化工裝置常用金屬閥門(mén)類(lèi)型及選用分析

閥門(mén)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(mén)。閥門(mén)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(mén)對工廠(chǎng)安全及流體控制系統具有重要的作用。隨著(zhù)越來(lái)越多的引進(jìn)裝置進(jìn)入國內，API閥門(mén)已經(jīng)得到廣泛應用，本文僅以API黑色金屬閥門(mén)為分析對象?！　?/p>

一、閥門(mén)的類(lèi)型及用途　　

工程上閥門(mén)種類(lèi)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?！　?/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(kāi)閉所需外力較小，結構長(cháng)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(wú)腐蝕性介質(zhì)的場(chǎng)合，如一些鑄鐵和銅閥門(mén)。閘板的結構形式包括楔式閘板、平行式閘板?！　?br/>

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?！　?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(diǎn)：　

(1)在開(kāi)閉過(guò)程中密封面的摩擦力比閘閥小，耐磨?！　?/p>

(2)開(kāi)啟高度比閘閥小?！　?/p>

(3)截止閥通常只有一個(gè)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(chǎng)合?！　?/p>

另外節流閥和針形閥也屬截止閥一類(lèi)，比普通截止閥調節功能強?！　?br/>

 1.3 止回閥　　

止回閥又稱(chēng)單向閥，用于防止流體逆向流動(dòng)，所以安裝止回閥時(shí)，應注意介質(zhì)的流動(dòng)方向應與止回閥上的箭頭方向一致。止回閥的類(lèi)型非常多，且各個(gè)制造商有不同的產(chǎn)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?！　?/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(zhù)材料、設計及加工的改進(jìn)，蝶閥已經(jīng)越來(lái)越多地用在工藝系統上了。

蝶閥有軟密封和硬密封兩種類(lèi)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)多用在水系統上，為中線(xiàn)型結構，這種蝶閥在管道安裝時(shí)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?！　?/p>

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(wèn)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(chǎng)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(cháng)，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(jià)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(huì )造成污染，所以在有些場(chǎng)合必須使用旋塞閥。

旋塞閥和球閥關(guān)閉時(shí)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?！　?/p>

旋塞閥可分為無(wú)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(wú)潤滑型?！　?/p>

旋塞閥的閥座(Sleeve)密封是連續的，包圍了整個(gè)旋塞，所以流體不會(huì )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(méi)有填料的，當有特殊要求時(shí)(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(xiàn)調節密封閥座。由于長(cháng)時(shí)間的運行，密封面會(huì )有所磨損，因為旋塞是錐形的，可以通過(guò)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(lèi)似(球閥是旋塞閥的派生產(chǎn)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(zhì)管道上。并且由于價(jià)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(lái)進(jìn)行分類(lèi)?！　?/p>

按球體結構形式分有浮動(dòng)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?！　“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(jià)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(shí)，軟密封球閥應具有防靜電、防火設計，制造商的產(chǎn)品應通過(guò)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)?！　?br/>

 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)。并且由于操作機構和介質(zhì)通道隔開(kāi)，依靠彈性隔膜切斷流體，特別適用于食品和醫藥衛生工業(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。從結構上可分為直通式和堰式?！　?/p>

二、端部連接形式的選用　

閥門(mén)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(mén)的安裝和拆卸。閥門(mén)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(mén)采用的法蘭標準是ASMEB16.5等系列。有時(shí)在法蘭連接的閥門(mén)上可以見(jiàn)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(guò)前兩者的密封面是全平面(FF)?！　?/p>

對夾式(Wafer)和支耳式(Lug)閥門(mén)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，所以在化工系統中對焊連接的閥門(mén)大多應用在一些高溫、高壓、有劇毒介質(zhì)、易燃易爆的場(chǎng)合?！　?/p>

2.3　承插焊和螺紋連接　　

一般用于公稱(chēng)尺寸不超過(guò)DN40的管道系統中，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(shí)也應避免使用在循環(huán)載荷的工況上。目前工程中使用在壓力不高的場(chǎng)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(wú)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(shí)，此時(shí)公稱(chēng)尺寸不應超過(guò)DN20，在螺紋連接后再進(jìn)行密封焊?！?/p>

三、閥門(mén)材料　　 

閥門(mén)材料包括閥門(mén)的殼體、內件、墊片、填料以及緊固件材料等。因為閥門(mén)材料非常多，并且由于篇幅所限，本文僅簡(jiǎn)單介紹典型的閥門(mén)殼體材料。黑色金屬殼體材料包括鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、合金鋼?！　?/p>

 3.1　鑄鐵　

灰鑄鐵(A1262B)一般使用在低壓閥門(mén)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?！　?/p>

 3.2　碳鋼　

在閥門(mén)制造中最常見(jiàn)的碳鋼材料有A2162WCB(鑄件)和A105(鍛件)。應特別注意碳鋼長(cháng)時(shí)間在400℃以上工作，會(huì )影響到閥門(mén)的壽命。對于低溫工況的閥門(mén)，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(mén)，常用的有A352-LC3(鑄件)、A350-LF3(鍛件)?！　τ诟邷毓r的閥門(mén)，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、驅動(dòng)方式　　

通常閥門(mén)操作都采用手動(dòng)方式。當閥門(mén)的公稱(chēng)壓力較高或公稱(chēng)尺寸較大，手動(dòng)操作閥門(mén)比較困難時(shí)，可以采用齒輪傳動(dòng)等操作方式。閥門(mén)驅動(dòng)方式的選用應根據閥門(mén)的種類(lèi)、公稱(chēng)壓力和公稱(chēng)尺寸而確定。

