王春红(中国天辰工程有限公司管道工程部，天津300000)

工程设计中工艺阀门选择要点

王春红(中国天辰工程有限公司管道工程部，天津300000)

在工程设计中阀门种类繁多，本文从各个阀门的特点入手，结合工程实践，对于不同使用环境下的阀门选择提供参考意见

阀门;阀门选择;隔离阀

1 概述

在工程设计的实践中发现，因为阀门的种类繁多，每种阀门都有自己的特点，工程设计人员，尤其年轻的设计者由于不太了解阀门的结构和特点往往选错阀门，造成设计失误。系统的了解阀门，对工程设计人员（不是阀门设计）需要多年的积累。

本文的主要目的是解决工程设计中的一些基本问题，将复杂的问题简单化，将工艺管道设计中阀门的选择要求进行总结。以往的阀门选择类手册都着重介绍每种阀门的特点，限于篇幅，本文从基本因素入手，对通用性的因素进行总结，希望能开拓设计者的思路。

2 阀门选择需要考虑的因素

阀门选择需要注意以下各方面的因素：

1 需要选择的阀门在工艺过程当中的作用

2 介质的条件，涉及到介质的温度、压力；流体的类型，涉及到介质的危险性、腐蚀性、气态、液态还是蒸汽；流体特性、密度、流速和清洁程度（固体含量）等

3 操作的频繁程度

4 所需阀门需要达到的密封程度

5 阀门的检修要求

6 阀门所处的环境要求

7 以往相同项目阀门的使用经验

8 阀门的重量和尺寸的要求

9 阀门的费用问题

3 阀门作用

本章节略过一些对于阀门作用的基本认识，认为看到此文的工程设计者应该了解了一些阀门的基本知识。

3.1 ISOLATION VALVES（隔离阀）

工艺系统当中的隔离阀，可以阻止介质流向指定的位置，工艺上通常是为了维护或安全目的。一个阀门被归类为隔离阀，是因为它在一个系统中具有预期的功能，而不是因为阀门本身的结构。因此，许多不同类型的阀门可以被归类为隔离阀。

对于隔离阀作用可能要求阀门具有：低流阻的要求，即要求直通型、全通径的阀门。

还有可能需要阀门具有双向密封的要求，即介质从任何一个方向对阀门存在压力差的情况，阀门都需要提供良好的关闭状态。

从隔离的效果上去考虑：

1 如果介质是干净的气体或者液体、温度不超过200℃的话，可以选择软密封的阀门，提供更好的密封等级

2 对于蒸汽介质，如果存在阀门关闭状态下温度波动，应该首选平板闸阀。楔形闸板的闸阀可以在介质压力不高，介质不能是阀门提供足够的密封力的情况下选用。

如果从重量、成本、操作时将的角度考虑选择缩颈的阀门，下列的因素就需要考虑：

a 考虑压力降的增加对整个管道设计的影响。

b 截面模量的减小对管道应力分析的影响。

c 不能用于水平布置的坡度管线。

d 采用了缩颈的阀门，如果需要设计放净的话，需要在阀门的前后都设计放净。

e 不能在没有任何磨损分析的情况下，用于一些有磨蚀的介质

f 不能用于有清洁器清洁的管道

3.1.1 闸阀

楔形闸板闸阀是化工项目上经常采用的阀门。弹性楔形闸板的闸阀能够一定程度上允许密封面和阀座的错位（加工或者使用造成的轻微错位），能够将密封面的翘曲减小到最小程度。相对而言，刚性闸板由于会有很大的摩擦（加工造成的密封面不能完全对齐的话摩擦会更大）容易磨伤密封面。

