工程設(shè)計(jì)中工藝閥門選擇要點(diǎn)

王春紅(中國天辰工程有限公司管道工程部，天津300000)

工程設(shè)計(jì)中工藝閥門選擇要點(diǎn)

王春紅(中國天辰工程有限公司管道工程部，天津300000)

在工程設(shè)計(jì)中閥門種類繁多，本文從各個閥門的特點(diǎn)入手，結(jié)合工程實(shí)踐，對于不同使用環(huán)境下的閥門選擇提供參考意見

閥門;閥門選擇;隔離閥

1 概述

在工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殚y門的種類繁多，每種閥門都有自己的特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)人員，尤其年輕的設(shè)計(jì)者由于不太了解閥門的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)往往選錯閥門，造成設(shè)計(jì)失誤。系統(tǒng)的了解閥門，對工程設(shè)計(jì)人員（不是閥門設(shè)計(jì)）需要多年的積累。

本文的主要目的是解決工程設(shè)計(jì)中的一些基本問題，將復(fù)雜的問題簡單化，將工藝管道設(shè)計(jì)中閥門的選擇要求進(jìn)行總結(jié)。以往的閥門選擇類手冊都著重介紹每種閥門的特點(diǎn)，限于篇幅，本文從基本因素入手，對通用性的因素進(jìn)行總結(jié)，希望能開拓設(shè)計(jì)者的思路。

2 閥門選擇需要考慮的因素

閥門選擇需要注意以下各方面的因素：

1 需要選擇的閥門在工藝過程當(dāng)中的作用

2 介質(zhì)的條件，涉及到介質(zhì)的溫度、壓力；流體的類型，涉及到介質(zhì)的危險性、腐蝕性、氣態(tài)、液態(tài)還是蒸汽；流體特性、密度、流速和清潔程度（固體含量）等

3 操作的頻繁程度

4 所需閥門需要達(dá)到的密封程度

5 閥門的檢修要求

6 閥門所處的環(huán)境要求

7 以往相同項(xiàng)目閥門的使用經(jīng)驗(yàn)

8 閥門的重量和尺寸的要求

9 閥門的費(fèi)用問題

3 閥門作用

本章節(jié)略過一些對于閥門作用的基本認(rèn)識，認(rèn)為看到此文的工程設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解了一些閥門的基本知識。

3.1 ISOLATION VALVES（隔離閥）

工藝系統(tǒng)當(dāng)中的隔離閥，可以阻止介質(zhì)流向指定的位置，工藝上通常是為了維護(hù)或安全目的。一個閥門被歸類為隔離閥，是因?yàn)樗谝粋€系統(tǒng)中具有預(yù)期的功能，而不是因?yàn)殚y門本身的結(jié)構(gòu)。因此，許多不同類型的閥門可以被歸類為隔離閥。

對于隔離閥作用可能要求閥門具有：低流阻的要求，即要求直通型、全通徑的閥門。

還有可能需要閥門具有雙向密封的要求，即介質(zhì)從任何一個方向?qū)﹂y門存在壓力差的情況，閥門都需要提供良好的關(guān)閉狀態(tài)。

從隔離的效果上去考慮：

1 如果介質(zhì)是干凈的氣體或者液體、溫度不超過200℃的話，可以選擇軟密封的閥門，提供更好的密封等級

2 對于蒸汽介質(zhì)，如果存在閥門關(guān)閉狀態(tài)下溫度波動，應(yīng)該首選平板閘閥。楔形閘板的閘閥可以在介質(zhì)壓力不高，介質(zhì)不能是閥門提供足夠的密封力的情況下選用。

