化工裝置常用金屬閥門類型及選用分析

閥門是管道系統(tǒng)中的重要部件，在化工裝置中應(yīng)用最廣泛的是金屬閥門。閥門的作用主要是用于啟閉、節(jié)流和保障管道及設(shè)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(tǒng)具有重要的作用。隨著越來越多的引進裝置進入國內(nèi)，API閥門已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，本文僅以API黑色金屬閥門為分析對象?！　?/p>

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(xué)性能的不同，所以對流體系統(tǒng)的控制要求也不相同，其中閘閥、截止閥(節(jié)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(yīng)用最廣泛?！　?/p>

 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(zhì)的流向不受限制，開閉所需外力較小，結(jié)構(gòu)長度較短?！　?br/>

閥桿有明桿和暗桿之分，明桿式閘閥適用于腐蝕介質(zhì)，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(zhì)的場合，如一些鑄鐵和銅閥門。閘板的結(jié)構(gòu)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(tǒng)，在化工裝置中不常用?！　?br/>

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(yōu)點：　

(1)在開閉過程中密封面的摩擦力比閘閥小，耐磨?！　?/p>

(2)開啟高度比閘閥小?！　?/p>

(3)截止閥通常只有一個密封面，制造工藝好，便于維修?！　?/p>

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(jù)閥體結(jié)構(gòu)不同截止閥有直通式、角式和Y型。直通式應(yīng)用最廣泛，角式用于流體流向90°變化的場合?！　?/p>

另外節(jié)流閥和針形閥也屬截止閥一類，比普通截止閥調(diào)節(jié)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(yīng)注意介質(zhì)的流動方向應(yīng)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(chǎn)品，但是從結(jié)構(gòu)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?！　?/p>

1.4　蝶閥　　

蝶閥可用于帶有懸浮固體的液體介質(zhì)的啟閉和節(jié)流，流體阻力較小、重量輕，結(jié)構(gòu)尺寸小，啟閉迅速，適用于大口徑管道上。蝶閥有一定調(diào)節(jié)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(tǒng)上，而很少用在工藝系統(tǒng)上，隨著材料、設(shè)計及加工的改進，蝶閥已經(jīng)越來越多地用在工藝系統(tǒng)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(zhì)的溫度。相對而言軟密封要比硬密封的密封性能好?！　?/p>

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(tǒng)上，為中線型結(jié)構(gòu)，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(tǒng)上，一般為單偏心或雙偏心結(jié)構(gòu)。　　

硬密封的品種很多，如硬質(zhì)固定密封圈，多層密封等，由于制造商的設(shè)計往往不同，其泄漏率也不一樣。硬密封蝶閥的結(jié)構(gòu)以三偏心為佳，解決了熱脹補償和磨損補償?shù)膯栴}。雙偏心或三偏心結(jié)構(gòu)硬密封蝶閥亦具有雙向密封功能，其逆向(低壓側(cè)至高壓側(cè))密封壓力應(yīng)不低于正向(高壓側(cè)至低壓側(cè))的80%。設(shè)計選型應(yīng)與廠家協(xié)商?！　?/p>

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(nèi)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(guān)閉時腔體內(nèi)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?！　?/p>

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(yōu)先選擇無潤滑型?！　?/p>

旋塞閥的閥座(Sleeve)密封是連續(xù)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(fù)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(shè)計結(jié)構(gòu)使得旋塞閥可以在線調(diào)節(jié)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(chǎn)品)。球閥密封效果好，所以應(yīng)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(zhì)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(jié)構(gòu)形式、閥體結(jié)構(gòu)形式、流道形式和閥座材料來進行分類。　　

按球體結(jié)構(gòu)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?！　?/p>

按閥體結(jié)構(gòu)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(cè)裝式兩種?！　“戳鞯佬问椒钟腥◤胶涂s徑?？s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(yōu)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(zhì)或者外部環(huán)境有可能燃燒時，軟密封球閥應(yīng)具有防靜電、防火設(shè)計，制造商的產(chǎn)品應(yīng)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(zhì)。并且由于操作機構(gòu)和介質(zhì)通道隔開，依靠彈性隔膜切斷流體，特別適用于食品和醫(yī)藥衛(wèi)生工業(yè)中的介質(zhì)。隔膜閥使用溫度取決于隔膜材料的耐溫性能。從結(jié)構(gòu)上可分為直通式和堰式?！　?/p>

