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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。
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。
01丨閥門的類型及用途 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。 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。
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。
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。
(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(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。
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。
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。
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(dāng)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(Laminated seal)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)與制造商協(xié)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(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。圖1為旋塞閥和球閥關(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。
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。
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(dāng)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。
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。
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(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(dāng)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。
02丨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(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)。 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(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。 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)。 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。 03丨材料 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)。 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。 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。