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发布时间：2021-06-15
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现代意义的阀门自问世以来已有三百多年。但是在设计师的努力下，阀门并非一成不变，而是随着工业发展的脚步不断升级改良。本文将探讨当前推动阀门不断走向高端的几种动力。
现代意义的阀门可以追溯到工业革命时期。1705年，托马斯纽科曼发明了第一台蒸汽机，它就利用了阀门来约束和调节高压蒸汽。自从当初问世至今，一代代发明家不断研制出新机器，于是阀门的设计也随之不断改进。托马斯的发明距今已有316年，如果门外汉认为阀门已经得到了彻底的完善和改进，倒也不至于贻笑大方，因为事情表面上看来正是如此。各行各业都在发展，产品设计和制造工艺作为制造业的核心元素，也随之升级和进步。这对我们每天用到的阀门产生了积极的影响。
推动阀门发展的因素不止一项。化工和电力行业都会海量使用各种类型和尺寸的阀门，他们始终在快速发展和进步。尽管在新冠肺炎疫情的干扰下，目前无法准确进行市场预测，但业界仍然相信直到2025年，阀门行业的年度综合增长率都将保持在5%以上。预计2025年的营业额将达到857亿美元左右[来源：《历久常青的阀门企业》（Everlasting ValveCompany），2020年8月]。
数据采集的积极推动意义
极度强大且唾手可得的电脑算力，无疑也是近几十年来推动阀门设计和加工工艺发展的重要因素。有了电脑的帮助，工程师不仅显著改良了设计软件和技术，还能利用实际使用中积累的数据进行仿真计算。而且制造商也能利用这些数据验证和优化产品，甚至优化制造工序和工艺。可以说，电脑辅助设计和加工已经成为设计工作不可缺少的组成部分。同时，电脑辅助软件和技术也变得越来越复杂，促使工程师深入了解了阀门的流体特性，也就更加理解产品设计和性能的关系。这些改进很快产生了深远的积极影响，比如更好的工艺稳定性，更低的零件磨损率，更高的原材料和能源利用率。显然，阀门技术的进步为制造商和用户群体带来了可观的红利。
但是发展的动力绝不仅仅来自积累的数据和新的软件，制造商面临的竞争压力也是重要的因素。他们必须尽量压缩成本，同时还要确保自己的设计能出色地满足客户的要求。制造商不再有机会耗费漫长时间去调研和开发，然后推出一款应用广泛的理想产品。客户购买现货产品的数量越来越少，因为他们更青睐专为特定用途研制的产品[信息来源：Vijay Mali，《阀门设计和加工的新时代》（The New Era of Valve Design and Engineering），2019年12月]。
在行业监管条例日益严苛的情况下，上述因素的效果更加明显。CAD（电脑辅助设计）和流体特性CAD对于评估和改良阀门的流体特性也起着重要作用——而流体特性是指阀门协同系数和阀门行程之间的关系。对所有的调节阀而言，它们的流体特性是当阀门走过特定比例的开启行程，阀体内介质就会达到特定的流率。通过充分理解这其中的关系，设计师就能使阀门能按照预设的条件调节流体。CAD同样也能帮助设计师预测阀门两端的压降，而压降也会影响流率。例如两个相同的系统分别处于可变压降和恒定压降的环境中，它们各自的流体特性一定完全不同或有明显差别。在CAD的辅助下，设计师可以具体地分析整个管道系统的流率情况，从而显著改善整个系统的流体特性。
生成设计/机器学习
用户对于定制产品、改良产品和极短周期产品的需求，也是推动设计和加工技术进入全新时代的重要因素。由于能满足上述种种需求，“生成设计”被赞誉为阀门制造环节中的先锋力量。有了这种技术，工程师和设计师只要在基准设计的基础上，输入产品的设计目标和限制条件，软件就能自动排列组合各种可能的设计方案，后续还可以利用软件逐一深入分析。生成设计彻底颠覆了阀门设计的模式，设计师只要集中精力确定各项性能指标和限制条件，软件就能自动生成所有可能的设计。此外，相关软件还能帮助分辨成功和不成功的设计。如此先进的设计工具，显然将广泛取代传统的设计模式，并创造出更多具有开创意义的产品。
智能阀门和数字技术
