。双通执行机构比弹力返回的执行机构更便宜、更轻以及更紧凑。然而，当在弹力返回和双通执行机构之间进行比较时，双通执行机构需要考虑备用的供气缸和更复杂的控制。备用供气应有足够的容量来为三通阀供气。
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各个操作员的方法都是不一样的。然而，在选择特殊的执行机构时，没有明显的标准。
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图4 DA执行机构曲线
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图4 SA执行机构曲线
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G4120-SR2压缩行程的输出扭矩——72.5 barg CCW
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典型的扭矩曲线
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动态扭矩规范（Ref 1, 6）
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在HAZOP评论中，一个著名的指导词是“高流动性”。如果主要的管线突然中断，就发生了“高流动性”。然而，在阀的设计中，是极少考虑这种现象的。这种情形可能在穿过阀时引起非常高的压降。在选择阀和执行机构的尺寸时，极少分析和考虑这种压降的条件。这将导致部分行程的速度高以及复杂的动态力，这个力是在阀内和阀关闭的组件上产生的。由于这个动态条件，声速流、旋涡/防波堤效应、气穴、闪烁等都是可能发生的。阀径上的合力是可以突然变化的。这可能帮助阀关闭或阻止阀关闭。更需要注意的是当ESD阀用于主管线和输出管线时。
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最重要的事是这些扭矩的数量级在安装的执行机构的额定容量内。在失控或最差的条件下，安装的执行机构仍能实现其功能，这是至关重要的。
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对于ESD阀及其执行机构的动态运行来说，通常可能会在以下几点上争论：
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1. 由于这种复杂的方案，阀的扭矩特点受到影响的程度？
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2. 阀的打开/关闭方向怎样？这种方案减弱或加强阀的打开/关闭吗？
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3. 由于动态效应，关闭/打开速度受到影响的程度？
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4. 这种效应产生的力将达到机械临界值吗？
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5. 力是怎样随阀的尺寸变化而变化的？
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6. 流体类型及流体条件的影响是什么，即多相流体、密度、粘性等。
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7. 由于这种效应，阀座/密封材料受到影响的程度？
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按照可用的数据，美国的Kalsi Engineering公司（Ref 6）完成了测试——直角回转气动阀的动态扭矩模型。在测试中，球阀的动态扭矩特点如报告所示。代表性的曲线如图5所示。从结果中可以看出，很明显，动态扭矩的特点与静态扭矩的特点在很大程度上是有差异的。这可能给操作员、厂商和设计承包商考虑ESD阀的动态扭矩要求带来提示。
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图5 球阀的动态扭矩特点
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ESD阀开关的时间——设计与安全问题（Ref 1）
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在要求的条件下，快速关闭是所有的ESD阀尽量避免的。然而，阀关闭/打开时间对阀的设计、附件、可靠性及其管道都有重要的影响。应根据工艺要求选择最大的行程时间，而不是通过特殊的阀门或执行机构来实现。
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快速关闭/打开可能损坏阀的内部结构，阀的可靠性将受到影响。为满足阀的关闭时间，不应妥协管道的可靠性。
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快速关闭/打开可能导致相关管线上的浪涌或瞬变。在设计阶段应考虑快速关闭/打开的影响，也要考虑每个应用的管道几何/运行细节。当选择完阀后，通常忽视了浪涌效应。应完成相关的管线的浪涌分析。由于浪涌效应，小管线比大管线更容易受到损坏。
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很多研究论文和案例研究都已经提到了阀的快速关闭产生的浪涌效应。简而言之，分析显示按秒计算关闭阀的时间一定比上游管道（浪涌波的反应点）的时间长2倍。管道越硬，阀关闭的越慢，因为管道弹性影响压力能量（从流体动能转换）被吸收的程度。
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另外，每个阀的制造商都应完成阀的有限元分析和CFD分析从而确保阀在要求的关闭/打开时间内的完整性。每个厂商也应在出厂验收测试（FAT）中验证关闭/打开时间。
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作为标准的应用，关闭速度被视为公称直径每秒移动的距离。某个操作员规定22”的球阀应在5秒内关闭，在5-30秒内打开，打开时间应是可调的。这增加了非标准的气动附件，也需要大量的空气。
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对气体管线来说，在为执行机构选型时，应考虑由于在必要的阀关闭扭矩上的Joule-Thompson效应造成管线破裂而导致的低温效果。
