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第二章阀门结构和工作原理 上 tiemuyu666 主要内容 常见阀门结构及应用阀门的选用 球阀 旋塞阀 截止阀 闸阀 蝶阀 闸阀 一 闸阀闸阀是指启闭体 阀板 由阀杆带动阀座密封面作升降运动的阀门 可接通或截断流体的通道 当阀门部分开启时 在闸板背面产生涡流 易引起闸板的侵蚀和震动 也易损坏阀座密封面 修理困难 闸阀通常适用于不需要经常启闭 而且保持闸板全开或全闭的工况 不适用于作为调节或节流使用 撑开式 闸阀的分类 闸阀 楔式 平行式 单闸板 双闸板 旋转式 暗杆 升降式 明杆 直齿圆柱齿轮 法兰连接 焊接连接 螺纹连接 锥齿轮 气动 自动密封式 单闸板 双闸板 液动 电动 手动 闸阀的结构 1 手轮2 阀杆螺母3 填料压盖4 填料5 阀盖6 双头螺栓7 螺母8 垫片9 阀杆10 闸板11 阀体 闸阀的结构 1 阀体与阀盖阀体与阀盖多采用法兰连接 阀体截面形状主要取决于公称压力 低压阀 扁平状 高中压阀 椭圆形或圆形 闸阀的结构 2 闸板与阀座密封圈楔式闸板闸板密封面与闸板垂直中心线有一定倾角 称为楔半角 防止温度变化时闸板卡死 一般角度为2 52 5 介质温度越高 通径越大 楔半角就越大 闸阀的结构 a 楔式刚性单闸板 特点 结构简单 尺寸小 使用较为可靠 缺点 楔角加工精度高 加工维修较为困难 启闭过程中密封面易发生擦伤 温度变化时闸板易卡住 应用 常温 中温 各种压力 闸阀的结构 b 楔式弹性单闸板 结构 在闸板中部开环状槽或由二块闸板组焊而成 中间为空 特点 结构简单 密封面可靠 能自行补偿由于异常负荷引起的阀体变形 防止闸板卡住 应用 各种压力 温度的中 小口径及启闭频繁场所 缺点 关闭力矩不宜太大 防止超过弹性范围 介质中含固体杂质少 不适用于易结焦的介质 闸阀的结构 c 楔式弹性双闸板 特点 温度变化时不易卡住 也不易产生擦伤现象 结构 由两块圆板组成 用球面顶心铰接成楔形闸板 楔角可以靠顶心自动调整 缺点 结构复杂 零件较多 闸板易脱落 应用 水和蒸气介质 不适用于粘性介质 闸阀的结构 平行式闸板闸板的两个密封面平行 阀座密封面垂直于管道中心线 a 平行式单闸板不能依靠其身达到强制密封 必须采用固定或浮动的软质阀座 适用于中低压大中口径 介质为油类 天然气 b 平行式双闸板自动密封式 依靠介质的压力把闸板推向出口侧阀座密封面 达到单面密封的目的 闸板间加弹簧实现在关闭时的密封 密封面易被擦伤和磨损 较少采用 撑开式 用顶楔把两块闸板撑开 压紧在阀座密封面上而达到强制密封 普通型闸板 调节型闸板 带导流孔型闸板 闸阀的特点 闸阀在管路中主要作切断用 一般口径DN 50mm的切断装置多选用它 有时口径很小的切断装置也选用闸阀 闸阀有以下优点 流体阻力小 开闭所需外力较小 介质的流向不受限制 全开时 密封面受工作介质的冲蚀比截止阀小 体形比较简单 铸造工艺性较好 闸阀也有不足之处 外形尺寸和开启高度都较大 安装所需空间较大 开闭过程中 密封面间有相对摩擦 容易引起擦伤现象 闸阀一般都有两个密封面 给加工 研磨和维修增加一些困难 二 截止阀 节流阀截止阀和节流阀都是向下闭合式阀门 启闭件 阀瓣 由阀杆带动 沿阀座轴线作升降运动来启闭阀门 截止阀与节流阀的结构基本相同 只是阀瓣的形状不同 截止阀的阀瓣为盘形 节流阀的阀瓣多为圆锥流线型 特别适用于节流 可以改变通道的截面积 用以调节介质的流量与压力 截止阀和节流阀 截止阀的种类 截止阀 直杆式 斜杆式 直通式 角式 上螺纹阀杆 下螺纹阀杆 螺纹连接 法兰连接 焊接连接 螺纹连接 法兰连接 法兰连接 下螺纹阀杆 上螺纹阀杆 直通式 节流阀的种类 节流阀 截止型 旋塞型 蝶型 直通式 角式 直通式 直通式 螺纹连接 法兰连接 卡套连接 螺纹连接 法兰连接 法兰连接 1 手轮2 