如果從重量、成本、操作時將的角度考慮選擇縮頸的閥門，下列的因素就需要考慮：

a 考慮壓力降的增加對整個管道設(shè)計(jì)的影響。

b 截面模量的減小對管道應(yīng)力分析的影響。

c 不能用于水平布置的坡度管線。

d 采用了縮頸的閥門，如果需要設(shè)計(jì)放凈的話，需要在閥門的前后都設(shè)計(jì)放凈。

e 不能在沒有任何磨損分析的情況下，用于一些有磨蝕的介質(zhì)

f 不能用于有清潔器清潔的管道

3.1.1 閘閥

楔形閘板閘閥是化工項(xiàng)目上經(jīng)常采用的閥門。彈性楔形閘板的閘閥能夠一定程度上允許密封面和閥座的錯位（加工或者使用造成的輕微錯位），能夠?qū)⒚芊饷娴穆N曲減小到最小程度。相對而言，剛性閘板由于會有很大的摩擦（加工造成的密封面不能完全對齊的話摩擦?xí)螅┤菀啄芊饷妗?/p>

對于需要100%關(guān)閉能力的閘閥來講，如果使用一段時間后溫度壓力發(fā)生了變動，可能會造成輕微的泄漏。

如果介質(zhì)比較臟，或者一定的固體顆粒，顆粒的硬度又比較高，肯定會劃傷密封面，另外顆粒物質(zhì)也有可能會停留在閥腔中，這樣的閥門應(yīng)該考慮密封面的硬化處理。

一般的刀形閘閥（沒有一般閘閥的空腔）設(shè)計(jì)用到一些介質(zhì)壓力較低且無毒無害的場合，可以用于渣漿、固體等介質(zhì)。

3.1.2 球閥

一般類型的球閥具有直通和全通徑的結(jié)構(gòu)，適合用于開關(guān)的場合，雖然球閥也有很好的調(diào)節(jié)能力（介質(zhì)的流量較為線性），但出于存在較小流量的情況下，流速過快存在沖刷密封面的風(fēng)險，一般情況下不設(shè)計(jì)用來調(diào)節(jié)流量。

球閥經(jīng)常會配置軟密封的閥座，這樣的球閥應(yīng)該用于干凈的氣體或者液體，避免高壓高溫。

小口徑的球閥屬于快開快關(guān)型的閥門，應(yīng)避免“水錘”的影響，球閥一般會設(shè)計(jì)成“開”的時候，閥桿與管道軸向平行。

3.1.3 蝶閥

對于昂貴的金屬，蝶閥因?yàn)橛袑A式的結(jié)構(gòu)，所以更為經(jīng)濟(jì)，蝶閥一般不用于小口徑或者是超過Class600的場合。即使能做到雙向密封的蝶閥，也有一個更好的密封方向。

對夾的蝶閥應(yīng)該不能用于下列場合：

a介質(zhì)中包含超過25%或更高的氫氣

b超過閃點(diǎn)溫度的液體介質(zhì)

c蒸汽介質(zhì)

d溫度超過260℃的介質(zhì)

e包含危險介質(zhì)的儲罐等的第一道隔離閥

f往復(fù)式壓縮機(jī)介質(zhì)或者泵出口

3.1.4 旋塞閥

旋塞閥有直通的結(jié)構(gòu)，但經(jīng)常是縮頸的流通面積，僅僅是有“通球”（清潔器清潔管線）要求時才會配置球形的通道。大多數(shù)類型的旋塞閥都配置軟密封，所以有使用溫度的限制。旋塞閥有很好的流量調(diào)節(jié)特性可以用于調(diào)節(jié)閥組的旁路等。

旋塞閥由于本身結(jié)構(gòu)的原因，有很好的密封性能，無論是內(nèi)漏還是外漏。旋塞閥的旋塞和PTFE的襯套接觸緊密、閥體內(nèi)沒有空腔，可以防止介質(zhì)中的一些顆粒進(jìn)入，即使有些顆粒進(jìn)入到密封面，也因?yàn)樾y與襯套整體接觸的面積較大，不容易造成泄漏。也就是因?yàn)檫@個原因旋塞閥操作的力矩也較大。

3.1.5 隔膜閥

隔膜閥可以用于開關(guān)閥門也可以用于調(diào)節(jié)流量。隔膜閥用于低壓的氣體或者液體介質(zhì)，隔膜閥的溫度壓力等級受到隔膜材料的限制。

如果隔膜閥用于可燃、腐蝕較大或者有毒性介質(zhì)，應(yīng)采用閥桿密封填料作為隔膜失效的第二道泄漏保證。這樣的閥門閥蓋應(yīng)該有一個放空口，即使是帶壓的情況下也可以用安全的方法檢測隔膜的完整性。

