阀门基础知识

阀门基础知识一、阀门的概况阀门在国民经济中无所不有，它及生产、建设、国防和人民生活都有着密切关系。比如在石油、天然气、煤炭、矿山的开采、提炼和输送；化工、医药、轻工、造纸、食品的加工；水电、火电、核电的电力系统；农业灌溉；冶金系统；城市和工业企业的给排水，供热、供气、排污系统；船舶、车辆、航天、国防系统；各种运动机械的流体系统等等均离不开阀门产品。阀门安装在各种管路系统中，作为一种管路附件，主要用来控制流体的压力、流量和流向，比如截断、调节、止回、分流、安全、减压等。实际上由于流体的压力、温度、流量及化学物理性质不同，对流体系统控制要求和使用要求也不同。正是由于阀门的特殊性，也决定了阀门的复杂性，所以阀门的种类和数量之大是任何一种机械产品无法比拟的。为了对阀门有一个系统、概况的了解，下面对几个基本知识阐述如下：一）、阀门的分类阀门的种类繁多，国内外对阀门的分类方法也很多，为了掌握阀门的类别，目前国内外最常用的分类方法是按工作原理、作用、按结构不同来划分。即将阀门分为：闸阀、截止阀、止回阀、球阀、蝶阀、旋塞阀、隔膜阀、安全阀、疏水阀、节流阀、减压阀和调节阀。在此基础上，每种阀门又因连接方式、压力、温度、口径、介质、驱动方式等参数的不同而派生出不同的结构。二）、阀门具备的基本性能阀门具备的最基本性能是强度，其次是针对不同的阀类应具备密封功能、调节功能、动作性能（如安全阀、疏水阀的起跳性能，减压阀的动作灵敏性等）和流通性能（如阀门的流量、流阻性能等）。三）阀门的结构组成对任何一种阀门，不管其结构如何复杂，基本上可概括为以下几部分组成：1）、承压件：如阀体、阀盖等零件；2）、关闭件：如闸板、阀瓣、球体等零件；3）、密封件：如密封副、法兰间、圆柱面间的密封零件；4）、运动机构：如使关闭件达到需要动作的螺旋传动，往复运动，凸轮传动等；5）、驱动装置：驱动阀门关闭件运动的电动、气动、液动、电液联动、气液联动、齿轮传动、手轮传动等装置；6）、紧固件：将阀门零件连接在一起的螺栓、螺母等零件。四）、几个基本概念1、公称通径：公称通径是人为制定的用作参考的经过圆整的表示阀门的流通通道尺寸的数据。其规定的目的是简化阀门口径规格的数量。在选用时，不管通道通径怎样，生产企业、使用单位、设计院所均要遵循向规定的最临近的规格尺寸靠的原则。由于公称通径是阀门选用和制造的关键参数，因此各国均已制定了相应系列标准。公称通径最常用的表示方法可分为两大类：1）、公制系列用“DN”表示，单位为毫米，我国在GB1407标准中，对公称通径作了明确规定：5681015202532405065801001251501752002252503003504004505006007008009001000120013001400150016001800200022002400260028003000340036004000……2）英制系列用“NPS”表示，单位为英寸，其公称通径系列如下：1/2″3/4″1″11/4″3/2″2″21/2″3″31/2″4″5″6″8″10″12″14″16″18″20″24″28″30″32″34″36″38″……60″※1″=25.4mm2、公称压力公称压力是人为规定的，并经圆整后，供设计、制造、选购时参考数据。其数值为常温下的额定值。公称压力国内外最常用的表示方法有两种：即美洲体系和欧洲体系。1）、欧洲体系是以德国为代表的国家常用的压力标准体系，我国、前苏联、德国等均属于此体系范畴。该体系的公称压力用“PN”表示，单位为“MPa”，我国公称压力标准系列如下：0.050.10.250.40.60.81.01.62.02.54.05.06.310151620252832425063801001251602002503352)、美洲体系是以美国为代表的西方国家常用的压力标准体系。