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化工装置常用金属阀门类型及选用分析

阀门是管道系统中的重要部件,在化工装置中应用*广泛的是金属阀门。阀门的作用主要是用于启闭、节流和保障管道及设备的运行。所以正确合理地选用金属阀门对工厂及流体控制系统具有重要的作用。随着越来越多的引进装置进入国内,API阀门已经得到广泛应用,本文仅以API黑色金属阀门为分析对象。
 
一、阀门的类型及用途
 
工程上阀门种类很多,由于流体的压力、温度和物理化学性能的不同,所以对流体系统的控制要求也不相同,其中闸阀截止阀(节流阀,针型阀)、止回阀、旋塞阀、球阀、蝶阀和隔膜阀在化工装置中应用*广泛。
 
1.1 闸阀
一般用于控制流体的启闭,流体阻力小,密封性能好,介质的流向不受限制,开闭所需外力较小,结构长度较短。
阀杆有明杆和暗杆之分,明杆式闸阀适用于腐蚀介质,在化工工程上基本使用明杆式闸阀。暗杆闸阀主要用于水道上,多用于低压、无腐蚀性介质的场合,如一些铸铁和铜阀门。闸板的结构形式包括楔式闸板、平行式闸板。
楔式闸板有单闸板,双闸板之分。平行式闸板多用于油气输送系统,在化工装置中不常用。
 
1.2 截止阀
主要作切断用。截止阀流体阻力大,启闭力矩大,而且有流向要求。截止阀与闸阀相比主要有如下优点:
(1)在开闭过程中密封面的摩擦力比闸阀小,耐磨。
(2)开启高度比闸阀小。
(3)截止阀通常只有一个密封面,制造工艺好,便于维修。
截止阀和闸阀一样也有明杆和暗杆之分,在此不再赘述。根据阀体结构不同截止阀有直通式、角式和Y型。直通式应用*广泛,角式用于流体流向90°变化的场合。
另外节流阀和针形阀也属截止阀一类,比普通截止阀调节功能强。
 
1.3 止回阀
止回阀又称单向阀,用于防止流体逆向流动,所以安装止回阀时,应注意介质的流动方向应与止回阀上的箭头方向一致。止回阀的类型非常多,且各个制造商有不同的产品,但是从结构上主要分为旋启式和升降式。旋启式止回阀主要包括单瓣型和双瓣型。
 
1.4 蝶阀
蝶阀可用于带有悬浮固体的液体介质的启闭和节流,流体阻力较小、重量轻,结构尺寸小,启闭迅速,适用于大口径管道上。蝶阀有一定调节功能,可以运送浆体。由于以往的加工工艺落后,蝶阀一直用在水系统上,而很少用在工艺系统上,随着材料、设计及加工的改进,蝶阀已经越来越多地用在工艺系统上了。
蝶阀有软密封和硬密封两种类型。选择软密封和硬密封主要取决于流体介质的温度。相对而言软密封要比硬密封的密封性能好。
软密封有橡胶及PTFE(聚四氟乙烯)阀座两种。橡胶阀座蝶阀(橡胶衬里阀体)多用在水系统上,为中线型结构,这种蝶阀在管道安装时可以不使用垫片,因为其橡胶衬里的翻边可以充当垫片的功能。PTFE阀座蝶阀多用在工艺系统上,一般为单偏心或双偏心结构。
硬密封的品种很多,如硬质固定密封圈,多层密封等,由于制造商的设计往往不同,其泄漏率也不一样。硬密封蝶阀的结构以三偏心为佳,解决了热胀补偿和磨损补偿的问题。双偏心或三偏心结构硬密封蝶阀亦具有双向密封功能,其逆向(低压侧至高压侧)密封压力应不低于正向(高压侧至低压侧)的80%。设计选型应与厂家协商。
 
1.5 旋塞阀
旋塞阀流体阻力小,密封性能好,使用寿命长,可以双向密封,所以往往用在高度或极度危害的物料上,但是启闭力矩比较大,价格也比较高。旋塞阀腔体内不积液,特别是对间歇装置的物料不会造成污染,所以在有些场合必须使用旋塞阀。
旋塞阀和球阀关闭时腔体内积液情况,旋塞阀流道可分为直通、三通、四通,适用于气、液相流体多向分配。
旋塞阀可分为无润滑及润滑型两种。带有强制润滑的油封式旋塞阀,由于强制润滑使旋塞和旋塞的密封面间形成一层油膜。这样密封性能更好,启闭省力,防止密封面受到损伤,但是必须考虑润滑是否对物料有污染,而且需定期维护优先选择无润滑型。
旋塞阀的阀座(Sleeve)密封是连续的,包围了整个旋塞,所以流体不会与轴接触。另外旋塞阀还有一层金属复合材料的隔膜作为第二道密封,所以旋塞阀可以严格控制外部泄漏。旋塞阀一般是没有填料的,当有特殊要求时(如不允许有外部泄漏等),则需要填料,作为第三道密封。
旋塞阀的设计结构使得旋塞阀可以在线调节密封阀座。由于长时间的运行,密封面会有所磨损,因为旋塞是锥形的,可以通过阀盖的螺栓往下压紧旋塞,使其和阀座紧密配合达到密封效果。
 