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?！　?nbsp;

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(huán)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)?！　?/p>

對夾式(Wafer)和支耳式(Lug)閥門也是用法蘭連接的?！　?/p>

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(tǒng)中對焊連接的閥門大多應(yīng)用在一些高溫、高壓、有劇毒介質(zhì)、易燃易爆的場合?！　?/p>

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(tǒng)中，但不能用于有縫隙腐蝕的流體介質(zhì)?！　?/p>

螺紋連接不得用于劇毒、可燃介質(zhì)的管道上，同時也應(yīng)避免使用在循環(huán)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(guī)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(zhì)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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)?！　?/p>

3.3　奧氏體不銹鋼　　

奧氏體不銹鋼材料通常應(yīng)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?！　?/p>

 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)?！　τ诟邷毓r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?！　?nbsp;

四、驅(qū)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(qū)動方式的選用應(yīng)根據(jù)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(shù)　

(1)所輸送的流體性質(zhì)，這將影響閥型和閥結(jié)構(gòu)材料的選擇?！?/p>

(2)功能要求(調(diào)節(jié)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?！　?/p>

(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(guān)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(yīng)該優(yōu)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(yīng)該進行 100%射線檢驗?！　?/p>

(2)對焊和承插焊碳鋼閥體的含碳量應(yīng)不大于0.25%，并且碳當量應(yīng)不大于0.45%。

(3)常用材料的推薦工作溫度見表1。 

注：當奧氏體不銹鋼工作溫度超過425℃時，含碳量不應(yīng)小于0.04%，熱處理狀態(tài)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(yīng)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?！　?br/>

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?！　?/p>

(2)對于低溫系統(tǒng)的彈性單閘板閘閥，應(yīng)在其高壓側(cè)的閘板上開一個排氣孔?！　?br/>

(3)在要求低泄漏的工況，應(yīng)采用低泄漏的閘閥。低泄漏的閘閥有多種結(jié)構(gòu)，其中在化工裝置中一般使用波紋管式閘閥，最低循環(huán)壽命見表2。  　　

波紋管式閘閥的最低循環(huán)壽命

注：1英寸=0.0254m 　　

(4)雖然閘閥是石油化工生產(chǎn)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?！　?br/>

② 啟閉時間長，所以不適用于快速啟閉場合?！　?br/>

③ 不宜用于有固體沉降的流體。因為密封面會磨損，閘板關(guān)不死?！　?br/>

④ 不宜用于流量調(diào)節(jié)。因為閘閥部分開啟時，介質(zhì)會在閘板背面產(chǎn)生渦流，易引起閘板的沖蝕和振動，閥座的密封面也易損壞?！　?br/>

⑤ 頻繁操作閥門會導(dǎo)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(guī)格的閘閥相比，結(jié)構(gòu)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?！　?br/>

(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(zhì)。　　

(3)針形閥是帶細微錐形塞子的截止閥，可用于小流量微調(diào)或用作取樣閥，通常應(yīng)用于小口徑。如果口徑大，也需要有調(diào)節(jié)功能，可以采用節(jié)流閥，此時閥瓣為拋物線等形狀?！　?br/>

(4)要求低泄漏的工況，應(yīng)采用低泄漏的截止閥。低泄漏的截止閥有多種結(jié)構(gòu)，其中在化工裝置中一般使用波紋管式截止閥，最低循環(huán)壽命見表3。  　　

 波紋管式截止閥的最低循環(huán)壽命

波紋管截止閥應(yīng)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(huán)壽命比較長。但波紋管式閥門價格昂貴，并且波紋管的質(zhì)量(如材料，循環(huán)次數(shù)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(yīng)尤其注意?！　?/p>