该体系的公称压力用“Class”表示，单位为“磅级”，此公称压力标准系列如下：25125150250300400600800900150025004200为了及国际标准接轨，我国在新制定的公称系列标准中，已融含了上述两个标准体系。常用的两个体系对照表如下：2.05.06.311.015.026.042.0150300400600900150025003)、除上述两种基本公称压力标准体系外，还常碰到日本的一种标准体系，即“K”级制，此体系是日本标准中一种常用的表示方法，用“K”表示。其压力系列如下表所示：2K5K10K16K20K30K40K63K100K为在平时使用时方便对照，现将上述三种公称压力之间的对照列在下表（参考）：PN（MPa）1.6/2.02.5/4.0/5.06.310152542Class（磅级）15030040060080090015002500K级（K）102040※1psi≈0.007MPa3、压力—温度等级（压力—温度额定值）压力—温度等级是在公称压力和阀门材料（承压件）确定的前提下，阀门在指定温度下用表压表示的最大非冲击允许的工作压力。它是正确选用阀门、法兰和管件、工程设计和生产制造的基本参数。压力—温度等级的用途：1）、在材料和相应压力等级确定下，可以确定不同温度下相应的最大允许工作压力。2）、根据实际工作温度和工作压力，确定常温下的压力额定值。二、阀门产品结构阀门产品的发展主要取决于阀门的材料和结构。各类阀门由于使用工况的不同，制造厂工艺的不同，设计者设计思路的不同，以及随着科学技术的发展，阀门新结构、新材料、新工艺的不断问世，造成阀门的结构品种极为复杂，但是，追根溯源，每类阀门总的功能和基本原理还是有一定规律下常用的基型结构和具有代表性的同种阀类的结构，分述如下：一）、典型阀门产品的结构二）、填料函的结构三）、阀门中部的结构四）、阀杆螺母的结构五）、密封面的结构一）、典型阀门产品的结构由于阀门产品的种类和结构繁多，为使大家有一个总体的了解，仅对闸阀、截止阀、止回阀、球阀和蝶阀的结构形式按分类法进行表述。1、闸阀结构分类（见图一）图1闸板结构单闸板螺纹在闸板上图1闸板结构单闸板螺纹在闸板上图2螺纹在阀盖上图2螺纹在阀盖上图3楔式双闸板双闸板暗杆图3楔式双闸板双闸板暗杆图4平行式双闸板闸阀结构图4平行式双闸板闸阀结构弹性阀杆类型单面楔式弹性阀杆类型单面楔式单闸板图6图5单闸板图6图5刚性明杆双面楔式刚性明杆双面楔式图7图7闸板架闸板结构闸板架闸板结构双闸板图8双闸板图8撑开式撑开式图9单闸板图9单闸板平行式图10弹簧预紧平行式图10弹簧预紧双闸板图11双闸板图11撑开式撑开式图12图122、截止阀结构分类（见图二）阀瓣受力类型阀瓣受力类型介质流向介质流向强制关闭从下部进入强制关闭从下部进入自平衡从上部进入自平衡从上部进入图1直通式截止阀图1直通式截止阀图5阀杆密封类型内螺纹有填料图5阀杆密封类型内螺纹有填料图3角式通道类型图3角式通道类型图6阀杆螺纹位置无填料外螺纹图6阀杆螺纹位置无填料外螺纹图4图2Y型图4图2Y型图7图7是否带摆锤3、止回阀结构分类（见图三）是否带摆锤阻尼位置阻尼位置带摆锤外阻尼带摆锤外阻尼图3图1带阻尼装置图3图1带阻尼装置不带摆锤内阻尼不带摆锤内阻尼阀瓣数量单瓣图2按阻尼阀瓣数量单瓣图2按阻尼图4伸出体外图4伸出体外双瓣旋启式双瓣旋启式图5在体内止回阀图5在体内止回阀通道方式多瓣阀瓣运动方式直通式通道方式多瓣阀瓣运动方式直通式图7图6图7图6角式升降式不带阻尼装置角式升降式不带