调节阀填料摩擦增大与死区扩大

每一环都正常，结果就是不对 · 仪表典型失效模式 · 执行侧

凌晨两点，脱丁烷塔塔顶压力回路又开始摆了。

趋势画面上，PV 在设定值上下等幅晃动，周期八分钟左右，不发散也不收敛。班长把控制器切手动，摆停了；切回自动，两个循环之后又起来了。

仪表班过来，第一件事是看阀位反馈——跟着指令走，没有偏差。第二件事是看定位器，绿灯常亮，诊断菜单里一条报警都没有。气源压力 0.55 MPa，正常。回路电流 12.4 mA，正常。

于是所有人都得出同一个结论：PID 参数不对。

接下来两周，比例带从 80 调到 150，积分时间从 3 分钟拉到 8 分钟。振荡周期变长了，振幅小了一点，但从来没有真正消失。等到装置提负荷，它又回来了。

调 PID 只能改变振荡的周期，

不能改变振荡的存在。

因为问题根本不在控制器。这个回路里有一个环节，它既不报警、也不越限、还能通过任何一次静态校验——阀杆上的那圈填料。

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01

摩擦力从哪里来，为什么它会长大

填料的任务是密封。它靠压盖螺栓把填料环压紧在阀杆和填料函之间，靠径向的接触比压阻止介质外漏。这个径向比压同时也带来了轴向的摩擦力——密封和摩擦是同一件事的两面，你不可能只要前者不要后者。

填料摩擦力的量级，比很多人直觉中的大得多。对一根 φ19 mm 的阀杆，新装的 PTFE V 型环大约在两三百牛，而柔性石墨编织环通常是它的两到三倍。真正的问题在于，这个数字不是常数：

预紧力被调大。现场发现阀杆微漏，第一反应是拧紧压盖螺栓。漏点消失了，摩擦力同时上了一个台阶——而且没人记录拧了几圈。

石墨环固结。柔性石墨在温度循环下会逐渐致密化，同时向填料函内壁与阀杆表面贴合。运行两三年后，同样的预紧力对应的接触比压比投用初期更高。

阀杆表面损伤。石墨中的杂质、介质里的颗粒、外部粉尘进入填料函，在阀杆镀铬层上拉出轴向划痕。划痕既破坏密封，又大幅抬高摩擦系数——于是又要拧紧压盖，形成正反馈。

三个机制叠加，一台运行五年的调节阀，阀杆摩擦力比出厂时高出三到五倍是常态，而不是异常。

图 1　阀杆上的力平衡关系，以及不同填料形式的摩擦力典型量级（φ19 mm 阀杆的工程估算范围，非试验数据）

▍低逸散改造：一个值得单独警惕的方向

为满足挥发性有机物排放要求，近年大量装置把调节阀填料改为符合低逸散等级的结构：更多层 V 型环、更高的预紧力、有时还加装弹簧加载压盖。密封性能确实上去了，但摩擦力往往直接翻倍。

这类改造通常由环保口发起、按泄漏率验收，控制性能不在验收范围内。于是一台阀在纸面上同时满足了两条相互矛盾的要求：泄漏合格、控制不合格——而只有前者被真正测量过。

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02

从摩擦力到死区：一个可以算出来的量

摩擦力之所以危险，是因为它是一种带符号的力：阀杆向哪个方向动，它就朝反方向作用。这意味着执行机构的力平衡关系不是一个等式，而是一条带宽度的带子。

对气动薄膜执行机构，把阀杆停在同一个位置所需的膜片压力，开向和关向并不相等，二者之差等于两倍摩擦力除以有效膜片面积。把这个压力差换算成信号百分比，就是死区。

拿一台常见的规格试算：有效膜片面积 0.0645 m²，弹簧范围 0.4~2.0 bar，则满行程对应的推力变化约 10.3 kN。若阀杆摩擦力为 800 N，不带定位器时的死区就是

2 × 800 ÷ 10300 = 15.5 %

——这个数字大到荒谬，也正是所有调节阀都必须配定位器的原因。定位器是一个位置闭环，它用高增益把死区压下去：等效位置环增益取 60，理论死区就降到 0.26 %。

但它压不到零。定位器自身有分辨力极限：I/P 转换器的最小可分辨电流、喷嘴挡板的气隙精度、放大器的气路容积。这部分与摩擦力无关的底噪，通常在 0.15~0.3 % 之间；而随着摩擦力增大，位置环的有效增益还会因执行机构充放气速率受限而下降。

图 2　摩擦力与死区的定量关系。左侧计算前提为一台典型气动薄膜执行机构，纵轴为对数刻度

图上三个点值得记住：新阀 0.38 %，属于良好；预紧后 0.91 %，已经贴着一般可接受上限；老化后 1.50 %，任何一个需要精细调节的回路都会开始出问题。

而这三种状态下，定位器的阀位反馈信号全都是正常的。

定位器的闭环会消除稳态偏差——

它同时也消除了摩擦留下的全部证据。

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03

死区为什么必然把回路推向周期振荡

死区不是简单的小信号丢失。它和控制器的积分作用组合在一起，会产生一种结构性的后果：极限循环。

过程如下。PV 偏离设定值，控制器输出开始变化，但变化量小于死区，阀芯不动，PV 继续偏离。积分项持续累积，输出不断增大，直到跨过死区边界——此时阀芯突然滑动一段（粘滑效应），流量阶跃变化，PV 越过设定值冲向另一侧。控制器反向动作，同样要先走完一个完整的死区宽度，阀芯才会再次移动。

