罗双艳

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

仪表阀作为管路附件，用于接通和切断仪表与测量管路的联系并控制输送介质的流量。设计人员需对其材料、壁厚及结构等进行研究，使得所设计的产品能够满足工作温度、压力及阀门材料与工艺设备或管道材料相适应等要求，确保测量的可靠性。在实际工程应用中，国内没有专门的用于仪表阀设计的规范和标准。国外也只有美国阀门和配件工业制造商标准化协会(MSS)颁布过专门针对仪表阀门的标准，如MSS SP-105《规范用仪表阀》、MSS SP-99《仪表阀》及MSS SP-130《仪表阀波纹管》等，这些标准主要适用于仪表阀门(接管直径不大于DN25mm)和阀组。在此，重点介绍MSS SP-105对仪表阀的设计要求，并给出仪表阀设计中采用的标准建议。

1 MSS SP-105的基本要求①

1.1 阀门材料

阀门的材料对于其长周期安全运行至关重要，不同材料的性能对工作介质的物理性能(温度和压力)和化学性能(腐蚀和放射)的承受力不同。而不同标准对材料的性能要求也各有差异，因此在设计中首先要确定阀门材料所符合的具体标准。

MSS SP-105规定的承压部件材料适用标准比较多样，包括了适用于传统石油、化工及制药和常规电厂的工业标准，如ASME B16.34、ASME B31.1和ASME B31.3；同时也包括核电厂的核级材料标准，如ASME BPVC-Ⅲ。此外，该标准对材料的质量保证也提出了要求，规定承压部件材料应有材料鉴定测试报告，鉴定应包括化学分析和机械特性。对非承压部件(如阀杆、填料函和填料压紧螺母)材料的要求相对宽泛，只要与承压部件材料相容即可。

1.2 设计要求

确定阀门的工作压力是设计中最为关键的环节，不同的标准给出的方法也不相同。MSS SP-105给出了3种方法供选择，即计算、水压实验和爆破实验。

MSS SP-105提出的方法比较新颖，确保其按所设计的工作压力满足实际的工作要求。MSS SP-105提出阀门鉴定要求：按照要求设计的每一种不同尺寸的阀门进行鉴定以确定阀门在环境工况-29～+38℃下的最大允许工作压力(CWP)等级。如果对任何有少量差异(如端部连接和材料)的阀门都进行鉴定的话，会增加设计成本。因此，相同设计和尺寸但材料不同的阀门的CWP等级，可根据材料的许用应力和不同材料所做的阀门的水压实验确定；相同设计和尺寸，但端部连接不同的阀门的CWP等级为阀门等级或端部连接的取小值。

1.3 端部连接

阀门与管道的连接方式有螺纹连接、焊接、法兰连接及卡套连接等多种。螺纹连接方式中，螺纹的标准繁多；焊接也分对焊和承插焊；法兰连接的形式也多种多样。因此，在设计仪表阀的端部时必须确定具体所采用的符合哪种标准要求的连接方式。

MSS SP-105中提出锥形管道螺纹应符合ANSI/ASME B1.20.1、ANSI B1.20.3或ANSI/CGA V-1的要求；连接处承插焊管件直径、深度尺寸和允许误差应满足ASME B16.11的要求；对焊连接端部尺寸应满足ASME B16.25的要求；

与仪表阀连接的管道除了Pipe管之外，很多工程中也有用到Tube管，MSS SP-105对与Tube的连接形式也做了相关的规定。

此外，MSS SP-105要求与阀体焊接的端部连接部分的焊接评定应满足ASME Ⅸ的要求。

1.4 鉴定

MSS SP-105不但提出了不同的确定阀门压力等级的方法，还提出对相关项目进行鉴定的要求，该标准给出两套阀门鉴定方法：计算和水压试验；水压试验和爆破试验。

1.4.1计算

计算包括应力和额定压力计算。应力计算根据ASME B31.1、ASME B31.3或ASME-Ⅲ进行，应力裕量根据相应标准中最大许用应力表确定，在该计算过程中可以不考虑腐蚀裕量。大量阀门的工作温度往往不是环境温度，对于这部分非CWP温度下的工作压力可由此温度下许用应力除以CWP下的许用应力的比率再乘以CWP获得。