3.1.6 截止閥

截止閥的流阻較其他閥門大，截止閥可以作為節(jié)流，但應(yīng)避免震動。另外截止閥還有直流式和角式；直流式適合一些粘度較高的介質(zhì)的流量調(diào)節(jié)，角式截止閥流阻要比直通型的小，安裝到管道上可以節(jié)省一個彎頭。

軟密封的截止閥跟其他的軟密封閥門一樣，最高的使用溫度都要受到軟密封材料的限制，軟密封的截止閥不適合用來調(diào)節(jié)流量。

3.2 止回閥

止回閥的作用是阻止介質(zhì)明顯的回流，我們不能期待止回閥提供隔離作用。正常情況下止回閥的閥桿一般不穿閥體，當(dāng)然除了需要提供阻尼效果。一般型式的止回閥不用于渣漿類介質(zhì)。

3.2.1 升降式止回閥

活塞（piston）式的升降式止回閥應(yīng)該避免用于含固量大（比較臟的介質(zhì)）和粘度大的介質(zhì)，適用于干凈的液體和沒有凝液的氣體。球形閥瓣的升降式止回閥一般用于公稱直徑小于等于DN50的場合，不應(yīng)用于壓力變動范圍比較大，頻繁的回流的場合，也因?yàn)榇嬖趽p害密封面的風(fēng)險原因，不太適用于氣體介質(zhì)。

3.2.2 旋啟式止回閥

因?yàn)樾龁⑹街够亻y的轉(zhuǎn)動部件在閥門的肩部，介質(zhì)不能直接沖擊這些位置，所以即使介質(zhì)較臟或者粘度較大一般也不會影響旋啟式止回閥的旋轉(zhuǎn)動作。

a 旋啟式止回閥一般用于口徑大于等于DN50

b 旋啟式止回閥不適用于流速變化范圍較大和頻繁回流的場合。

c 旋啟式止回閥口徑大的時候閥板較重、閥門關(guān)閉的行程比較長，考慮閥門關(guān)閉時的沖擊就顯得很重要，必要時要安裝阻尼器或者配重，當(dāng)然閥桿穿閥體還要考慮防飛出的設(shè)計(jì)。

d 也是由于閥板較重，當(dāng)用于一些壓力非常低的場合，要考慮低壓差閥門開啟需要平衡閥瓣的重量。

3.2.3 斜盤式旋啟式止回閥

斜盤式止回閥是普通旋啟式止回閥的一個變種，閥板的行程變短可以縮小慣性和加快閥門的關(guān)閉速度。與普通的旋啟式止回閥相比，當(dāng)流速比較低的時候，該閥門的壓力降較小，當(dāng)流速較高的情況下壓力降較普通的大，適合一些粘度較大的介質(zhì)。如果考慮閥門關(guān)閉時的沖擊（slam），斜盤式止回閥和雙板式的止回閥在這方面的性能都較傳統(tǒng)的旋啟式止回閥有提高。

3.2.4 對夾雙板式止回閥

a 較傳統(tǒng)的旋啟式止回閥，更適合用于傳統(tǒng)止回閥表現(xiàn)不好的高速的氣體介質(zhì)。

b 雙板式止回閥靠彈簧輔助復(fù)位，所以最適合介質(zhì)從下到上的垂直管道。該止回閥應(yīng)該選擇不穿閥體的結(jié)構(gòu)，即無固定栓結(jié)構(gòu)。

c 前文描述的對夾的蝶閥不適用的場合，同樣的對夾的雙板止回閥同樣不適用。

3.2.5 軸流式止回閥

軸流式止回閥閥瓣的行程短，低慣性沖擊、彈簧輔助復(fù)位，對流向的改變響應(yīng)非?？?。建議在壓力變動范圍較大、脈動流和頻繁回流的場合應(yīng)用。該閥門采用文丘里的原理進(jìn)行流道設(shè)計(jì)盡可能的減小閥門的流阻，該閥門可以使用在壓縮機(jī)出口管線上，但不能用于往復(fù)泵的出口。