阻尼装置图8图8立式立式图9图9阀瓣类型图10平面阀瓣类型图10平面图11单球锥面图11单球锥面球面管道式球面管道式图12多球图12多球图13单瓣蝶式图13单瓣蝶式阀瓣数量双瓣阀瓣数量双瓣4、球阀结构分类（见图四）通道数量球阀通道数量球阀四通式三通式直通式四通式三通式直通式图1图1装配方式装配方式全包式侧装式上装式全包式侧装式上装式图2密封性质图2密封性质油封非油封油封非油封图3图3防火防静电防火防静电防火防静电不防火防静电防火防静电不防火防静电图4图4密封材料密封材料金属材料软质材料金属材料软质材料球体固定方式球体固定方式偏心式固定式浮动式撑开式斜面式固定式浮动式偏心式固定式浮动式撑开式斜面式固定式浮动式图7图6图5密封图7图6图5密封双面密封单面密封双面密封单面密封图8图85、蝶阀结构分类（见图五）蝶阀蝶阀蝶板位置蝶板位置斜置板垂直板斜置板垂直板密封力密封力自压密封强制密封自压密封强制密封图1密封原理图1密封原理三偏心双偏心单偏心中线式三偏心双偏心单偏心中线式密封面材料密封面材料金属材料软质材料金属材料软质材料密封性质旋转轴位置密封性质旋转轴位置刚性密封弹性密封单偏心斜置式中线式刚性密封弹性密封单偏心斜置式中线式图4旋转轴位置图3图2蝶板位置图4旋转轴位置图3图2蝶板位置图9斜置板垂直板双偏心单偏心图9斜置板垂直板双偏心单偏心图5图6旋转轴位置图5图6旋转轴位置三偏心双偏心三偏心双偏心图8图7图8图7二）、填料函结构（见图六）对阀门而言，除正确选择填料材料外，其填料函结构设计的正确及否对保证阀杆处密封是否可靠至关重要。对一般工业用阀门，填料函的基本结构分类如下：（图1）采用同一种填料材料全填料式（图1）采用同一种填料材料全填料式（图2）在填料中段部位再增加一个金属隔环中间加隔环式有填料式（图2）在填料中段部位再增加一个金属隔环中间加隔环式有填料式（图3）填料采用二种以上材料复合式（图3）填料采用二种以上材料复合式（图4）在中间隔环式基础上，安置一个引漏管，一旦介质能过下部填料泄漏后，可通过引漏管将介质排到专设的容器中，以确保阀门使用现场不受介质危害。中间加引漏装置填料函（图4）在中间隔环式基础上，安置一个引漏管，一旦介质能过下部填料泄漏后，可通过引漏管将介质排到专设的容器中，以确保阀门使用现场不受介质危害。中间加引漏装置填料函（图5）其结构及中间加引漏装置相同，不同之处在于要通过管路长期向填料中间施加一定压力的循环水，以达到下部密封段填料承受的压差降低，从而确保介质不能轻易通过阀杆外泄。水封式（图5）其结构及中间加引漏装置相同，不同之处在于要通过管路长期向填料中间施加一定压力的循环水，以达到下部密封段填料承受的压差降低，从而确保介质不能轻易通过阀杆外泄。水封式（图6）波纹管式（图6）波纹管式无填料式无填料式全封闭式全封闭式三）、中部结构（见图七）阀门在大多数情况下，由于受整体结构的限制，均采用阀体及阀盖（或阀体及侧阀体）各自独立的零件，这就为设计时带来如何保证两个零件连接后密封的问题。阀门中部结构尽管受阀门使用性能等因素影响而多种多样，但基本结构可以分为两类：1、有垫片（环）连接的中部结构：其结构原理是：作为密封用的垫片（环）通过螺栓连接压紧产生的变形，形成足够的密封力，从而保证两个零件之间的密封。2、无垫片（环）连接的中部结构：其结构原理是：不采用垫片（环）密封的结构，而达到中部连接处不泄漏。为更清楚地表达中部密封的结构，用分类表达如下：图1软质垫片连接垫片连接图1软质垫片连接垫片连接图2金属垫片连接图2金属垫片连接图3软质垫片连接有垫片（环）连接图3软质垫片连接有垫片（环）连接图4金属垫片连接环连接强制密封图4金属垫片连接环连接强制密封中部结构中部结构自紧密封自紧密封刚性连接刚性连接图5全焊接连接无垫片（环）连接图5全焊接连接无垫片（环）连接四）、阀杆螺母结构（见图八）对具有螺旋传动的阀门，其阀杆螺母结构往往因受力和环境因素的影响而不同，其基本结构可分为固定式阀杆螺母和转动式阀杆螺母两大类。