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化工裝置常用金屬閥門類型及選用分析
【上海制發閥門訊】
閥門是管道系統中的重要部件，在化工裝置中應用最廣泛的是金屬閥門。閥門的作用主要是用于啟閉、節流和保障管道及設備的安全運行。所以正確合理地選用金屬閥門對工廠安全及流體控制系統具有重要的作用。隨著越來越多的引進裝置進入國內，API閥門已經得到廣泛應用，本文僅以API黑色金屬閥門為分析對象。
一、閥門的類型及用途
工程上閥門種類很多，由于流體的壓力、溫度和物理化學性能的不同，所以對流體系統的控制要求也不相同，其中閘閥、截止閥(節流閥，針型閥)、止回閥、旋塞閥、球閥、蝶閥和隔膜閥在化工裝置中應用最廣泛。
1.1 閘閥
一般用于控制流體的啟閉，流體阻力小，密封性能好，介質的流向不受限制，開閉所需外力較小，結構長度較短。
閥桿有明桿和暗桿之分，明桿式閘閥適用于腐蝕介質，在化工工程上基本使用明桿式閘閥。暗桿閘閥主要用于水道上，多用于低壓、無腐蝕性介質的場合，如一些鑄鐵和銅閥門。閘板的結構形式包括楔式閘板、平行式閘板。
楔式閘板有單閘板，雙閘板之分。平行式閘板多用于油氣輸送系統，在化工裝置中不常用。
1.2 截止閥
主要作切斷用。截止閥流體阻力大，啟閉力矩大，而且有流向要求。截止閥與閘閥相比主要有如下優點：
(1)在開閉過程中密封面的摩擦力比閘閥小，耐磨。
(2)開啟高度比閘閥小。
(3)截止閥通常只有一個密封面，制造工藝好，便于維修。
截止閥和閘閥一樣也有明桿和暗桿之分，在此不再贅述。根據閥體結構不同截止閥有直通式、角式和Y型。直通式應用最廣泛，角式用于流體流向90°變化的場合。
另外節流閥和針形閥也屬截止閥一類，比普通截止閥調節功能強。
1.3 止回閥
止回閥又稱單向閥，用于防止流體逆向流動，所以安裝止回閥時，應注意介質的流動方向應與止回閥上的箭頭方向一致。止回閥的類型非常多，且各個制造商有不同的產品，但是從結構上主要分為旋啟式和升降式。旋啟式止回閥主要包括單瓣型和雙瓣型。
1.4 蝶閥
蝶閥可用于帶有懸浮固體的液體介質的啟閉和節流，流體阻力較小、重量輕，結構尺寸小，啟閉迅速，適用于大口徑管道上。蝶閥有一定調節功能，可以運送漿體。由于以往的加工工藝落后，蝶閥一直用在水系統上，而很少用在工藝系統上，隨著材料、設計及加工的改進，蝶閥已經越來越多地用在工藝系統上了。
蝶閥有軟密封和硬密封兩種類型。選擇軟密封和硬密封主要取決于流體介質的溫度。相對而言軟密封要比硬密封的密封性能好。
軟密封有橡膠及PTFE(聚四氟乙烯)閥座兩種。橡膠閥座蝶閥(橡膠襯里閥體)多用在水系統上，為中線型結構，這種蝶閥在管道安裝時可以不使用墊片，因為其橡膠襯里的翻邊可以充當墊片的功能。PTFE閥座蝶閥多用在工藝系統上，一般為單偏心或雙偏心結構。
硬密封的品種很多，如硬質固定密封圈，多層密封等，由于制造商的設計往往不同，其泄漏率也不一樣。硬密封蝶閥的結構以三偏心為佳，解決了熱脹補償和磨損補償的問題。雙偏心或三偏心結構硬密封蝶閥亦具有雙向密封功能，其逆向(低壓側至高壓側)密封壓力應不低于正向(高壓側至低壓側)的80%。設計選型應與廠家協商。
1.5 旋塞閥
旋塞閥流體阻力小，密封性能好，使用壽命長，可以雙向密封，所以往往用在高度或極度危害的物料上，但是啟閉力矩比較大，價格也比較高。旋塞閥腔體內不積液，特別是對間歇裝置的物料不會造成污染，所以在有些場合必須使用旋塞閥。