阀杆螺母3 阀杆4 填料压盖5 T形螺栓6 填料7 阀盖8 垫片9 阀瓣10 阀体 截止阀和节流阀的结构 直通形阀 流动阻力大 压力降大 角形阀 弯头处 流动阻力小 截止阀和节流阀阀体 直流阀 阀体与阀杆成45 流动阻力小 压降也小 便于检修和更换 针形阀 阀瓣为锥形针形 阀杆通常用细螺纹以取得微量调节 截止阀和节流阀阀体 截止阀阀瓣 平面阀瓣 为截止阀主要形式的启闭件 接触面密合 没有摩擦 密封性能好 便于维修 不适合用于含有固体颗粒的介质 截止阀和节流阀阀瓣 节流阀阀瓣有针形 沟形和窗形三种形式 当阀瓣在不同高度时 阀瓣与阀座的环形道路面积相应变化 从而得到确定数值的压力或流量 截止阀和节流阀阀瓣 截止阀在管路中主要作切断用 节流阀在管路中主要作节流使用 截止阀有以下优点 1 在开闭过程中密封面的摩擦力比闸阀小 耐磨 2 开启高度小 3 通常只有一个密封面 制造工艺好 便于维修 截止阀使用较为普遍 但由于开闭力矩较大 结构长度较长 一般公称通径都限制在DN 200mm以下 截止阀的流体阻力损失较大 因而限制了截止阀更广泛的使用 截止阀节流阀的特点 球阀 球阀是由旋塞阀演变而来 它具有相同的启闭动作 不同的是阀芯旋转体不是塞子而是球体 当球旋转90度时 在进 出口处应全部呈现球面 从而截断流动 球阀的种类 球阀 手动 气动 电动 电动 气动 电 液动 气 液动 蜗轮传动 浮动球 固定球 直通式 三通式 型三通式 型三通式 直通式 螺纹连接 法兰连接 法兰连接 焊接连接 一 通用球阀的结构 对开式固定球阀 大口径 1 阀杆2 上轴承3 球体4 下轴承 浮动式球阀 三 长输管线球阀的分类 按结构不同可分为以下三类 侧装式 典型特征 1 简单的轴向对称设计 2 双流向 3 DBB功能 4 便于拆卸维修 5 设计灵活 6 可选材料广 7 制造周期短 8 不能在线维修 9 某些情况下受温度限制 10 不便埋地安装 顶装式 典型特征 1 双流向 2 DBB功能 3 可在线维修 4 设计复杂 5 制造周期长 6 Class150 300Lb面间距不符合API6D 7 某些情况下受温度限制 8 不便埋地安装 全焊接 典型特征 1 双流向 2 DBB功能 3 无外漏点 4 重量轻 5 设计灵活性差 6 不能现场维修 7 某些情况受温度限制 8 适于埋地安装 四 结构 筒体型和球型阀体的比较 从设计计算和承受同等压力的角度来看 球形阀体的设计厚度小于圆柱形阀体的厚度 因此 球形阀体的重量小于圆柱形阀体的重量 但是 在阀门安装在管线上以后 阀体承受极大的管道应力和管线载荷 同时 由于安装误差 地层运动和热变应力等因素的影响 产生的外力和扭矩是相当大的 厚度较大的圆柱形阀体能够更可靠的承受管线应力 不易产生变形而引发泄漏 圆柱形锻造阀体以锻造成形方法获得 金属经过锻造加工后大大改善其组织结构和力学性能 锻件晶粒较细且均匀 机械性能明显优于同样材料的板材 且可靠性高 不易存在内部缺陷 圆柱形锻造阀体为全机加工面 因此精度好 比不能加工内腔外壳的球形阀体能更好的转移 承受来自管线的外力和扭矩 1 阀体全焊式 可分为筒体型和球型结构 筒体型 球型 2阀座及密封阀座是阀门设计最重要的环节 对于阀门的密封可靠性 长久的使用寿命及操作的灵活性起着十分重要的作用 1 阀座的材料为使阀门更有效地密封 阀座采用金属 VITONAED 抗爆氟橡胶 双重密封混合设计 金属阀座采用不低于阀门球体的材质 但应考虑其与球体密封面间的硬度差 软阀座采用VITONAED抗爆氟橡胶 硬度95 98ShoreA 2 阀座结构及DIB 1 DIB 2 管线球阀典型阀座结构 1 对于阀座采用多重复合密封阀座结构设计 阀座初级密封由金属 金属密封提供 金属密封由球体和阀座的高精度加工及表面处理保证 第二级密封由嵌入阀座的软密封环提供 高压力情况下可增加阀座保护环的设计 即增加了一道密封提高了密封可靠性 