1、固定式阀杆螺母的原理是阀杆螺母固定，阀杆作相对运动。按其阀杆螺母所处位置又分为阀体内和阀体外两种。若阀杆螺母安置在阀体外，此时，阀杆螺母固定，阀杆作旋转并轴向运动。若阀杆螺母安置在阀体内，此时，阀杆螺母随关闭件轴向运动，而阀杆只作旋转运动。2、转动式阀杆螺母的原理是阀杆螺母装在支架的上部，阀杆螺母通过外力驱动作原位旋转，而阀杆作轴向运动。阀杆螺母安置在阀体内，由于受介质和温度的影响大，而且在介质作用下，操作条件差，易损坏，维修更不容易，因此其使用范围受限制。阀杆螺母安置在阀体外，由于及介质隔开，而且温度大大低于阀体和阀盖的温度，故更换、维修、润滑方便，可用于各种工作条件（包括最复杂的工况）场合。现将阀杆螺母结构分类列表表示：图1阀杆螺母在体腔外固定式图1阀杆螺母在体腔外固定式图2阀杆螺母在体腔内图2阀杆螺母在体腔内图3单轴承阀杆螺母结构图3单轴承阀杆螺母结构图4双轴承带止推轴承图4双轴承带止推轴承图5上装式不带止推轴承转动式图5上装式不带止推轴承转动式图6下装式图6下装式五）、密封面结构阀门密封面结构是决定阀门能否可靠保证在管道内使用功能的关键。由于阀门的具体执行功能不同，因此其密封面结构不同，为便于系统地理解和掌握这方面知识，仅就典型的几种阀门密封面结构阐述如下：1、闸阀的密封面结构在闸阀产品中，密封面工作条件比截止阀复杂的多，闸板和阀体密封面相对移动将引起磨损，而随着磨损的加重，闸板会在阀体中下落，而且由于斜度不大，造成密封面厚度即使减少量很小也会引起闸板比较大的下移，如果返修或维修时，经重新研磨后，闸板下降的幅度更大，由于这个原因，为保证阀门可靠的密封，闸板密封面一方面要比阀体密封面要宽，另一方面，在装配时，应将闸板及阀体密封面的最初接触位置选在闸板的最高处。一般，闸阀密封面检修要比截止阀困难，为避免阀门经常返修/维修和密封面的迅速破坏，这就要求对闸阀密封面材料和结构的选择考虑的愈周全愈好。1）、分离式阀座结构：此类结构是将密封面先及阀体分开，然后再及阀体边接在一起。其优点是密封材料选择范围大，易加工，缺点是工艺复杂。2）、整体式阀座结构：此结构是密封面直接在阀体上加工而成的，可分为在阀体上直接加工和先堆焊再加工两种。优点是结构简单，缺点是增大了加工难度。闸阀的密封面结构分类如下：（见图九）图1（均采用分离式结构）非金属密封面材料图1（均采用分离式结构）非金属密封面材料图2本体阀座密封面结构图2本体阀座密封面结构图3堆焊整体式金属密封面材料图3堆焊整体式金属密封面材料图4焊接式闸阀密封面结构图4焊接式闸阀密封面结构图5螺纹拧紧式式分离式图5螺纹拧紧式式分离式图6镶嵌式图6镶嵌式本体本体堆焊闸板密封面结构堆焊闸板密封面结构镶嵌镶嵌2、截止阀的密封面结构截止阀密封结构，根据密封面材料分为软质和金属两大类，在阀门设计时可根据密封材料的特点采取相应的固定方法。截止阀密封面结构型式如下：（见图十）图1在阀体上堆焊后加工图1在阀体上堆焊后加工图2阀座滚压在阀体上图2阀座滚压在阀体上图3阀座焊在阀体上平面式图3阀座焊在阀体上平面式图4阀座用螺纹拧在阀体上截止阀密封面结构图4阀座用螺纹拧在阀体上截止阀密封面结构图5用压板或压入阀瓣中（对软质材料）图5用压板或压入阀瓣中（对软质材料）图6在阀体上堆焊后加工锥面环型图6在阀体上堆焊后加工锥面环型图7衬胶锥面式图7衬胶锥面式图8阀座用螺纹拧在阀体上锥面线型图8阀座用螺纹拧在阀体上锥面线型图9阀体为塑料图9阀体为塑料（阀瓣软、阀座硬最好，也可均为金属，但硬度差要考虑）刀型（阀瓣软、阀座硬最好，也可均为金属，但硬度差要考虑）刀型图10图103、球阀密封面结构由于球阀使用的场合不同，其密封面结构也不同，加上新结构、新材料、新工艺的不断问世，使球阀的使用范围也随之扩大，阀座密封面结构也多样化。