旋塞閥和球閥關閉時腔體內積液情況，旋塞閥流道可分為直通、三通、四通，適用于氣、液相流體多向分配。
旋塞閥可分為無潤滑及潤滑型兩種。帶有強制潤滑的油封式旋塞閥，由于強制潤滑使旋塞和旋塞的密封面間形成一層油膜。這樣密封性能更好，啟閉省力，防止密封面受到損傷，但是必須考慮潤滑是否對物料有污染，而且需定期維護優先選擇無潤滑型。
旋塞閥的閥座(Sleeve)密封是連續的，包圍了整個旋塞，所以流體不會與軸接觸。另外旋塞閥還有一層金屬復合材料的隔膜作為第二道密封，所以旋塞閥可以嚴格控制外部泄漏。旋塞閥一般是沒有填料的，當有特殊要求時(如不允許有外部泄漏等)，則需要填料，作為第三道密封。
旋塞閥的設計結構使得旋塞閥可以在線調節密封閥座。由于長時間的運行，密封面會有所磨損，因為旋塞是錐形的，可以通過閥蓋的螺栓往下壓緊旋塞，使其和閥座緊密配合達到密封效果。
1.6 球閥
球閥的功能與旋塞閥類似(球閥是旋塞閥的派生產品)。球閥密封效果好，所以應用廣泛。球閥啟閉迅速，啟閉力矩比旋塞閥小，阻力非常小，維修方便，適用于漿液、粘性流體以及對密封要求較高的介質管道上。并且由于價格便宜，球閥比旋塞閥使用廣泛。球閥一般可以從球體結構形式、閥體結構形式、流道形式和閥座材料來進行分類。
按球體結構形式分有浮動球閥和固定球閥。前者多用于小口徑，后者用于大口徑，一般以DN200(CLASS 150)，DN150(CLASS 300和CLASS 600)為界。
按閥體結構形式分有一片式、兩片式和三片式這三種。一片式又有頂裝式和側裝式兩種。 按流道形式分有全通徑和縮徑。縮徑球閥比全通徑球閥用材料少，價格便宜，如果工藝條件允許，可以考慮優先使用。球閥流道可分為直通、三通、四通，適用于氣、液相流體多向分配。按閥座材料分有軟密封和硬密封。當用于可燃介質或者外部環境有可能燃燒時，軟密封球閥應具有防靜電、防火設計，制造商的產品應通過防靜電、防火試驗，如按照API607等。這同樣適用于軟密封蝶閥和旋塞閥(旋塞閥僅能符合防火試驗中的外部防火要求)。
1.7 隔膜閥
隔膜閥可以雙向密封，適用于低壓，有腐蝕性的漿液或懸浮粘性流體介質。并且由于操作機構和介質通道隔開，依靠彈性隔膜切斷流體，特別適用于食品和醫藥衛生工業中的介質。隔膜閥使用溫度取決于隔膜材料的耐溫性能。從結構上可分為直通式和堰式。
二、端部連接形式的選用
閥門端部常用的連接形式包括法蘭連接、螺紋連接、對焊連接和承插焊連接。
2.1 法蘭連接
法蘭連接有利于閥門的安裝和拆卸。閥門端法蘭密封面形式主要有全平面(FF)、突面(RF)、凹面(FM)、榫槽面(TG)和環連接面(RJ)等幾種。API閥門采用的法蘭標準是ASMEB16.5等系列。有時在法蘭連接的閥門上可以見到Class 125和Class 250等級，這是鑄鐵法蘭的壓力等級，與Class 150和Class 300的連接尺寸相同，只不過前兩者的密封面是全平面(FF)。
對夾式(Wafer)和支耳式(Lug)閥門也是用法蘭連接的。
2.2 對焊連接
由于對焊接頭強度高、密封性好，所以在化工系統中對焊連接的閥門大多應用在一些高溫、高壓、有劇毒介質、易燃易爆的場合。
2.3 承插焊和螺紋連接
一般用于公稱尺寸不超過DN40的管道系統中，但不能用于有縫隙腐蝕的流體介質。