对于需要100%关闭能力的闸阀来讲，如果使用一段时间后温度压力发生了变动，可能会造成轻微的泄漏。

如果介质比较脏，或者一定的固体颗粒，颗粒的硬度又比较高，肯定会划伤密封面，另外颗粒物质也有可能会停留在阀腔中，这样的阀门应该考虑密封面的硬化处理。

一般的刀形闸阀（没有一般闸阀的空腔）设计用到一些介质压力较低且无毒无害的场合，可以用于渣浆、固体等介质。

3.1.2 球阀

一般类型的球阀具有直通和全通径的结构，适合用于开关的场合，虽然球阀也有很好的调节能力（介质的流量较为线性），但出于存在较小流量的情况下，流速过快存在冲刷密封面的风险，一般情况下不设计用来调节流量。

球阀经常会配置软密封的阀座，这样的球阀应该用于干净的气体或者液体，避免高压高温。

小口径的球阀属于快开快关型的阀门，应避免“水锤”的影响，球阀一般会设计成“开”的时候，阀杆与管道轴向平行。

3.1.3 蝶阀

对于昂贵的金属，蝶阀因为有对夹式的结构，所以更为经济，蝶阀一般不用于小口径或者是超过Class600的场合。即使能做到双向密封的蝶阀，也有一个更好的密封方向。

对夹的蝶阀应该不能用于下列场合：

a介质中包含超过25%或更高的氢气

b超过闪点温度的液体介质

c蒸汽介质

d温度超过260℃的介质

e包含危险介质的储罐等的第一道隔离阀

f往复式压缩机介质或者泵出口

3.1.4 旋塞阀

旋塞阀有直通的结构，但经常是缩颈的流通面积，仅仅是有“通球”（清洁器清洁管线）要求时才会配置球形的通道。大多数类型的旋塞阀都配置软密封，所以有使用温度的限制。旋塞阀有很好的流量调节特性可以用于调节阀组的旁路等。

旋塞阀由于本身结构的原因，有很好的密封性能，无论是内漏还是外漏。旋塞阀的旋塞和PTFE的衬套接触紧密、阀体内没有空腔，可以防止介质中的一些颗粒进入，即使有些颗粒进入到密封面，也因为旋塞阀与衬套整体接触的面积较大，不容易造成泄漏。也就是因为这个原因旋塞阀操作的力矩也较大。

3.1.5 隔膜阀

隔膜阀可以用于开关阀门也可以用于调节流量。隔膜阀用于低压的气体或者液体介质，隔膜阀的温度压力等级受到隔膜材料的限制。

如果隔膜阀用于可燃、腐蚀较大或者有毒性介质，应采用阀杆密封填料作为隔膜失效的第二道泄漏保证。这样的阀门阀盖应该有一个放空口，即使是带压的情况下也可以用安全的方法检测隔膜的完整性。

3.1.6 截止阀

截止阀的流阻较其他阀门大，截止阀可以作为节流，但应避免震动。另外截止阀还有直流式和角式；直流式适合一些粘度较高的介质的流量调节，角式截止阀流阻要比直通型的小，安装到管道上可以节省一个弯头。

软密封的截止阀跟其他的软密封阀门一样，最高的使用温度都要受到软密封材料的限制，软密封的截止阀不适合用来调节流量。

3.2 止回阀

止回阀的作用是阻止介质明显的回流，我们不能期待止回阀提供隔离作用。正常情况下止回阀的阀杆一般不穿阀体，当然除了需要提供阻尼效果。一般型式的止回阀不用于渣浆类介质。

3.2.1 升降式止回阀

活塞（piston）式的升降式止回阀应该避免用于含固量大（比较脏的介质）和粘度大的介质，适用于干净的液体和没有凝液的气体。球形阀瓣的升降式止回阀一般用于公称直径小于等于DN50的场合，不应用于压力变动范围比较大，频繁的回流的场合，也因为存在损害密封面的风险原因，不太适用于气体介质。