同时保护了后级密封延长了阀门的使用寿命 这也是管线球阀阀座结构设计的发展趋势 2 阀座与球体之间由弹簧和介质压力保证始终压紧 3 带有密封脂注入装置 可以在需要的情况下向阀座与球体之间注入密封脂 4 根据阀门工作介质和实际工作情况 可合理选择阀座的双活塞效应 DPE 实现DIB 1或DIB 2的功能 DIB 1双阀座双向 DIB 2单座单向和单座双向 3 球阀DB B功能关于DB B阀门 API6D的定义是 带有两个座合表面 即两个密封副 的阀门 在其关闭位置可通过在两个座合表面之间的阀体腔的排放 排气方法 提供其阀门两端的压力 承压 密封 意即阀门处于关闭位置时可对阀中腔进行排放 排气的操作 但对于长输管线阀门 阀门通常是长期处于全开启的状态 因此要求阀门在全关和全开位置均能够实现DB B功能 4 球体与轴承关键要素 1 球体的关断尺寸 密封带宽度 2 球体的刚性 是影响阀门在高压条件下密封性能的重要因素 3 轴承的比压和防咬死 所有的球体 阀座支承 阀杆等有转动的内件表面采用表面处理 通常要求进行化学镀镍处理 使转动部位表面具有足够的镀层厚度和硬度 旋转接触面均采用PTFE 聚四氟乙烯 复合轴承 操作扭矩小 使用寿命长 操作轻便可靠 球体强度分析 球体与轴承座的正向接触应力分析 5 阀杆与填料1 结构特征 1 阀杆纯扭剪结构设计 阀杆只承受纯扭剪作用 这样可以使得阀杆密封不会因偏心而产生集中区域的过度磨损 提高阀门使用寿命 2 多重密封 具备防火 防静电 防阀杆喷出结构设计 第一重密封为 O 型密封圈组合密封 VITONAED 第二重密封为防火密封环 膨胀石墨 第三重密封为 O 型密封圈密封 阀门为防阀杆喷出结构设计 可以在带压情况下更换阀杆第三重密封 全焊球阀的阀杆多重密封结构 6 紧急密封 注脂系统 1 该系统由注脂阀和止回阀组成 分别安装于阀体外侧之阀座部位和阀杆填料函外径上 2 该系统可以用来阻止或减少管线阀门密封座的泄漏 3 该系统是一种补救措施 可以将阀门的彻底维护延迟到下一个预定的管线关闭期 4 注脂之前 需要对阀座密封部位进行冲洗 且在此过程中阀门须开关15度左右三至四次 以此彻底清洁球体与阀座的接触面 5 注脂后 要测试密封效果 6 注脂的条件 当阀座与球体的接触表面由于磨损 老化和异物损害时 注入合适的密封脂可以暂时阻止或极大的减少泄露 阀座部位注脂结构 阀杆部位注脂结构 7 火灾安全与防静电球阀要具火灾安全功能 则其结构必须为防火型 而其防火结构的设计应主要考虑 阀座的防火结构设计 阀杆防火结构 阀体与左右体结合面的防火结构设计 其中 阀座防火结构的设计是关键 阀座的防火性能良好 在火灾事故状态下 可减轻阀杆防火结构 阀体与左右体之间防火结构设计的难度 1 阀门的防火结构设计对于球阀 阀门的防火结构设计包含三个方面 即阀座防火结构设计 阀杆防火结构设计和阀体防火结构设计 不具有防火结构设计的阀座 在火灾情况下 有三条泄漏途径 无防火结构设计阀座的三条泄漏途径 针对不同结构的球阀 其防火结构设计略有不同 a 分体式球阀 b 全焊式球阀 2 防静电设计由于球体及阀杆与非金属材料接触和摩擦 产生静电 因此 在阀杆上 下位置设置导静电弹簧 将静电导通至阀体 并通过标准的检测 标准规定球体与阀体及阀杆与阀体之间在12VDC下 电阻值 10欧姆 8 自动腔压泄放 1 具自泄式阀座结构的阀门 阀腔无介质截留 2 具DIB 1双隔离和排放功能的阀门 由于阀腔截留介质 当用于液体或冷凝工况时 阀门应另加装泄压阀 9 放空和排污用于排除阀腔内的污物以及对阀门进行在线密封检测 通过放空装置可向阀腔注入清洗剂 软化阀腔结垢 并排出腔外 10 驱动链对于驱动链的各部件 其设计承载扭矩至少应为阀门开启扭矩的二倍 通常取三至五倍 驱动链应设计过力矩保护 且驱动链的最薄弱处应为阀门与驱动装置的连接处 11 阀杆的防喷设计阀门必须为防阀杆喷出结构设计 