螺紋連接不得用于劇毒、可燃介質的管道上，同時也應避免使用在循環載荷的工況上。目前工程中使用在壓力不高的場合。管道上的螺紋形式主要是錐管螺紋，錐管螺紋有兩種規格，其錐頂角分別為55°和60°，兩者無法互換通用。在可燃或高度危害介質的管道上，如果安裝需要，必須采用螺紋連接時，此時公稱尺寸不應超過DN20，在螺紋連接后再進行密封焊。
三、閥門材料
閥門材料包括閥門的殼體、內件、墊片、填料以及緊固件材料等。因為閥門材料非常多，并且由于篇幅所限，本文僅簡單介紹典型的閥門殼體材料。黑色金屬殼體材料包括鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、合金鋼。
3.1 鑄鐵
灰鑄鐵(A1262B)一般使用在低壓閥門上，不推薦在工藝管道上使用。球墨鑄鐵(A395)的性能(強度和韌性)要比灰鑄鐵好。
3.2 碳鋼
在閥門制造中最常見的碳鋼材料有A2162WCB(鑄件)和A105(鍛件)。應特別注意碳鋼長時間在400℃以上工作，會影響到閥門的壽命。對于低溫工況的閥門，常用的有A3522LCB(鑄件)和A3502LF2(鍛件)。
3.3 奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼材料通常應用在具有腐蝕性工況或超低溫工況。其中常用的鑄件有A351-CF8、A351-CF8M、A351-CF3和A351-CF3M;常用的鍛件有A182-F304、A182-F316、A182-F304L和A182-F316L。
3.4 合金鋼材料
對于低溫工況的閥門，常用的有A352-LC3(鑄件)、A350-LF3(鍛件)。 對于高溫工況的閥門，常用的有A217-WC6(鑄件)、A182-F11(鍛件)和A217-WC9(鑄件)、A182-F22(鍛件)。由于WC9、F22屬于2-1/4Cr-1Mo系列，相比屬于1-1/4Cr-1/2Mo系列的WC6、F11含有更高的Cr、Mo，所以具有更好的抗高溫蠕變性能。
四、驅動方式
通常閥門操作都采用手動方式。當閥門的公稱壓力較高或公稱尺寸較大，手動操作閥門比較困難時，可以采用齒輪傳動等操作方式。閥門驅動方式的選用應根據閥門的種類、公稱壓力和公稱尺寸而確定。
五、閥門選用原則
5.1 閥門選擇要考慮的主要參數
(1)所輸送的流體性質，這將影響閥型和閥結構材料的選擇。
(2)功能要求(調節還是切斷)，這主要影響閥型選擇。
(3)操作條件(是否頻繁)，這將影響閥型和閥門材料選擇。
(4)流動特性和摩擦損失。
(5)閥門公稱尺寸的大小(公稱尺寸很大的閥門只有在有限范圍的閥型中才能找到)。
(6)其他特殊要求，如自動關閉、平衡壓力等。
5.2 材料選用
(1)對于小口徑(DN≤40)一般選用鍛件，大口徑(DN>40)一般選用鑄件。鍛件閥體的端法蘭，應該優先選擇整體鍛制閥體，如果法蘭是焊接在閥體上，則對焊縫應該進行 100%射線檢驗。
(2)對焊和承插焊碳鋼閥體的含碳量應不大于0.25%，并且碳當量應不大于0.45%。
注：當奧氏體不銹鋼工作溫度超過425℃時，含碳量不應小于0.04%，熱處理狀態為大于1040℃快冷(CF8)和1100℃快冷(CF8M)。
(4)當流體腐蝕性強，普通奧氏體不銹鋼不能使用時，應考慮一些特種材料，如904L、雙相鋼(如S31803等)、蒙乃爾和哈氏合金等。
5.3 閘閥的選用
(1)在DN≤50時一般使用剛性單閘板;在DN>50時一般使用彈性單閘板。