3.2.2 旋启式止回阀

因为旋启式止回阀的转动部件在阀门的肩部，介质不能直接冲击这些位置，所以即使介质较脏或者粘度较大一般也不会影响旋启式止回阀的旋转动作。

a 旋启式止回阀一般用于口径大于等于DN50

b 旋启式止回阀不适用于流速变化范围较大和频繁回流的场合。

c 旋启式止回阀口径大的时候阀板较重、阀门关闭的行程比较长，考虑阀门关闭时的冲击就显得很重要，必要时要安装阻尼器或者配重，当然阀杆穿阀体还要考虑防飞出的设计。

d 也是由于阀板较重，当用于一些压力非常低的场合，要考虑低压差阀门开启需要平衡阀瓣的重量。

3.2.3 斜盘式旋启式止回阀

斜盘式止回阀是普通旋启式止回阀的一个变种，阀板的行程变短可以缩小惯性和加快阀门的关闭速度。与普通的旋启式止回阀相比，当流速比较低的时候，该阀门的压力降较小，当流速较高的情况下压力降较普通的大，适合一些粘度较大的介质。如果考虑阀门关闭时的冲击（slam），斜盘式止回阀和双板式的止回阀在这方面的性能都较传统的旋启式止回阀有提高。

3.2.4 对夹双板式止回阀

a 较传统的旋启式止回阀，更适合用于传统止回阀表现不好的高速的气体介质。

b 双板式止回阀靠弹簧辅助复位，所以最适合介质从下到上的垂直管道。该止回阀应该选择不穿阀体的结构，即无固定栓结构。

c 前文描述的对夹的蝶阀不适用的场合，同样的对夹的双板止回阀同样不适用。

3.2.5 轴流式止回阀

轴流式止回阀阀瓣的行程短，低惯性冲击、弹簧辅助复位，对流向的改变响应非常快。建议在压力变动范围较大、脉动流和频繁回流的场合应用。该阀门采用文丘里的原理进行流道设计尽可能的减小阀门的流阻，该阀门可以使用在压缩机出口管线上，但不能用于往复泵的出口。

3.2.6 止回阀小结

1 一般的旋启式止回阀应该避免在流速变动较大、脉动流、和频繁回流的场合下使用，在介质条件苛刻的情况下，机械磨损可能会造成阀门的连接损坏失效。频繁的回流也会影响其他类型止回阀的磨损和可靠性，这种情况下应该咨询阀门的制造商。

2 止回阀对上游的流体状态是比较敏感的，一般情况下应保证距离上游的管件（对流体状态有改变）至少三倍管道直径的距离。

3 升降式和旋启式的止回阀理想状态下都应该安装在水平管道上，阀盖向上；旋启式止回阀安装在垂直管道上应保证全开状态下依然有较小的关闭力矩。升降式止回阀垂直安装一定要采用带复位弹簧的结构。

4正常来说没有止回阀安装到流向是向下的垂直管道上。在这样的条件下采用双板式止回阀，应该充分让厂家了解使用工况。

3.3 切断阀（SHUT-DOWN VALVES）及紧急切断阀（ESD）

紧急切断阀需要在发生危险的情况下（例如：火灾）切断与危险场所的联系保护其他未受灾区域，所以要求紧急切断阀有最高程度的动作可靠性和压力边界的完整性，甚至在某些国家这一点被写到了法律规定当中。为了确保在任何可能发生的情况下阀门都能动作，定期的关闭阀门的测试是必要的，相对而言阀门的密封性能往往作为第二位来考虑的。

1 如果介质较脏，固定球阀或者带导流孔的平板闸阀应该作为首选。

2 浮动球阀一般不采用，除非是金属密封的用于低压介质，这种情况下也可以采用金属密封的蝶阀.这里面主要的原因是因为浮动球的球阀操作力矩较大，有的工程规定也规定了采用浮动球口径不超过DN200。

3 软密封的球阀只能用于干净的介质，另外软密封的阀门需要在冲洗等操作时提供保护。金属阀座的阀门虽然密封等级比软密封低，但耐用性高。

4 带有衬套的旋塞阀因为关闭力矩较大不适合用于紧急切断阀

5 楔式闸板的闸板不适合用于紧急切断阀，因为关闭初始力矩的需求较高，并且最终关闭时有比较大的冲击。

3.4 低温阀门

当阀门的设计温度低于-50度的时候，就应该认为这个阀门是低温的阀门，应该按照低温阀门的标准进行设计，并且需要采用长颈阀盖结构。延长阀盖的结构是温度梯度到阀杆和填料处较高，保证填料的工作温度和阀门手柄的可操作。