 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?！　?/p>

(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?！　?br/>

(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(xiàn)象。雙瓣止回閥(Double Disc)往往是對夾式的，是止回閥中最節(jié)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?！　?br/>

(4)在有可能產(chǎn)生水錘現(xiàn)象的情況下，可以考慮采用帶緩閉裝置和阻尼機構(gòu)的止回閥。這種閥門利用管路內(nèi)介質(zhì)進行緩沖，在止回閥關(guān)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?！　?br/>

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?！?/p>

(2)當要求閥門腔體不積液時，應(yīng)選擇旋塞閥?！　?/p>

(3)當軟密封球閥的密封不能滿足要求時，如產(chǎn)生內(nèi)漏，可以用旋塞閥代替?！　?/p>

(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(huán)過程中，填料長期收縮會導(dǎo)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(nèi)尚不能生產(chǎn)?！　?/p>

 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?！　?/p>

(2)管道有通球系統(tǒng)時，只能使用全通徑球閥?！　?/p>

(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)?！　?br/>

(4)不得用于不允許閥門腔體有積液的場合?！　?br/>

5.8　蝶閥的選用　　

(1)當?shù)y兩端需要拆卸時，應(yīng)選擇帶螺紋的支耳式或法蘭蝶閥?！　?/p>

(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?！?/p>

(3)當選用三偏心PTFE閥座蝶閥時，推薦選用U型閥座?！　?nbsp;

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?！　?/p>

(2)堰式流體阻力大，隔膜啟閉行程短，隔膜壽命優(yōu)于直通式?！　?br/>

5.10　其它因素對閥門選型的影響　　

(1)系統(tǒng)允許的壓力降較小時，應(yīng)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(yīng)該優(yōu)選球閥。

(3)就地操作的閥門絕大多數(shù)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(zhì)宜選用旋塞閥、球閥或蝶閥等?！?/p>

(5)對于潔凈系統(tǒng)，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)?！　?/p>

(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(jié)構(gòu)一般不常使用?！　?/p>

(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(yīng)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(fā)生變形時，應(yīng)選用長閥體型或端部帶短管的閥門?！　?br/>

(9)低溫系統(tǒng)(低于-46℃)的閥門(止回閥除外)應(yīng)選用加長閥蓋頸部結(jié)構(gòu)。閥桿應(yīng)當經(jīng)相應(yīng)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?！　?/p>

選型時除了考慮以上因素外，還應(yīng)綜合考慮工藝要求、安全及經(jīng)濟等因素，做出閥門形式的最后選擇。并且需要編寫閥門數(shù)據(jù)表，一般閥門數(shù)據(jù)表應(yīng)包含以下內(nèi)容：　　

(1)閥門的名稱、公稱壓力、公稱尺寸?！　?br/>

(2)設(shè)計和檢驗標準?！　?br/>

(3)閥門代號?！　?br/>

(4)閥門結(jié)構(gòu)形式、閥蓋結(jié)構(gòu)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(nèi)件材料、填料、閥蓋墊片及緊固件材料等。　　

(6)驅(qū)動方式?！　?br/>

(7)包裝及運輸要求。　　

(8)內(nèi)外防腐要求?！　?br/>

(9)質(zhì)量要求和備品備件要求?！　?br/>

(10)業(yè)主的要求以及其他特殊要求(如標記等)?！　?br/>

結(jié)束語　　
閥門在化工系統(tǒng)中占有重要的地位。管道用閥門的選擇應(yīng)根據(jù)管道內(nèi)被輸送流體的相態(tài)(液、汽)、含固量、壓力大小、溫度高低、腐蝕性質(zhì)等諸多方面進行考慮。此外，操作上可靠無故障，費用上經(jīng)濟合理和制造周期也是重要的考慮因素?！?/p>

在以往工程設(shè)計中選擇閥門材料時一般只考慮殼體材料，而忽略內(nèi)件等材料的選用。內(nèi)件材料選用不當往往會導(dǎo)致閥門內(nèi)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(yù)計的使用效果，容易引起事故。