五、閥門(mén)選用原則　　

5.1　閥門(mén)選擇要考慮的主要參數　

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

(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(mén)材料選擇。

(4)流動(dòng)特性和摩擦損失?！　?/p>

(5)閥門(mén)公稱(chēng)尺寸的大小(公稱(chēng)尺寸很大的閥門(mén)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(dòng)關(guān)閉、平衡壓力等?！　?/p>

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(yōu)先選擇整體鍛制閥體，如果法蘭是焊接在閥體上，則對焊縫應該進(jìn)行 100%射線(xiàn)檢驗?！　?/p>

(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%。

(3)常用材料的推薦工作溫度見(jiàn)表1。 

注：當奧氏體不銹鋼工作溫度超過(guò)425℃時(shí)，含碳量不應小于0.04%，熱處理狀態(tài)為大于1040℃快冷(CF8)和1100℃快冷(CF8M)?！　?/p>

(4)當流體腐蝕性強，普通奧氏體不銹鋼不能使用時(shí)，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?！　?br/>

5.3　閘閥的選用　

(1)在DN≤50時(shí)一般使用剛性單閘板;在DN>50時(shí)一般使用彈性單閘板?！　?/p>

(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(kāi)一個(gè)排氣孔?！　?br/>

(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(huán)壽命見(jiàn)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(lèi)型。但在下列場(chǎng)合不宜使用閘閥：　　

① 因為開(kāi)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(chǎng)合?！　?br/>

② 啟閉時(shí)間長(cháng)，所以不適用于快速啟閉場(chǎng)合?！　?br/>

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

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

⑤ 頻繁操作閥門(mén)會(huì )導致閥座表面過(guò)度磨損，因此通常只適用于不頻繁操作的情況?！　?br/>

 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(cháng)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)?！　?br/>

(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(shí)閥瓣為拋物線(xiàn)等形狀?！　?br/>

(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(huán)壽命見(jiàn)表3。  　　

 波紋管式截止閥的最低循環(huán)壽命

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(huán)壽命比較長(cháng)。但波紋管式閥門(mén)價(jià)格昂貴，并且波紋管的質(zhì)量(如材料，循環(huán)次數要求等)及焊接直接影響到閥門(mén)的使用壽命及性能，選用時(shí)應尤其注意?！　?/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(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(kāi)啟到90°，有一定流阻，所以當工藝有要求時(shí)，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(mén)利用管路內介質(zhì)進(jìn)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(wèn)題，無(wú)潤滑型旋塞閥DN>250不宜選用?！?/p>

(2)當要求閥門(mén)腔體不積液時(shí)，應選擇旋塞閥?！　?/p>

(3)當軟密封球閥的密封不能滿(mǎn)足要求時(shí)，如產(chǎn)生內漏，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(mén)部件和密封元件不同的膨脹和收縮，在熱循環(huán)過(guò)程中，填料長(cháng)期收縮會(huì )導致沿著(zhù)閥桿處泄漏。此時(shí)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(chǎn)?！　?/p>

 5.7　球閥的選用　　

(1)頂裝式球閥可以在線(xiàn)維修。三片式一般用于螺紋和承插焊連接的球閥?！　?/p>

(2)管道有通球系統時(shí)，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(mén)腔體有積液的場(chǎng)合?！　?br/>

5.8　蝶閥的選用　　

(1)當蝶閥兩端需要拆卸時(shí)，應選擇帶螺紋的支耳式或法蘭蝶閥?！　?/p>

(2)中線(xiàn)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(shí)，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(cháng)，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(mén)選型的影響　　

(1)系統允許的壓力降較小時(shí)，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(shí)，宜選用旋塞閥、球閥、蝶閥。對于小口徑，應該優(yōu)選球閥。

(3)就地操作的閥門(mén)絕大多數用手輪，與操作點(diǎn)有一定距離的，可采用鏈輪或加長(cháng)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，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(guò)(含有)Class 900，且DN≥50的閥門(mén)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(mén)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?！　?/p>

(7)如果閥門(mén)需要保溫或保冷時(shí)，球閥和旋塞閥的手柄在與閥桿連接處需要相應加長(cháng)以避開(kāi)閥門(mén)的絕熱層，一般不超過(guò)150mm?！　?/p>

(8)當口徑較小時(shí)，如果焊接及熱處理過(guò)程中閥座會(huì )發(fā)生變形時(shí)，應選用長(cháng)閥體型或端部帶短管的閥門(mén)?！　?br/>

(9)低溫系統(低于-46℃)的閥門(mén)(止回閥除外)應選用加長(cháng)閥蓋頸部結構。閥桿應當經(jīng)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?！　?/p>

選型時(shí)除了考慮以上因素外，還應綜合考慮工藝要求、安全及經(jīng)濟等因素，做出閥門(mén)形式的最后選擇。并且需要編寫(xiě)閥門(mén)數據表，一般閥門(mén)數據表應包含以下內容：　　

(1)閥門(mén)的名稱(chēng)、公稱(chēng)壓力、公稱(chēng)尺寸?！　?br/>

(2)設計和檢驗標準?！　?br/>

(3)閥門(mén)代號?！　?br/>

(4)閥門(mén)結構形式、閥蓋結構形式及閥門(mén)的端部連接形式?！　?br/>

(5)閥門(mén)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?！　?br/>

(6)驅動(dòng)方式?！　?br/>

(7)包裝及運輸要求?！　?br/>

(8)內外防腐要求?！　?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/>

結束語(yǔ)　　
閥門(mén)在化工系統中占有重要的地位。管道用閥門(mén)的選擇應根據管道內被輸送流體的相態(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(jìn)行考慮。此外，操作上可靠無(wú)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>

在以往工程設計中選擇閥門(mén)材料時(shí)一般只考慮殼體材料，而忽略?xún)燃炔牧系倪x用。內件材料選用不當往往會(huì )導致閥門(mén)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。