高压阀门设计

江南控股集团 江南阀门有限公司 江南阀门有限公司 丁伟民 2007年9月 江南控股集团 江南阀门有限公司 公称压力是表达阀门压力高低的尺度，新中国成 立至今，对公称压力己先后有三次大的改动。 除了公称压力外，还有以下常用的压力： （1）工作压力 ：指阀门在正常工作情况下，可 能达到的最高压力； （2）设计压力 ：指阀门设定的最高压力，与相 应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低 于工作压力； （3）试验压力：指阀门进行压力试验时的压力 。 1概述 1.1公称压力 我国国家标准、美国ASME标准、欧盟标准的压 力等级值对照： 标准类别 公称压力（压力等级） EN （bar） 20 50 110 150 260 320 420 600 760 GB PN 20 50 110 150 260 320 420 600 760 ASME （CL.） 150 300 600 900 1500 2000 2500 3500 4500 江南控股集团 江南阀门有限公司 压力-温度额定值是一种划分压力等级的标准 ，我国阀门的压力-温度额定值是参照 GB/T12224-2005“钢制阀门一般要求”标准 执行，但国际上比较通用的标准是美国ASME B16.34“法兰、螺纹和焊接端连接的阀门” ，这些标准规定了不同材料组别在不同温度 下的最高工作压力，或者以温度和工作压力 来确定压力等级。 江南控股集团 江南阀门有限公司 1.2压力-温度额定值 o标准压力级阀门：是指满足GB/T12224或ASME16.34a标准 的阀门，除满足其附录规定的无损探伤检验要求之外的阀门， 都定为标准压力级阀门； o专用压力级阀门：亦有叫特殊压力级阀门，是指除满足标准级 阀门的要求外，还要满足其附录要求的无损探伤检验要求的阀 门，但不适用于法兰连接端阀门； o限定压力级阀门：是指NPS21/2及更小的螺纹端或焊接端阀门 ，但不适用于法兰连接端阀门； o中间额定值阀门：是指焊接端或螺纹端阀门在压力等级数值内 处于表列额定温度或额定压力之间的中间额定值可以用线性插 值法确定，但不适用于法兰连接端阀门； o组焊阀门：是指完全或部分用铸件、锻件、棒料、板材或管材 组焊而成的阀门。 江南控股集团 江南阀门有限公司 1.3高压阀门的界定 阀门行业内曾有一个共识： o（1）绝对压力低于1个大气压的阀门叫真空 阀； o（2）压力1.6MPa叫低压阀门； o（3）压力2.56.4MPa叫中压阀门； o（4）压力10.080.0MPa叫高压阀门； o（5）压力100.0MPa叫超高压阀门。 江南控股集团 江南阀门有限公司 在汽轮机制造行业又按下列范围划分： o（1）低压 22.15MPa o（8）超超临界 32.0MPa 江南控股集团 江南阀门有限公司 高压阀门有两种工况，一种是介质处于 常温、但压力很高，比如油田采油和注水用 阀门；另一种是介质处于高温状态，压力亦 高，比如热电厂用的主蒸汽系统阀门。这两 种 虽然同样都属“高压阀门”，但设计准 则和材料选用却各不相同，前者只考虑强度 和刚度就可以，而后者还应考虑高温下材料 的强度和蠕变。 江南控股集团 江南阀门有限公司 2结构 2.1各类高压阀门的典型结构 2.1.1 高压闸阀 高压闸阀主要由 阀体、阀盖、闸 板、阀杆、支架 、填料密封部分 、执行机构等零 部件组成 。 江南控股集团 江南阀门有限公司 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.1.2高压截止阀 高压截止 阀主要由阀体 、阀盖、阀瓣 、阀杆、支架 、填料密封部 分、执行机构 等零部件组成 。 江南控股集团 江南阀门有限公司 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.1.3高压球阀 高压球阀 主要由阀体、 阀座、球体、 阀杆、填料密 封部分、执行 机构等零部件 组成。 江南控股集团 江南阀门有限公司 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.1.4高压止回阀 高压止 回阀主要由 阀体、阀盖 、阀瓣等零 件组成。 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.2高压阀门的结构特征 高压阀门的结构与中压阀门有许多相同 之处，比如零件的构成、形状等。但由于承 受介质的压力高或者温度亦高，所选用的材 料亦不一样，因此在一些具体部位上仍有其 特点，现分别予以表述。 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.2.1中法兰连接结构 中压阀门一般都采用 法兰连接和螺纹连接 （用于小口径），而 高压阀门采用内压自 紧密封结构较多，密 封圈用非金属和金属 均可，能依靠介质自 身压力的作用达到密 封的目的，当然需要 一定的预紧力，密封 效果好，巳成为传统 的中法兰连接结构之 一。 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.2.2填料结构 填料结构是 防止介质从阀 杆与阀盖连接 部位泄漏出来 ，常用结构有 以下结构。 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.2.4与管道连接结构 高压阀门与管道一般采用焊接端连接， 消除漏点、密封可靠，但维修与更换不便。 所以在标准规定的范围内亦允许采用法兰连 接，小口径的亦有使用内螺纹连接结构的， 不过用户订货时往往已经选定了与管道连接 的方式，不必由制造厂决定。 江南控股集团 江南阀门有限公司 2.2.5压力平衡结构 为了减小阀杆 在高压工况下的 作用力，并充分 利用介质自身的 压力达到密封， 高压阀门往往采 用压力平衡结构 会起到很好的效 果 。