3.2.6 止回閥小結(jié)

1 一般的旋啟式止回閥應(yīng)該避免在流速變動較大、脈動流、和頻繁回流的場合下使用，在介質(zhì)條件苛刻的情況下，機(jī)械磨損可能會造成閥門的連接損壞失效。頻繁的回流也會影響其他類型止回閥的磨損和可靠性，這種情況下應(yīng)該咨詢閥門的制造商。

2 止回閥對上游的流體狀態(tài)是比較敏感的，一般情況下應(yīng)保證距離上游的管件（對流體狀態(tài)有改變）至少三倍管道直徑的距離。

3 升降式和旋啟式的止回閥理想狀態(tài)下都應(yīng)該安裝在水平管道上，閥蓋向上；旋啟式止回閥安裝在垂直管道上應(yīng)保證全開狀態(tài)下依然有較小的關(guān)閉力矩。升降式止回閥垂直安裝一定要采用帶復(fù)位彈簧的結(jié)構(gòu)。

4正常來說沒有止回閥安裝到流向是向下的垂直管道上。在這樣的條件下采用雙板式止回閥，應(yīng)該充分讓廠家了解使用工況。

3.3 切斷閥（SHUT-DOWN VALVES）及緊急切斷閥（ESD）

緊急切斷閥需要在發(fā)生危險的情況下（例如：火災(zāi)）切斷與危險場所的聯(lián)系保護(hù)其他未受災(zāi)區(qū)域，所以要求緊急切斷閥有最高程度的動作可靠性和壓力邊界的完整性，甚至在某些國家這一點(diǎn)被寫到了法律規(guī)定當(dāng)中。為了確保在任何可能發(fā)生的情況下閥門都能動作，定期的關(guān)閉閥門的測試是必要的，相對而言閥門的密封性能往往作為第二位來考慮的。

1 如果介質(zhì)較臟，固定球閥或者帶導(dǎo)流孔的平板閘閥應(yīng)該作為首選。

2 浮動球閥一般不采用，除非是金屬密封的用于低壓介質(zhì)，這種情況下也可以采用金屬密封的蝶閥.這里面主要的原因是因?yàn)楦忧虻那蜷y操作力矩較大，有的工程規(guī)定也規(guī)定了采用浮動球口徑不超過DN200。

3 軟密封的球閥只能用于干凈的介質(zhì)，另外軟密封的閥門需要在沖洗等操作時提供保護(hù)。金屬閥座的閥門雖然密封等級比軟密封低，但耐用性高。

4 帶有襯套的旋塞閥因?yàn)殛P(guān)閉力矩較大不適合用于緊急切斷閥

5 楔式閘板的閘板不適合用于緊急切斷閥，因?yàn)殛P(guān)閉初始力矩的需求較高，并且最終關(guān)閉時有比較大的沖擊。

3.4 低溫閥門

當(dāng)閥門的設(shè)計(jì)溫度低于-50度的時候，就應(yīng)該認(rèn)為這個閥門是低溫的閥門，應(yīng)該按照低溫閥門的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且需要采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)。延長閥蓋的結(jié)構(gòu)是溫度梯度到閥桿和填料處較高，保證填料的工作溫度和閥門手柄的可操作。

1 低于-65度采用軟密封的閥門需要仔細(xì)選擇軟密封的材料。

2 雙向密封的閥門或者類似結(jié)構(gòu)閥門，閥門中腔應(yīng)該有瀉放裝置（可以釋放到下游或上游側(cè)），防止閥門積聚液體因?yàn)闇囟壬邭饣茐拈y門密封。

3 正常情況下低溫液體閥門的閥桿應(yīng)垂直朝上安裝，最多不要與垂直超過45度。這樣做的好處是使液體的氣化在閥蓋頂部或接近閥桿密封處，能夠阻止低溫的液體接近閥門上部。

4 低溫的閥門應(yīng)該有高標(biāo)準(zhǔn)的清潔，閥門在干凈的條件下組裝，無濕氣或者油脂。

3.5 真空閥門

1 對于真空閥門來講首先要了解工藝過程，真空持續(xù)的時間，因?yàn)楹芏嗑硾r下閥門是工作在內(nèi)壓下，真空只是偶然的工況，甚至工藝過程不需要真空。