1.6 球阀
球阀的功能与旋塞阀类似(球阀是旋塞阀的派生产品)。球阀密封效果好,所以应用广泛。球阀启闭迅速,启闭力矩比旋塞阀小,阻力非常小,维修方便,适用于浆液、粘性流体以及对密封要求较高的介质管道上。并且由于价格便宜,球阀比旋塞阀使用广泛。球阀一般可以从球体结构形式、阀体结构形式、流道形式和阀座材料来进行分类。
按球体结构形式分有浮动球阀和固定球阀。前者多用于小口径,后者用于大口径,一般以DN200(CLASS 150),DN150(CLASS 300和CLASS 600)为界。
按阀体结构形式分有一片式、两片式和三片式这三种。一片式又有顶装式和侧装式两种。  按流道形式分有全通径和缩径。缩径球阀比全通径球阀用材料少,价格便宜,如果工艺条件允许,可以考虑优先使用。球阀流道可分为直通、三通、四通,适用于气、液相流体多向分配。按阀座材料分有软密封和硬密封。当用于可燃介质或者外部环境有可能燃烧时,软密封球阀应具有防静电、防火设计,制造商的产品应通过防静电、防火试验,如按照API607等。这同样适用于软密封蝶阀和旋塞阀(旋塞阀仅能符合防火试验中的外部防火要求)。
 
1.7 隔膜阀
隔膜阀可以双向密封,适用于低压,有腐蚀性的浆液或悬浮粘性流体介质。并且由于操作机构和介质通道隔开,依靠弹性隔膜切断流体,特别适用于食品和医药卫生工业中的介质。隔膜阀使用温度取决于隔膜材料的耐温性能。从结构上可分为直通式和堰式。
 
二、端部连接形式的选用
阀门端部常用的连接形式包括法兰连接、螺纹连接、对焊连接和承插焊连接。
 
2.1 法兰连接
法兰连接有利于阀门的安装和拆卸。阀门端法兰密封面形式主要有全平面(FF)、突面(RF)、凹面(FM)、榫槽面(TG)和环连接面(RJ)等几种。API阀门采用的法兰标准是ASMEB16.5等系列。有时在法兰连接的阀门上可以见到Class 125和Class 250等级,这是铸铁法兰的压力等级,与Class 150和Class 300的连接尺寸相同,只不过前两者的密封面是全平面(FF)。
对夹式(Wafer)和支耳式(Lug)阀门也是用法兰连接的。
 
2.2 对焊连接
由于对焊接头强度高、密封性好,所以在化工系统中对焊连接的阀门大多应用在一些高温、高压、有剧毒介质、易燃易爆的场合。
 
2.3 承插焊和螺纹连接
一般用于公称尺寸不超过DN40的管道系统中,但不能用于有缝隙腐蚀的流体介质。
螺纹连接不得用于剧毒、可燃介质的管道上,同时也应避免使用在循环载荷的工况上。目前工程中使用在压力不高的场合。管道上的螺纹形式主要是锥管螺纹,锥管螺纹有两种规格,其锥顶角分别为55°和60°,两者无法互换通用。在可燃或高度危害介质的管道上,如果安装需要,必须采用螺纹连接时,此时公称尺寸不应超过DN20,在螺纹连接后再进行密封焊。
 
三、阀门材料
 
阀门材料包括阀门的壳体、内件、垫片、填料以及紧固件材料等。因为阀门材料非常多,并且由于篇幅所限,本文仅简单介绍典型的阀门壳体材料。黑色金属壳体材料包括铸铁、碳钢、不锈钢、合金钢。
 
3.1 铸铁
灰铸铁(A1262B)一般使用在低压阀门上,不推荐在工艺管道上使用。球墨铸铁(A395)的性能(强度和韧性)要比灰铸铁好。
 
3.2 碳钢
在阀门制造中*常见的碳钢材料有A2162WCB(铸件)和A105(锻件)。应特别注意碳钢长时间在400℃以上工作,会影响到阀门的寿命。对于低温工况的阀门,常用的有A3522LCB(铸件)和A3502LF2(锻件)。
 
3.3 奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢材料通常应用在具有腐蚀性工况或超低温工况。其中常用的铸件有A351-CF8、A351-CF8M、A351-CF3和A351-CF3M;常用的锻件有A182-F304、A182-F316、A182-F304L和A182-F316L。
 
3.4 合金钢材料
对于低温工况的阀门,常用的有A352-LC3(铸件)、A350-LF3(锻件)。  对于高温工况的阀门,常用的有A217-WC6(铸件)、A182-F11(锻件)和A217-WC9(铸件)、A182-F22(锻件)。由于WC9、F22属于2-1/4Cr-1Mo系列,相比属于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温蠕变性能。
 
四、驱动方式
 
通常阀门操作都采用手动方式。当阀门的公称压力较高或公称尺寸较大,手动操作阀门比较困难时,可以采用齿轮传动等操作方式。阀门驱动方式的选用应根据阀门的种类、公称压力和公称尺寸而确定。
 
五、阀门选用原则
 
5.1 阀门选择要考虑的主要参数
(1)所输送的流体性质,这将影响阀型和阀结构材料的选择。
(2)功能要求(调节还是切断),这主要影响阀型选择。
(3)操作条件(是否频繁),这将影响阀型和阀门材料选择。
(4)流动特性和摩擦损失。
(5)阀门公称尺寸的大小(公称尺寸很大的阀门只有在有限范围的阀型中才能找到)。

(6)其他特殊要求,如自动关闭、平衡压力等。

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