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3材料 3.1承压件与控压件 o阀门零件按其在整台阀门中的作用有“承压 件”和“控压件”之分，在美国API6D“管道阀 门”标准中作了以下表述： o承压件是指设计为承受管道介质（压力）的 零件，如阀体、阀盖、填料压盖、阀杆、垫 片和螺栓等； o控压件（压力控制零件）是指用于阻塞或允 许介质流动的零件，如关闭件、阀座等。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.2壳体材料 壳体包括阀体、阀盖等零件，直接承受介质压 力，为阀门的承压件，其材料必须具有能在规定的 介质、温度和压力下达到应有的机械性能、化学成 份，并有良好的冷、热加工工艺性。 o在GB/T12224“钢制阀门 一般要求”标准中，列 入了1.01.5六组碳钢、低合金钢，1.9、1.10、 1.13、1.15四组铬钼钢，2.12.5五组不锈钢材 料，共计15组不同的材料。 o在ASMEB16.34a“法兰、螺纹和焊接端连接的阀 门” 标准中，列入了1.1-1.15十五组碳钢、合金钢 ，2.1-2.8八组不锈钢材料，共计23组不同的材料 。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.2.1碳素钢 碳素钢一般适用于温度在-29425的非腐蚀性介质。 根据GB/T12224-2005的规定： 常用的碳素钢铸件材料有： o中国标准：GB/T 12229 WCA（ZG205-415）、WCB（ ZG250-485）、WCC（ZG275-485），括号内的材料为 GB/T 5631的牌号； o美国标准：ASTM A216 WCA、WCB、WCC。 o常用的碳素钢锻件（含板材）材料有： o中国标准：GB/T 699 25； GB/T 711 25； GB/T 6654 20R、16MnR；JB 4726 16Mn； o美国标准：ASTM A105。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.2.2合金钢 合金钢（铬-钼钢、铬-钼-钒钢）适用于温度为-29650高 温、高压的工况，主要便用在火力发电的高温、高压蒸汽， 炼油厂的催化裂化和加氢装置上。 根据GB/T12224-2005的规定： 常用的合金钢钢铸件材料有： o中国标准：JB/T 5263 WC1、WC6、WC9、C12A；JB/T 9625 ZG20CrMo、ZG20CrMoV、ZG15Cr1Mo1V、 ZG1Cr5Mo； o美国标准：ASTM A217 WC1、WC6、WC9、C5、C12、 C12A。 常用的合金钢锻件（含板材）材料有： o中国标准：GB/T 6654 15CrMoR、12Cr2Mo1R，JB/T 9626 15CrMo、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V、1Cr5Mo； o 美国标准：ASTM A182 F11、F22、F1、F5、F9、F 91。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.2.3奥氏体不锈钢 在石油化工装置上，介质往往既有高温、高压，又有腐蚀性，因此必 须选用既耐高温、高压，又耐腐蚀的材料。奥氏体不锈钢的高温强度 高，尤其是含有Ti、Nb等合金元素的18-8钢，其高温性能更优越。 常用的不锈钢钢铸件材料有： o中国标准：GB/T 12230 ZG03Cr18Ni10、ZG08Cr18Ni9、 ZG08Cr18Ni9Ti、ZG12Cr18Ni9Ti、ZG08Cr18Ni12Mo2Ti、 ZG12Cr18Ni12Mo2Ti、CF3、CF3M、CF8、CF8M、CF8C； o美国标准：ASTM A351 CF3、CF3M、CF8、CF8M、CF8C、 CG8M、CF10、CF10M，ASTM A217 CA15。 常用的不锈钢锻件（含板材）材料有： o中国标准：GB/T 1220 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、1Cr18Ni9Ti 、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti； o美国标准：ASTM A182 F304、F316、F304L、F316L、F321、 F304H、F316H、F51、F53、F55。 江南控股集团 江南阀门有限公司 在电力行业标准DL/T 922-2005“火力发电用钢制通用阀门订 货、验收导 则”标准中巳对承压件主体材料作了如下规定： oWCB 或 ASTM A216 WCB，25或ASTM A105 最高适用温 度为427； oWC1或ASTM A217 WC1，ASTM A182 F1 468 oWC6或ASTM A217 WC6，15CrMo或ASTM A182 F11 540 oWC9或ASTM A217 WC9，ASTM A182 F22 570 oASTM A217 C12A，ASTM A182 F91 600 oZGCr5Mo，Cr5Mo 550 oZG20CrMoV，12Cr1MoV 550 oZG15Cr1Mo1V，15Cr1Mo1V 570 oZG1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti 650 oZG1Cr18Ni12Mo2Ti，1Cr18Ni12Mo2Ti 650 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.2.4关于熔模铸造件（精铸件） 在GB12224-89的老标准中曾规定，精 密铸造件不得用于公称压力PN10.0MPa 的阀门，但在新标准和ASMEB16.34a标准 中己作了修改，规定当DN100、 PN110的阀体和阀盖，采用精铸件时，应 符合其表1涉及的标准要求；当精铸件大于 上述范围时，则应符合材料标准的全部要求 。