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对ESD阀来说，快的打开速度通常是不必要的；事实上，有时想要它缓慢地打开。阀的快速打开和快速关闭都能引起很多损害。执行机构的尺寸可能增大来满足必需的关闭和打开的力。
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气体从汽缸排气的速度决定了快速关闭的速度。应使用合适的快速排气阀（QEV）来实现这个功能。然而，为了理想的流量系数（CV）而选择的QEV在满足关闭时间上变得困难。每个执行机构厂商都想看见一些阀运行的最优速度的标准。
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阀的快速打开是根据气体供给执行机构的速度来克服弹力。从本质上说，它依赖于导向阀、电磁阀和气体过滤器的流量系数（VC值）。为满足快速打开，需要在短时间内为执行机构供应大量的气体，这可能增加大量的非标准的附件，也许不得不为执行机构提供 1” NB 到 1.5” NB的管道，也许需要小型的压缩机来满足大量气体的需求。
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由于执行机构的快速运行，必须彻底研究执行机构电路的动态响应。从理论上讲，厂商应确保发布的扭矩值与弹力率不应有偏差。
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变速机构，在需要避免阀太快关闭而造成浪涌的地方，执行机构应包括速度控制设备。
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问题是具有不同运行时间的相同的ESD阀的“可靠性”数值是否相同。通常，这是设计相关的问题。然而，具有不同运行时间的相同的阀不能赋于相同的“故障率”。失效模式、效果和诊断分析（FMEDA）应把运行速度作为阀故障的失效模式。由于过快的速度导致的故障可能带来一些“危险的故障”，从而损坏阀座、阀的密封、阀杆甚至执行机构。对这种故障模式的现场故障数据的期望也许是太冒险的。很明显，由于这种故障模式专用于特定应用，所以它不能适用所有的应用和压力系数。
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执行机构供应线上的安全阀——执行机构电路上最差的链接
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为提供有竞争力的价格，所有的执行机构厂商都试图降低执行机构的尺寸。一种相同的方法是通过限制执行机构的机械强度，这可通过在供应管线上放置一个安全阀实现，也不允许对执行机构进行最大供压。
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有时，已经选择执行机构的型号，在最大供气压力的情况下的扭矩值可能超越安全阀要求的阀MAST。设定点应比MAST谷值低。一直在最小可用的供压情况下计算执行机构扭矩，从总体上降低供气的跳闸设定压力。如果压力波动的话，要求避免阀进入理想的故障安全模式。同时，无论是否有空气过滤调节器（AFR），执行机构都应能承受最大的供气压力。
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从理论上讲，如果能保证空气质量的话，对ESD阀来说，AFR是不必要的，根据最小的供气压力（用于扭矩计算）和最大的供气压力（用于机械强度）计算执行机构扭矩。某个操作员避免使用AFR。然而，AFR通常广泛应用于执行机构的供气电路中。如果执行机构没有设计能承受最大的供气压力，需要在供气管线上安装安全阀。安全设定压力应比执行机构的MAWP低。在某些案例中，AFR与完整的卸压设备安装在一起。
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在设计阶段，通常忽视了这些压力安全阀。执行机构厂商从来不提供小安全阀的尺寸计算，假定它仅仅是一个管状的组件，类似于水管线的放热。这些阀从来没有写进操作员和维护人员的日记，因为它们不是常规的安全阀，没有为这些阀设定测试间隔。如果阀的出口由于灰尘累积被堵塞的话，执行机构回路上的压力可能超过可接受的值，能导致大的事故。
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当实现回路的安全分析时，应考虑以下原因：
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l 管线最大压力的发生
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l 空气过滤器调节器故障
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l 安全阀故障
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图4安全阀回路示意图
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虽然所有的原因同时发生是不太可能的，但是在执行机构的FMEDA分析中，应该解决相同的问题。
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部分行程，阀-执行机构特征曲线和测试间隔
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对所有操作员来说，部分行程测试设备已经成为ESD阀的健康处方。部分行程测试的目的是检验ESF阀在机械上是否是足够健康的，从而能在实际的工艺要求时能关闭。具有部分行程设备，也增加了PFD值和SIL等级。（Ref 5）
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从制造出来就能跟踪阀和执行机构的“扭矩特征”。在阀的出厂测试中，应记录初始的“扭矩特征”。同样，在调试中需要重新检查从而确定蒸发和安装中的损坏。“扭矩特征”曲线，在阀的生命周期中都可以跟踪扭矩的变化，这可能帮助分配或预测阀的部分/全部行程或替换阀。需要注意的是，很多操作员仍利用复杂的局部行程设备，具有局部气动测试面板甚至引进简单的远程部分行程设备，该设备可从控制室得到。除了测试中昂贵的人力要求，这种方法还有个缺陷。在测试中，不能关闭ESD阀，阀被忽视而保持开状态（10%关闭）。
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部分行程可以确定与以下有关的故障模式：
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l 阀的运行速度