1.4.2水压试验

MSS SP-105对阀门水压试验的最低要求如下：

介质 水或油

温度 10～50℃

压力 2CWP

时间 在试验压力下至少持续1min

位置 所有可能使压力边界部件承受内部压力的位置

在验证试验阶段的任何压力下，部件、连接和密封处不能有可见泄漏，在验证试验阶段除了阀杆填料部分可以调整外(防止泄漏)，不允许其他任何承压连接或密封处进行调整。

1.4.3爆破试验

对试验阀门进行水压试验直至爆破，记录发生爆破时的压力。爆破试验时允许阀门填料、垫圈和承压连接处在高于水压试验压力时泄漏。如果在爆破发生前终止压力试验，则最高承受压力为阀门爆破压力。

根据爆破试验确定的CWP等级的计算公式为：

P≤0.25BTm/Ta

式中B——3次取样试验中最低的爆破试验压力；

P——CWP等级；

Ta——试验阀门的实际抗拉强度；

Tm——材料的最小抗拉强度。

1.4.4类似阀门

在阀门设计、制造中会有很多类似阀门，如相同设计不同尺寸及相同尺寸不同材料等，MSS SP-105对这类阀门的处理给出的建议为：相同设计和尺寸但有较小改动的类似的阀门认为是合格的，如果改动会增加压力边界部件的应力水平，则应按照应力的比率来按比例降低等级；如果材料有不同的强度，材料许用应力的比率也应该用来确定新的等级，作为试验样本的承压部件的实际抗拉强度和屈服强度应根据可追踪材料热处理证明或提交的从同一批炉中的取样材料获得，验证试验的根据为ASME-Ⅷ UG-101(J)。

1.5 验收试验

每个产品在出厂前都应进行出厂验收试验，仪表阀门主要起隔离或连通作用，因此必须进行泄漏试验和壳体水压试验。MSS SP-105本身并未对这部分内容有过多描述，而是直接引用了MSS SP-61《阀门压力试验》。

进一步查询可知，仪表阀门壳体试验的试验压力为1.5CWP，持续时间为15s；泄漏试验的试验压力为1.1CWP，持续时间也为15s。

2 MSS SP-105与ASME B16.34比较

ASME B16.34是目前国际上最为权威的工业阀门标准之一，内容涉及阀门承压件压力等级、材料种类、壁厚、连接等的计算、材料制作、材料检验及阀门验收等，为设计人员提供了很好的、全面的规范。该标准与MSS SP-105的具体要求有一定差异。

ASME B16.34主要针对接管直径大于DN65mm的工艺阀门，而MSS SP-105主要针对的是对接管直径不大于DN25mm的仪表阀。

两份标准适用的材料标准都是ASTM和ASME-Ⅱ系列。

ASME B16.34对如何根据温度、压力、尺寸及材料等确定阀门压力等级，以及如何根据尺寸和压力等级确定阀门壁厚等，都有详细描述或相应表格供查询。而MSS SP-105给出了几种阀门工作压力的确定方法，其中爆破试验方式确定阀门工作压力是其他标准中都不曾提到的方法。相对来说，ASME B16.34使用简便，可直接通过查表确定部分设计参数；但MSS SP-105在保证阀门设计质量的同时，对阀门压力等级的确定提供了更多的选择。

ASME B16.34中的壳体试验和泄漏试验要求与MSS SP-105(具体参考MSS SP-61)要求相同。对于阀门口径不大于DN50mm的阀门壳体试验的试验压力为1.5CWP，持续时间为15s；泄漏试验的试验压力为1.1CWP，持续时间也为15s。

由于ASME B16.34主要适用于与工艺Pipe管连接的阀门，所以该标准对端部连接部分的要求限制在ASME/ANSI法兰、螺纹和焊接连接的相关标准。而MSS SP-105考虑到仪表阀可能会与Tube连接，因此对端部连接部分要求更为多样，除了适用ASME/ANSI法兰、螺纹和焊接连接相关标准外，还适用于其他非标连接方式。

3 结束语

在仪表测量管路中，阀门是保证仪表可靠测量的重要部件，如何根据更为适用的标准设计合适的阀门，直接关系到仪表测量管路的安全运行和仪表测量的精度。仪表阀门尺寸较小，通常是由棒材加工而成，而且所连管道形式更为多样，如果在设计过程中笼统地采用工艺阀门的设计标准，会造成诸多限制和成本浪费。在仪表阀设计规范要求中，MSS SP-105更灵活，更加适用于仪表阀的设计。因此，建议以MSS SP-105要求为主，ASME B16.34作为设计规范补充。