对球阀密封副结构，由于球体一般为金属材料，关键是阀座密封面结构的选择。球阀密封面结构分类如下：（见图十一）图2图1图2图1密封圈固定方式是否防火注密封脂阀座防火阀座密封圈固定方式是否防火注密封脂阀座防火阀座是否注密封脂是否注密封脂图3密封面材料自由式球阀阀座结构图3密封面材料自由式球阀阀座结构图4镶嵌式金属图4镶嵌式金属不注密封脂阀座不防火阀座不注密封脂阀座不防火阀座线密封非金属线密封非金属图5密封接触面面密封图5密封接触面面密封4、蝶阀密封面结构由于蝶阀具有其它阀类不可比的优点，近来，许多新结构问世，已使蝶阀只能常温软质密封开始向高温硬密封发展，因此，目前密封面结构相当繁多。其密封面结构分类如下表所示：（见图十二）图1密封材料非金属材料图1密封材料非金属材料自动密封自动密封图2弹性金属材料图2弹性金属材料图3镶橡胶/塑料图3镶橡胶/塑料镶衬式蝶阀密封面结构镶衬式蝶阀密封面结构图4衬橡胶/塑料非金属材料图4衬橡胶/塑料非金属材料图5密封材料充压式图5密封材料充压式强制密封强制密封图6弹性图6弹性图7刚性金属材料图7刚性金属材料三、阀门材料阀门是管路中不可缺少的附件之一，由于其特殊性，它不仅要保证在不同温度、不同压力、不同介质的化学物理性能参数下的可靠功能，而且还要完成阀门在使用中的各种动作。因此，这就决定了阀门在选材上的复杂性。可以讲，目前存世的绝大部分材料，包括黑色金属、有色金属、工程塑料、橡胶和搪瓷等在阀门中均可用到。尽管表面上看，一台阀门很简单，但实际上阀门中每个零件材料所涉及的学科却是其它机械产品无法比拟的。它不仅涉及到材料学、流体力学、热力学、化学、腐蚀学、金相学，而且还涉及到机械设计学、自动控制学、机械制造学以及探伤、焊接等学识。因此，对每一个合格的阀门工程技术人员来讲，不仅要具备对阀门产品结构的熟知并创新，在理论和科研上的扎实基础，而且在如何选好材料上更要具备较高的素质，为了达到这样的目标，就要做到以下几点：1、要广泛熟悉并收集国内外现有的各种材料的信息和相应材料标准。2、在实际工作中，不断积累经验。3、密切和科研单位的合作，有针对性地研制阀门所需的新材料，以便拓宽选材范围。建国以来，我国在阀门新材料的研制上举不胜举，比如：为四川天然气工程研制了耐H2S介质的阀杆材料318钢、抗咬伤的303Se，410Se等易切削不锈钢、耐低温-101℃的3.5Ni(L3)低温钢、耐高温的ZG2Cr5Mo高温钢、耐海水腐蚀的双相不锈钢，镍基合金铸铁，耐冲蚀和磨损的耐磨铸铁等。提高阀门密封面寿命的SF-3T、SF-4T、SF-5T等堆焊焊条。这些成果均是先提出课题或国家下达科研计划、经有关部门配合攻关而成。一）、材料的选用原则由于阀门属于受压容器范畴，而且阀门中每个零件在阀门中起的作用也不尽相同。因此，为保证阀门的安全可靠，在阀门零件具体选用时，合理及否至关重要。在选用阀门零件材料时，可遵循以下几点原则：1、适用性：即选材时要符合相应阀门零件的使用功能。2、可行性和经济性：即选材料时，要立足于市场上便于采购，价格适宜，并且不能高材低用。3、可靠性：即在选定了某种阀门零件材料后，还要进行必要的计算，考虑可能出现的问题以及采取的相应措施，力保选用的材料满足使用功能。4、工艺性：即在选材时，考虑加工的工艺性，以求得最佳的经济效果。