(2)對于低溫系統的彈性單閘板閘閥，應在其高壓側的閘板上開一個排氣孔。
(3)在要求低泄漏的工況，應采用低泄漏的閘閥。低泄漏的閘閥有多種結構，其中在化工裝置中一般使用波紋管式閘閥，最低循環壽命見表2。
波紋管式閘閥的最低循環壽命
注：1英寸=0.0254m
(4)雖然閘閥是石油化工生產裝置中用得最多的一種類型。但在下列場合不宜使用閘閥：
① 因為開啟高度較高，操作所需空間較大，所以不適用于操作空間較小的場合。
② 啟閉時間長，所以不適用于快速啟閉場合。
③ 不宜用于有固體沉降的流體。因為密封面會磨損，閘板關不死。
④ 不宜用于流量調節。因為閘閥部分開啟時，介質會在閘板背面產生渦流，易引起閘板的沖蝕和振動，閥座的密封面也易損壞。
⑤ 頻繁操作閥門會導致閥座表面過度磨損，因此通常只適用于不頻繁操作的情況。
5.4 截止閥的選用
(1)截止閥與相同規格的閘閥相比，結構長度較大，一般用于DN≤250的管道上，因為大口徑的截止閥加工和制造都比較麻煩，且密封性能不如小口徑的截止閥。
(2)由于截止閥的流體阻力大，因此不宜用于懸浮固體及粘度較大的流體介質。
(3)針形閥是帶細微錐形塞子的截止閥，可用于小流量微調或用作取樣閥，通常應用于小口徑。如果口徑大，也需要有調節功能，可以采用節流閥，此時閥瓣為拋物線等形狀。
(4)要求低泄漏的工況，應采用低泄漏的截止閥。低泄漏的截止閥有多種結構，其中在化工裝置中一般使用波紋管式截止閥，最低循環壽命見表3。
波紋管截止閥應用比波紋管閘閥廣泛，因為波紋管式截止閥的波紋管比較短，循環壽命比較長。但波紋管式閥門價格昂貴，并且波紋管的質量(如材料，循環次數要求等)及焊接直接影響到閥門的使用壽命及性能，選用時應尤其注意。
5.5 止回閥的選用
(1)水平升降式止回閥一般用于DN≤50的場合，只能安裝在水平管道上。立式升降式止回閥通常用于DN≤100的場合，安裝在垂直管道上。
(2)升降式止回閥可以選用帶彈簧的形式，此時的密封性能要比不帶彈簧的好。
(3)旋啟式止回閥最小口徑一般為DN>50，可以用在水平管道上，也可用在垂直管道上(流體必須是自下而上)，但易引起水錘現象。雙瓣止回閥(Double Disc)往往是對夾式的，是止回閥中最節省空間的，便于管道布置，在大口徑上尤其使用廣泛。由于普通旋啟式止回閥(單瓣型)的閥瓣不能完全開啟到90°，有一定流阻，所以當工藝有要求時，可以提出特殊要求(要求閥瓣全啟)或采用Y型升降式止回閥。
(4)在有可能產生水錘現象的情況下，可以考慮采用帶緩閉裝置和阻尼機構的止回閥。這種閥門利用管路內介質進行緩沖，在止回閥關閉的瞬間，達到消除或減小水錘的作用，保護管路和防止泵倒流。
5.6 旋塞閥的選用
(1)由于制造問題，無潤滑型旋塞閥DN>250不宜選用。
(2)當要求閥門腔體不積液時，應選擇旋塞閥。
(3)當軟密封球閥的密封不能滿足要求時，如產生內漏，可以用旋塞閥代替。
(4)對于有些工況溫度變化頻繁，則普通旋塞閥不能使用。因為溫度變化造成閥門部件和密封元件不同的膨脹和收縮，在熱循環過程中，填料長期收縮會導致沿著閥桿處泄漏。此時就要考慮特殊的旋塞閥，如XOMOX的Severe service系列，這種旋塞閥國內尚不能生產。
5.7 球閥的選用
(1)頂裝式球閥可以在線維修。三片式一般用于螺紋和承插焊連接的球閥。
(2)管道有通球系統時，只能使用全通徑球閥。
(3)軟密封比硬密封的密封效果好，但不能用在高溫(各種非金屬密封材料的耐溫性能不盡相同)。