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l 由于灰尘累积，气门粘着
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l 汽封漏气
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l 气动回路通过装置泄露
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l 由于绞死效应，弹力K系数变化
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l PVST后，可以消除冗余旁路阀的要求
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主要的问题是即使执行机构在生命周期运行中选择高扭矩的尺寸，在调试阶段冲洗中，由于残渣累积和不恰当的手艺（机床，即在维护中，经常发现螺母、螺栓、螺杆、密封管、焊条、焊渣），执行机构可能不工作。即使有高的扭矩，由于实际中存在的这些问题，阀-执行机构在要求条件下可能不会反应。问题是我们是否需要如此大的扭矩，即使在部分行程设备或扭矩特征曲线后。另外，在清管的过程中，在阀座处可能聚集了大量残渣，可能损坏阀座，也可能改变扭矩值。另外，需要确保的是，在清管的操作中，应保持阀全开。部分打开/关闭阀可能完全损坏阀座或阀的密封，并直接影响可靠性。
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泄露与火灾安全测试
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在工业中，有几个泄露测试和火灾安全测试的标准/编码。不同标准的要求是不同的。通常，在适当的条件下进行泄露测试；然而，API 6A规定应在液体的2个极端温度点完成泄露测试。
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对阀座泄露测试API508来说，遵守了ISO5208。必须注意的是，在ANSI/FCI 70.2标准中规定的泄露规范仅仅应用到控制阀。
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对火灾安全测试来说，以下标准是在实践中应用的：
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l 软座阀，API 607
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l API 6A & API 6D 阀，API 6FA
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l BS 6755 Part 2
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火灾安全阀即使受到火灾的损坏，也必须是可以操作的。火灾安全应消除火灾中阀体和操作机制的热扭曲，它是由热压及其管道压力引起的。应期待扭矩的增加，应考虑执行机构尺寸的额外费用。然而，如果发生火灾时，需要多研究一下阀和执行机构的动态性能。关于火灾案例中的阀和执行机构的动态性能，似乎没有可用的信息。
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另外，一些操作员坚持在执行机构管线上为主关断阀安装保险丝插塞（温度敏感设备，推荐为API 14C）。如果火灾发生，保险丝插塞将融化并促使阀置于故障安全位置。
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当完成阀-执行机构的FMEDA时，应特别注意保险丝插塞。保险丝插塞是一种机械设备，易受虚假的行程的影响。
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其他设计问题
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对于不同的操作员以及不同的设备来说，阀的材料选择也是不同的。从本质上说，它依赖于处理的流体的类型。对大多数海洋应用来说，阀的材料应满足NACE MR-01-75标准。一些操作员的规范包括NACE MR-01-75标准之上的一些特殊的材料和测试要求，阀厂商满足这个规范面临一些困难。有时，这在满足特殊的材料规范的项目日程/交货日程上带来了很大的影响。有时，由于特殊的要求，厂商拒绝采用这个规范。更明确的是，每个厂商都希望看见工业中材料的常见标准。
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在工业应用中，有很多种阀座和密封材料。一些操作员使用他们自己的阀座及其材料。软阀座和金属阀座应用得差不多。根据处理的流体，每种类型都有其优缺点。从根本上说，有两种类型的软阀座和密封材料：人造橡胶和热塑性塑料。人造橡胶阀座/密封材料是丁腈橡胶（Nitrile Rubber）,Viton A, Viton B, Viton GF, Viton GLT和Viton AED。热塑性塑料阀座/密封材料是Teflon, KELF, PEEK和Nylon。软座球阀通常低于150℃以下。几个因素影响阀座类型的选择，例如，差压、流体类型、阀设计类型、价格和交货。对高差压应用来说，通常使用金属阀座。在高压/高流动条件下，软密封容易喷水。一定差压下，金属座阀比软座阀需要更大的扭矩，执行机构的尺寸也是不同的。阀厂商想要一个通用的阀座和密封材料的标准。现在，火灾安全阀可用双座的。第一层阀座密封是通过不同橡胶类型的软密封环或PTFE硬密封环实现的。第二层密封是通过金属接触片实现的。
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软阀座对灰尘、沙粒和管道碎片更敏感，因为它们可能导致磨损或撕裂。
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金属阀座（碳化钨, 钨铬钴合金, 二联钢, 铬镍铁合金）更能适应灰尘和碎片。
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对生铁管线来说，通常认为软阀座比金属阀座更容易损坏。
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全孔阀和半孔阀的选型将根据应用决定。对需要清管的工艺管线来说，应使用全孔水平安装的球阀或闸阀。半孔阀可用于阀的压力可接受的地方。用于ESD的开/关阀或旁路阀可以降低孔径。由于低的CAPEX，半孔隔离阀通常是一个优势。对全孔阀来说，孔的直径等于管线的内径（ID），Cv值比半孔大，要求更大的执行机构，增加了阀的重量，增大了空间，也增加了成本。因此，在压降和增加的执行机构尺寸、重量和空间带来的成本之间，应有一个平衡。