为了更直观、简单的保证阀门材料的选用合理，各国均在长期设计、制造和使用的基础上，对通用阀门的选材进行了科学总结，并制定了相应规范下的选材标准。例如：我国在JB/T5300-91标准中就对一般阀门的基本材料作了详细规定。它适用于灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、铜合金、碳素钢、高温钢、低温钢及不锈耐酸钢等阀门。目前，国内外有关材料的标准很多，在具体阀门设计工作中，可以按需要对照相应材料标准去选用。但对阀门特殊工况下材料选用，由于无实际经验可借鉴，选材较为复杂和困难，需要反复论证，并结合必要的实验验证。随着科学技术的不断发展，许多新材料在不断问世，这对不断提高阀门的使用可靠性和新产品的设计开发提供了可靠基础。二）、材料的表示方法由于阀门零件材料的牌号和标准规范较多，而且各国表示方法也不一样，因此，在图样设计中必须标出相应材料的具体牌号和标准。阀门零件材料的表示方法基本上分我国体系和国外体系两种。阀门零件材料的表示方法及原则，一般采用相应的标准规范加材料牌号的方法。比如对碳钢铸件：我国表示为GB/12229-89WCB，对ASTM标准表示为ASTMA216WCB。三）、阀门材料的选用根据阀门的结构特点，阀门零件材料基本上可分为以下几大类：承压件材料（阀体、阀盖等）内件材料（阀杆、密封面、上密封等）栓接材料（各部位的紧固件）密封材料（垫片、填料等）灵敏件材料（弹簧、膜片等）一般材料（支架、手轮、阀杆螺母等）由于阀门的特殊性，在具体选用阀门零件时，应侧重考虑以下几个主要因素：介质、介质温度、工作压力、其它因素下边按阀门零件材料分类分别阐述材料的选用。1、承压件材料的选用承压件一般指承受介质内部压力的零件，如阀体、阀盖、端盖等。它们是保证阀门使用强度的关键零件。承压件一般可用铸造、锻造或板焊材料制成。对常规阀门材料，国内外均在相应产品标准中作了规定，选择时一方面可由产品定单规定，按相应标准规范去选；若产品定单中未作明确规定，则可用习惯的、成熟的材料。比如，对≤425℃的碳钢阀门，承压件材料均为WCB。在选用承压件材料时，所有承压件并不要求采用相同材料或同类材料。但是适用的额定值应按主要承压件确定。基于目前各种承压零件的使用范围不规范，现将常用的承压件材料选择列表于“承压件、阀杆、栓接及密封面材料（推荐）表”中。需要注意的是：表中（推荐）材料不是唯一的，可根据企业具体情况，自行决定，关键能保证阀门的使用性能。2、内件材料的选用内件指阀门内腔的主要零件，它包括密封面、阀杆和上密封座。当然，其它内部的一般零件（销轴、遥杆、衬套等）也属于这一范畴。内件材料同样承担阀门的关键功能，如密封、传递运动功能等。对阀门内件材料,国内外也均有相关常用标准规范，在选用时，除定单中明确规定外，一般可按制造厂的标准材料规范。为了大家使用方便，对常用的阀门内件材料的选用列于“承压件、阀杆、栓接和密封面材料（推荐）表”中。密封面材料是影响阀门密封和使用寿命的关键，阀门产品必须要有相应的密封面材料标识，我国常用的密封面材料标识代号如下：密封面材料代号密封面材料代号铜合金T合金钢H橡胶X渗氮钢D尼龙N硬质合金Y氟塑料F巴氏合金B衬胶J搪瓷C随着国际市场的开放，为便于和国际接轨，现将国际上通用的密封面材料标识如下表所示：密封面材料标识密封面材料标识铝AL氯丁橡胶CR黄铜BRS丁基橡胶IIR青铜BRZ乙烯、丙烯橡胶EPR碳铜CS氟橡胶FPM铸铁CI硅橡胶SI球墨铸铁DI不锈钢SS可锻铸铁MI13铬CR13(D507\D507Mo\2Cr13)表面硬化HF(司太立)18-818-8整体阀座INT18-8Mo18-8Mo表面硬化钢渗氮