1 低于-65度采用软密封的阀门需要仔细选择软密封的材料。

2 双向密封的阀门或者类似结构阀门，阀门中腔应该有泻放装置（可以释放到下游或上游侧），防止阀门积聚液体因为温度升高气化破坏阀门密封。

3 正常情况下低温液体阀门的阀杆应垂直朝上安装，最多不要与垂直超过45度。这样做的好处是使液体的气化在阀盖顶部或接近阀杆密封处，能够阻止低温的液体接近阀门上部。

4 低温的阀门应该有高标准的清洁，阀门在干净的条件下组装，无湿气或者油脂。

3.5 真空阀门

1 对于真空阀门来讲首先要了解工艺过程，真空持续的时间，因为很多境况下阀门是工作在内压下，真空只是偶然的工况，甚至工艺过程不需要真空。

2 如果工艺过程需要真空，那么阀杆密封或者填料应该有能力返方向承受大气压。如果阀门操作的循环寿命能够满足要求，波纹管密封的阀门应该选用。阀门的关闭侧需要保持真空，应该优先选择软密封的球阀或者蝶阀。

4 其他阀门选择因素

4.1 操作频率

阀门的操作频率高，磨损会严重，导致阀门的关闭能力变差。常开的隔离阀往往需要关闭能力以确保隔离效果。如果操作频率非常低，可能会造成阀门锈蚀，结果是开启的力矩会变大。

4.2 隔离需求

很少的阀门能够在很长一段时间都保持很好的密封性能，如果该阀门用于气体介质或者包含固体颗粒其保持紧密密封的时间还会缩短。

在一个真实的管道系统中，决定是否需要比较高的密封性能还是由整个工艺过程来决定的。常开切断阀往往不需要非常高的密封等级。

4.3 维修需求

阀门安装的地理位置与之周围对其维护的条件也影响着阀门的选择，不易维护的边远地区对阀门的可靠性应该有更高的要求。

4.4 环境影响

阀门的阀杆填料密封是比较重要的排放源，如果环保法律方面的规定比较严格或者是介质较为危险（可燃性、毒性）都需要考虑填料密封处的泄漏等级。一般来说1/4旋转阀门比提升阀杆的阀门逸散要低。

4.5 使用经验

阀门过去的使用经验当然要在考虑之列，阀门使用的优点和缺点以及在相关介质下的性能表现都是非常值得参考的。

但也要充分认识到当初的选择是否受到了当时的知识和可选方案的制约。

4.6 重量和尺寸

重量和尺寸方面的因素，如果不是这样的口径某一类型阀门不能制造了，不应该因为这些因素来决定阀门类型。当然在很多的实际应用过程中，我们希望满足条件的情况下，重量应该更轻或者口径应该更小。

4.7 费用

阀门的费用不单单要考虑阀门的购买费用，作为负责任的设计人员应该考虑阀门整个生命周期的费用。当然也需要在一次性投资和后期更换之间衡量，两外频繁更换阀门造成生产上的损失（可能需要关闭局部运营）也需要仔细考虑。

4 结语

对于阀门的作用方面本文的描述是远远不够的，另外因为对一些阀门的了解程度不高，也放弃一些要点说明，例如：平板闸阀、用于长输管线的硬密封的旋塞阀。止回阀方面没有介绍用于往复压缩机出口管线的PLATE CHECK VALVE代表厂家为贺尔碧格（HOERBIGER）。

在阀门的选择因素一章中，很重要的介质条件的因素没有分析，包括如何去定义干净介质、脏的介质，渣浆介质等；还有如何去定义危险介质，高度腐蚀的、液化烃、氢气都应该认为是危险介质，在工程设计中应多注意。

希望本文在对阀门的选择方面给工程设计人员有一些帮助。

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