2 如果工藝過程需要真空，那么閥桿密封或者填料應(yīng)該有能力返方向承受大氣壓。如果閥門操作的循環(huán)壽命能夠滿足要求，波紋管密封的閥門應(yīng)該選用。閥門的關(guān)閉側(cè)需要保持真空，應(yīng)該優(yōu)先選擇軟密封的球閥或者蝶閥。

4 其他閥門選擇因素

4.1 操作頻率

閥門的操作頻率高，磨損會嚴(yán)重，導(dǎo)致閥門的關(guān)閉能力變差。常開的隔離閥往往需要關(guān)閉能力以確保隔離效果。如果操作頻率非常低，可能會造成閥門銹蝕，結(jié)果是開啟的力矩會變大。

4.2 隔離需求

很少的閥門能夠在很長一段時間都保持很好的密封性能，如果該閥門用于氣體介質(zhì)或者包含固體顆粒其保持緊密密封的時間還會縮短。

在一個真實(shí)的管道系統(tǒng)中，決定是否需要比較高的密封性能還是由整個工藝過程來決定的。常開切斷閥往往不需要非常高的密封等級。

4.3 維修需求

閥門安裝的地理位置與之周圍對其維護(hù)的條件也影響著閥門的選擇，不易維護(hù)的邊遠(yuǎn)地區(qū)對閥門的可靠性應(yīng)該有更高的要求。

4.4 環(huán)境影響

閥門的閥桿填料密封是比較重要的排放源，如果環(huán)保法律方面的規(guī)定比較嚴(yán)格或者是介質(zhì)較為危險（可燃性、毒性）都需要考慮填料密封處的泄漏等級。一般來說1/4旋轉(zhuǎn)閥門比提升閥桿的閥門逸散要低。

4.5 使用經(jīng)驗(yàn)

閥門過去的使用經(jīng)驗(yàn)當(dāng)然要在考慮之列，閥門使用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及在相關(guān)介質(zhì)下的性能表現(xiàn)都是非常值得參考的。

但也要充分認(rèn)識到當(dāng)初的選擇是否受到了當(dāng)時的知識和可選方案的制約。

4.6 重量和尺寸

重量和尺寸方面的因素，如果不是這樣的口徑某一類型閥門不能制造了，不應(yīng)該因?yàn)檫@些因素來決定閥門類型。當(dāng)然在很多的實(shí)際應(yīng)用過程中，我們希望滿足條件的情況下，重量應(yīng)該更輕或者口徑應(yīng)該更小。

4.7 費(fèi)用

閥門的費(fèi)用不單單要考慮閥門的購買費(fèi)用，作為負(fù)責(zé)任的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮閥門整個生命周期的費(fèi)用。當(dāng)然也需要在一次性投資和后期更換之間衡量，兩外頻繁更換閥門造成生產(chǎn)上的損失（可能需要關(guān)閉局部運(yùn)營）也需要仔細(xì)考慮。

4 結(jié)語

對于閥門的作用方面本文的描述是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，另外因?yàn)閷σ恍╅y門的了解程度不高，也放棄一些要點(diǎn)說明，例如：平板閘閥、用于長輸管線的硬密封的旋塞閥。止回閥方面沒有介紹用于往復(fù)壓縮機(jī)出口管線的PLATE CHECK VALVE代表廠家為賀爾碧格（HOERBIGER）。

在閥門的選擇因素一章中，很重要的介質(zhì)條件的因素沒有分析，包括如何去定義干凈介質(zhì)、臟的介質(zhì)，渣漿介質(zhì)等；還有如何去定義危險介質(zhì)，高度腐蝕的、液化烴、氫氣都應(yīng)該認(rèn)為是危險介質(zhì)，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)多注意。

希望本文在對閥門的選擇方面給工程設(shè)計(jì)人員有一些幫助。

[1]Valve Selection Handbook Engineering Fundamentals for Selecting the Right Valve Design for Every Industrial Flow Application Fifth Edition Peter Smith R.W.Zappe