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.3阀杆材料 阀杆是阀门的承压件之一，在阀门开启 和关闭过程中，承受拉、压、剪切和扭转作 用力，并与介质直接接触，同时和填料之间 还有相对摩擦运动，因此阀杆材料必须保证 在规定的介质、温度、压力下有足够的强度 及冲击韧性，并有能满足要求的耐腐蚀性和 抗擦伤性，还有良好的工艺性。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.3.1不锈钢 o中国标准：GB/T 1220 2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2、 1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti、 0Cr17Ni4CuNb（17-4PH）； o美国标准：ASTM A182 F6a 、F304、F316、F304L、 F316L、ASTM A276 304、316、304L、316L。 3.3.2合金钢 o中国标准：GB/T 1221 38CrMoAl、4Cr10Si2Mo，GB/T 3077 25Cr2Mo1V、25Cr2MoV、20Cr1Mo1V1A； o 美国标准：ASTM A182 F11CL2、F12CL2、F22CL3、 F5、F5a、F9、F91。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.4密封面材料 密封面是阀门的关键部位，密封面用材 料应耐腐蚀、抗冲蚀、耐擦伤、有足够的挤 压强度（比压）、在高温下有足够的抗氧化 性和抗热疲劳性，还要求与基体材料的线膨 胀系数相近，并有良好的加工与焊接工艺性 。对于高压阀门的密封面，通常采用硬质合 金。 江南控股集团 江南阀门有限公司 硬质合金常用牌号有：STELLITE NO.6、 NO.12，符合美国AWS ECoCr-A和AWS ECoCr -B及中国GB EDCoCr-A-03（堆焊用电焊条 D802）、GB EDCoCr-B-03（堆焊用电焊条 D812）的要求；亦可使用STELLITTE NO.6、 NO.12焊丝用氧乙炔堆焊或钨极氩弧焊，这些焊丝 符合美国AWSRCoCr-A和AWSRCoCr-B及中国牌 号HS111、HS112的要求；如果采用等离子喷焊 ，亦可以选用钴基合金粉末，节约材料、质量好、 同时改善了劳动条件。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.5承压紧固件材料 承压紧固件主要指中法兰连接螺栓与螺 母，在阀门上直接承受介质的压力，对防止 介质外漏起着重大的作用，因此所选用的材 料必须保证在使用压力、温度下有足够的强 度与冲击韧性。 江南控股集团 江南阀门有限公司 参照GB/T150-1998、JB/T5300-1991、ASME B16.34a 等标准的规定，高压阀门常用的紧固件材料有合金钢与不锈钢 两大类。 3.5.1合金钢 o中国标准：GB/T 3077 30CrMoA 、35CrMoA、40Cr、 25Cr2MoVA、25Cr2Mo1VA； o美国标准：ASTM A193-B16、ASTM A194-7。 3.5.2不锈钢 o中国标准：GB1220 2Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、 0Cr17Ni12Mo2、 o1Cr17Ni2、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti； o美国标准：ASTM A193-B8、B8M，ASTM A194-8、8M。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.6填料和垫片材料 阀门用填料和垫片都是为了阻止介质 外漏的填充物。填料是用来充填料室和阀杆 之间的空间，以防止介质经由阀杆与填料室 空间泄漏；垫片则是用来充填两个接合面（ 如阀体与阀盖之间的密封面）间所有凹凸不 平处，以防止介质从结合面间泄漏。因此对 填料材料的要求是耐腐蚀、密封性好、摩擦 系数小；对垫片材料的要求是耐腐蚀，在工 作温度下具有一定的弹性和塑性及足够的强 度。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.6.1填料材料 温度不超过200的高压阀门可采用自紧 式、由上、中、下三种形状组成的聚四氟乙 烯材料制成的填料，或橡胶O形圈结构；温 度高的阀门一般采用柔性石墨填料。 江南控股集团 江南阀门有限公司 3.6.2垫片材料 垫片材料分软质和硬质两大类，软质材料一 般为非金属，硬质材料一般为金属或者用金属包非 金属材料制成的垫片，如齿形垫、透镜垫、环连接 金属密封圈、金属与非金属缠绕垫、用金属包敷非 金属垫等。金属垫片一般用08、10优质碳钢、 1Cr13、1Cr18Ni9不锈钢制造。在特殊情况下亦 有采用刚性密封结构，即金属与金属直接接触、不 用任何垫片的密封，但这种结构的密封面加工精度 、表面粗糙度、平整度等要求很高、难度很大。 江南控股集团 江南阀门有限公司 4 设计 4.1 设计程序 在ISO9001：2000质量体系程序文件 第7.3要素中已有明确规定，在此仅作简要 介绍：“设计和开发控制程序”中主要包括设 计策划、设计输入、设计输出、设计评审、 设计验证、设计确认和设计更改等7个程序