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从以上可以看出，很明显，阀的故障数据是恰当的可靠性分析关心的原因。
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阀-执行机构PFDavg和SIL等级
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按要求的平均故障率( PFDavg)计算公式为：
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Pf (t)是任何时候的故障率。它依赖于组件和“测试间隔”的故障率。把PFDavg赋值给阀-执行机构一直是主观的问题。它通常并不包括任何设计事项或设计缺陷。
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从本质上说，任何执行机构-阀的故障概率应根据以下几点计算：
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l 清洁与否的服务类型
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l 阀和执行机构的类型
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l 附件的类型
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l 阀的测试间隔
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l 阀的关闭速度
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在FMEDA分析中，应考虑以下设计相关的问题:
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l “故障数据是否依赖不同的扭矩？” 如果使用同种外力的话，设计有300%的扭矩的执行机构将比设计有150%的扭矩的执行机构提供更长的生命周期的扭矩。
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l 当提到安全分析和故障数据时，出现了两种不同的执行机构-阀的故障数据是否相同的问题：一个有RP执行机构，另一个有SY执行机构，所有的附件都是相同的吗？
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l 当在具有相同的阀的SA和DA执行机构上完成FMEDA分析时，使用更复杂的控制电路及其DA附件可能得到不同的故障数据。
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l 通过快速关闭/打开阀，执行机构-阀的故障数据受影响的程度？
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l 在FMEDA分析中，安全阀故障是一种方式的故障吗？
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l 在FMEDA分析中，在执行机构电路中安装保险丝插塞的故障是一种方式的故障吗？
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l 水平安装的球阀和浮球阀的故障数据是一样的吗？
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l 软座阀与金属座阀的故障数据是一样的吗？
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l “Beta Model”相关的常见原因故障是怎样应用到机械设备（如执行机构-阀）的？
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故障数据的来源
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一些关于ESD阀和执行机构的案例研究表明：阀本身比执行机构及其控制系统更可靠（Ref 1）。据研究，它经历过电磁阀、继电器和其他附件，包括流体泄露导致ESD阀不能运行。其他研究表明：50.78%的阀故障是由于阀内部的材料退化造成的。因此，在可用的故障数据方面存在一些变化。然而，可能出现的是，数据没有按相似的方式采集或解释。
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为得到好的故障数据，实际现场数据是必要的。这是一项挑战性的工作。应开发文化来鼓励所有的操作员和厂商来发布故障数据。
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没有好的故障数据，概率计算的整个目的将是不攻自破的（Ref3）。厂商提供的数据也应使每个领域的数据都有效。
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因此，为更有效地评估PFDavg，应有一些好的故障数据。为所有ESD阀的安全故障系数（SFF）和危险失效系数(DFF)赋值，应有FMEDA分析的常见标准。
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一些可用的参考数据库，例如，OREDA, WIB 数据库, Exida, CCPS 数据库。
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结论
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工业有完善的安全标准（例如，IEC-61508, IEC-61511, ISA-84.01 and ISA TR 84.02）来提供通用的安全评估方法。必定有ESD阀规范的工业标准（它占SIF的PFDavg 的50%），考虑到设计问题（例如，合适尺寸的DP的基础，阀和执行机构的扭矩余量，运行的速度）和安全问题（例如，故障率和测试间隔）。明显可以降低任何安装的总体CAPEX，使工业中的每个人都感到生活舒适。
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参考文献
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