于是回路进入一个自持的循环：等待—跳跃—过冲—反向等待。它的周期主要由积分时间和死区宽度决定，振幅大致与死区成正比。

图 3　死区驱动的极限循环示意（典型场景，非实测数据）。三个信号都在正常范围内，且不触发任何报警

这里有两个反直觉的推论，值得单独说明。

第一，减小控制器增益不能消除振荡。增益变小，积分穿越死区所需时间变长，周期被拉长、振幅略降，但循环依然存在。彻底切除积分作用倒是能停止振荡，代价是留下永久余差——很多现场最后就是这么「解决」的。

第二，阀位反馈的稳态偏差为零。定位器最终总会把阀杆推到指令位置，所以任何一次稳态比对都合格。摩擦的痕迹只存在于动态过程里：反馈曲线的阶梯形状、跳跃前的停滞时间、换向时的额外延迟。

图 4　输入信号与阀芯行程之间的滞环。死区表现为换向时的水平段，粘滑表现为斜坡上的阶梯

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04

为什么每一环看上去都正常

回到开头那个夜班。仪表班检查过的每一项，其实都不具备发现摩擦的能力：

这五条可以归纳成一句话：现场所有常规检查都是静态的，而摩擦是一个纯粹的动态特性问题。静态检查对它天然免疫。

更麻烦的是，多数装置的阀位反馈根本没有接进 DCS。定位器有 4~20 mA 的位置回传端子，但组态时常被当作可选项省掉。没有阀位曲线，连图 3 中间那条阶梯都看不见——唯一能看的只有 OP 和 PV，而这两条曲线的形状，和一个整定过激的回路几乎无法区分。

摩擦是动态特性问题，

而现场所有常规检查都是静态的。

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05

怎么确认：一次阶跃测试就够

ISA-75.25.01 给出了标准做法：向定位器输入一系列递减幅值的阶跃信号，记录阀杆行程的实际响应。测试本身不复杂，装置停车期间或回路切手动时都能做。

判据方面，业界常用的参考值是：死区不超过额定行程的 0.5 %（快速回路）到 1.0 %（一般回路），分辨力优于 0.25 %，T86 与阀门规格书一致。超出这些值，回路就没有稳定的小信号调节能力。

如果不具备停车测试条件，还有两个成本更低的旁证：

看阀位反馈的波形形状。只要位置回传接进了 DCS，把趋势的时间轴拉短，阶梯状跳跃与平滑跟随的区别非常明显。

看定位器的气路诊断量。支持 NAMUR NE107 的智能定位器通常记录行程累计量、方向变化次数、以及维持位置所需的平均气压。摩擦增大时，同样工况下的平均驱动压力会持续上移。

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同样的症状，还有两种病因

需要提醒的是，死区扩大、响应变慢、回路周期振荡这一组症状并非填料摩擦独有。至少还有两种原因会给出几乎相同的现场表现，而处理方向完全不同。

鉴别的关键在于分布与方向性。填料摩擦是单台阀的问题，且死区在正反两个方向对称出现；气源品质问题往往是成片的，并带有明显的季节相关性；排量不匹配则表现为大幅阶跃慢、小幅阶跃正常——恰好与摩擦相反。

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07

能做什么

设计阶段。在阀门规格书里写入动态性能条款，而不只是泄漏等级和 Cv。明确死区、分辨力、T86 的验收值，并要求供货方提供出厂阶跃测试报告。对快速回路（压力、流量），优先选择摩擦更低的填料形式。

改造阶段。低逸散填料改造应把控制性能纳入验收范围，改造前后各做一次阶跃测试并留档。这份对比数据在后续争议中价值极高。

运行阶段。把定位器的阀位反馈接进 DCS 并长期记录——这是成本最低、收益最大的一项。压盖螺栓的每一次紧固都应记录圈数与日期，避免摩擦力在无人察觉中累积。

整定之前。养成一个习惯：在动手改 PID 参数之前，先确认阀是不是真的在动。等幅、周期稳定、且切手动即停止的振荡，执行器的嫌疑永远大于控制器。

等幅周期振荡、切手动即停止，

先查阀，再查参数。

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▽ 参考资料（6 项）

· ISA-75.25.01　Test Procedure for Control Valve Response Measurement from Step Inputs

· ISA-TR75.25.02　Control Valve Response Measurement from Step Inputs

· IEC 60534-4　工业过程控制阀 第4部分：检验和例行试验

· IEC 60534-2-1　流通能力 装有安装条件下流体流动的计算公式

· ISO 15848-1　工业阀门 逸散性排放的测量、试验和鉴定程序

· ISO 8573-1　压缩空气 第1部分：污染物与纯度等级