数字化转换也是促进阀门设计不断进步的利器。近年来，越来越多终端用户开始利用技术手段监测、分析和管理自己的阀门及相关设备，因为这样就不用再猜测关键阀门的工作状况，或者说能确保每台阀门都在按照设定的要求正常运行。智能阀门和数字技术能自动上报阀门工作状况，对于阀门维护的重要意义日益凸显。有了这些技术，就有机会在阀门发生故障前发现潜在风险。出于成本因素，工厂都希望尽可能缩短停机时间，在数字技术的支持下，预防性维护甚至能帮助企业每年节约数百万美元。而且实现监测并不意味着要将所有阀门都换成智能阀门。只要通过升级，传统阀门就能通过智能执行器上报“健康状况”。智能阀门在难以企及的偏远地区更能发挥优势，例如沙漠、山区或海底。智能阀门的另一优势是支持整个管道系统得到监测，有助于防止系统损坏或堵塞。同时它们还为调整管系和网络的设置提供了可能。
增材制造
增材制造对于阀门生产的重要性越来越受重视，尤其是在油气和海运行业。据2019年《Wohler报告》称，根据对177家增材制造企业进行的调查，预计营业收入将从2020年的158亿美元增长到2 0 2 4 年的3 5 6 亿美元。其中有多少将来自阀门产品尚不可知。以下二十家企业都能提供质量可靠的增材
制造产品：Additive Industries，英国思克莱德大学先进成型研究中心（the Advanced Forming Research Center of the University of Strathclyde），Aidro，BP，Equinor，Guaranteed，HIPtec，Immensa Technology Labs，IMI CCI，Ivaldi group，Kongsberg，Quintus，山特维克（Sandvik），壳牌（Shell），西门子（Siemens），SLM Solutions，德希尼布FMC（TechnipFMC），道达尔（Total），瓦卢瑞克（Vallourec）和奥钢联集团（Voestalpine）。这些企业都曾合作过一些工业项目，为客户定制关键零部件。这个庞大的联盟涵盖了整个价值链，从零部件设计到终端用户，从原材料、工艺开发、后期加工一直到产品测试。
设计优化
增材制造的先进之处可以分为几类。比如不必维持大量的库存现货，可以等需要用时立即制造。这意味着为了库存备品备件而受牵制的资金减少了。又比如生产同样零部件所需的原材料比常规工艺少，从而降低了原料成本，也就减少了工厂的碳足迹。它还能帮助缩短交期、降低废品率。它使企业可以等接到订单后再开工生产，还可以在产品实际应用地点就近制造，例如在寸土寸金的钻井平台上。原本可能需要跨洋过海才能运抵现场的关键零部件，有了增材制造就可以避免停机和漫长等待。长途运输的运费当然也就省了。所以越来越多的用户选择用数字化仓库替代零配件库存。
此外还有一种应用场景就是优化设计，提高生产效率，例如缩短制造周期和机械加工周期。至于常规制造必须用到的各种工装、工具，无疑也被减少到最低限度。增材制造还可以使用混合材料，这样能使标准化产品增加特殊性能。相应地，混合材料还能使生产过程更加顺畅。事实证明，在增材制造中按照特定工艺使用合金粉末，可以提高制品的耐腐蚀、耐空泡腐蚀性能。此外，增材制造还具有更大的设计自由度，产品质量自然就更高了。或者说，可以为了实现某种出类拔萃的性能而定制设计，或可以减少制品重量，使之更容易操作。
CNC车削加工中心（电脑数控）
最后要说的是CNC车削加工，它有时候被用来验证产品的可行性。它也可以很好地涵盖从原型制造到大规模量产的整个过程，可以用金属或塑料作为加工对象；可以加工复杂表面，而且交期比较短。因此CNC加工中心也能以出色的成本效率生产零配件，尤其是轴对称的旋转部件。它可以加工阀轴或阀碟的圆柱体内、外表面，任何锥度的椎体内、外表面，复杂形状的内、外曲面，也可以加工圆柱螺纹和锥螺纹。此外，CNC加工中心的铣削功能，可以制造几乎任何形状的精密零件。
总结
放眼将来，阀门的设计开发始终会是“进行时”。至于发展之路有多远，要看工业水平以及生产技术的发展程度如何。
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