(4)不得用于不允許閥門腔體有積液的場合。
5.8 蝶閥的選用
(1)當蝶閥兩端需要拆卸時，應選擇帶螺紋的支耳式或法蘭蝶閥。
(2)中線蝶閥的最小口徑一般為DN50;偏心蝶閥的最小口徑一般為DN80。
(3)當選用三偏心PTFE閥座蝶閥時，推薦選用U型閥座。
5.9 隔膜閥的選用
(1)直通式流體阻力小，隔膜啟閉行程長，隔膜壽命不如堰式。
(2)堰式流體阻力大，隔膜啟閉行程短，隔膜壽命優于直通式。
5.10 其它因素對閥門選型的影響
(1)系統允許的壓力降較小時，應選用流體阻力較小的閥型，如閘閥、直通的球閥等。
(2)要求迅速切斷時，宜選用旋塞閥、球閥、蝶閥。對于小口徑，應該優選球閥。
(3)就地操作的閥門絕大多數用手輪，與操作點有一定距離的，可采用鏈輪或加長桿。
(4)對于粘性流體，漿液及帶有固體顆粒的介質宜選用旋塞閥、球閥或蝶閥等。
(5)對于潔凈系統，一般選用旋塞閥、球閥、隔膜閥和蝶閥(需另外提要求，如拋光要求、密封件要求等)。
(6)一般情況下，壓力等級超過(含有)Class 900，且DN≥50的閥門采用壓力自緊密封閥蓋(Pressure Seal Bonnet);壓力等級低于(含有)Class 600的閥門采用螺栓連接閥蓋(Bolted Bonnet)，對有些要求嚴格防止泄漏的工況，可以考慮采用焊接型閥蓋。在一些低壓常溫的公用工程上，可以使用螺紋接頭閥蓋(Union Bonnet)，但是此結構一般不常使用。
(7)如果閥門需要保溫或保冷時，球閥和旋塞閥的手柄在與閥桿連接處需要相應加長以避開閥門的絕熱層，一般不超過150mm。
(8)當口徑較小時，如果焊接及熱處理過程中閥座會發生變形時，應選用長閥體型或端部帶短管的閥門。
(9)低溫系統(低于-46℃)的閥門(止回閥除外)應選用加長閥蓋頸部結構。閥桿應當經相應的表面處理，提高表面硬度，防止閥桿與填料、填料壓套擦傷，影響密封。
選型時除了考慮以上因素外，還應綜合考慮工藝要求、安全及經濟等因素，做出閥門形式的最后選擇。并且需要編寫閥門數據表，一般閥門數據表應包含以下內容：
(1)閥門的名稱、公稱壓力、公稱尺寸。
(2)設計和檢驗標準。
(3)閥門代號。
(4)閥門結構形式、閥蓋結構形式及閥門的端部連接形式。
(5)閥門殼體材料、閥座及閥板密封面材料、閥桿等內件材料、填料、閥蓋墊片及緊固件材料等。
(6)驅動方式。
(7)包裝及運輸要求。
(8)內外防腐要求。
(9)質量要求和備品備件要求。
(10)業主的要求以及其他特殊要求(如標記等)。
結束語
閥門在化工系統中占有重要的地位。管道用閥門的選擇應根據管道內被輸送流體的相態(液、汽)、含固量、壓力大小、溫度高低、腐蝕性質等諸多方面進行考慮。此外，操作上可靠無故障，費用上經濟合理和制造周期也是重要的考慮因素。
在以往工程設計中選擇閥門材料時一般只考慮殼體材料，而忽略內件等材料的選用。內件材料選用不當往往會導致閥門內部密封處、閥桿填料處以及閥蓋墊片處的密封失效，影響壽命，從而不能達到原先預計的使用效果，容易引起事故。
從目前的情況看，API閥門沒有統一的標識代號，而國標閥門雖然有一套標識方法，但不能夠非常明確地顯示內件和其他材料，以及其他特殊要求。所以在工程項目中應當對所需要的閥門通過編制閥門數據表來進行詳細的描述。這樣對閥門的選用、采購、安裝、調試以及備品備件都提供了方便，提高了工作效率，并減少了錯誤的發生概率。