阀门在带压情况下可以更换最上部密封 栓接阀颈 焊接阀颈 12 埋地设计直埋式阀门应为全焊接管线球阀 盖帽栓接分体式球阀由于安全 可靠性差应不予接受 阀门阀杆按用户要求加长引至地面 阀杆外保护罩的强度和刚性除满足驱动链的设计要求外 还应考虑地面承载因素 阀体上所有的排污 放空 注脂 引压 取气管均应引至地面 与阀体连接根部为焊接 且应加装根部阀以备急需 加长驱动链接的传动偏差不应影响阀门的全开 全关位置 表面的防护应与管道一致 带加长阀杆的全焊球阀 五 球阀的密封原理渗漏的因素 1 密封副间存在着间隙 2 密封副两侧存在着压力差 或浓度差 前者是影响密封性能的最主要因素 密封的基本原理是通过不同途径阻止物质渗漏 渗漏量密封副周边单位长度上的渗漏量与毛细孔直径d的四次方 流体的密度 密封副两侧间的压差的乘积成正比 与密封面宽度成反比 密封原理当压差达到一定程度 即在密封副表面造成一定的压紧比压时 此比压将引起阀座弹塑性变形 填塞密封面上的微观不平度以阻止流体从密封副间通过 密封型式阀前密封时 压差 P P1 0阀后密封时 压差 P1 P2 0 六 密封试验标准1标准国际标准ISO5280 工业用阀门压力试验 我国国家标准GB T13927 通用阀门压力试验 英国标准BS5417 一般工业阀门的试验 法国标准NFE29 311 工业用阀门 般工业阀门的试验 德国标准DIN32302 第三篇 阀门供货技术条件 试验的汇总 日本标准JISB2003 阀门的检验通则 苏联标准TOCT9544 闭路阀的密封性能指标 美国石油学会标准API598 阀门的检验与试验 2泄漏量要求我国国家标准的规定在试验持续时间内 每个密封副最大的允许渗漏率 对于金属弹性材料的密封副来说 应无可见的渗漏美国阀门与管件制造商标准化协会MSS SP72 一般用法兰和对焊接的球阀 中规定 软密封面的球阀不得有明显可见的渗漏 金属对金属密封面的球阀 密封面上的渗漏量按公称通径计算 最大值为1 1cm3 h cm 空气 或为3 9cm3 h cm 水 3其他泄漏量要求美国API607 软密封面球阀的耐火试验 该标准规定 在阀门耐火试验期间 通过阀门密封面处的最大渗漏量 不包括阀盖和阀杆处的渗漏量 应是0 39cm3 min cm 七 球阀的特点 球阀在管路中主要用来做切断 分配和改变介质的流动方向 它具有以下优点1 结构简单 体积小 重量轻 维修方便 2 流体阻力小 紧密可靠 密封性能好 3 操作方便 开闭迅速 便于远距离的控制 4 球体和阀座的密封面与介质隔离 不易引起阀门密封面的侵蚀 5 适用范围广 通径从小到几毫米 大到几米 从高真空至高压力都可应用 蝶阀 一 概述蝶阀是由阀体 圆盘 阀杆 和手柄组成 它是采用圆盘式启闭件 圆盘式阀瓣固定于阀杆上 阀杆转动90 即可完成启闭作用 同时在阀瓣开启角度为20 75 时 流量与开启角度成线性关系 有节流的特性 应用市政工程的给 排水系统 火力发电厂 核电站各种供水系统 热力管网及污水处理系统 水电站大型水轮机的进水阀 电力 化工 石油 冶金 船舶 造纸 城市燃气 上下水道 食品工业以至原子能和国防工程中 都相继采用蝶阀 而且有向高中压发展的趋势 适用蝶阀能 煤气及各种气体 蒸汽 干燥粉末 泥浆 果浆及带输送和控制的介质有水 凝结水 污水 海水 各种液体 空气悬浮物的混合物 发展压力等级已有600PSI至1500PSI的蝶阀 在70 80年代 我国也曾制造过PN40的蝶阀 目前我国已能制造PN100乃至更高压力的蝶阀 另外我们所知世界上最大的蝶阀为32英尺 9 75米 二 蝶阀的分类和传动 1 密封机理靠过盈量产生比压压紧 靠直接压力或力矩将密封副压紧如双偏心 三偏心蝶阀 密封环内充气充液 靠泊松效应利用介质压在密封圈上 上下游压差愈大则愈易密封 有时还利用所谓 肘节效应 的弹性体 该弹性体中间断面薄于外径或内径 当压力作用时 结构允许阀座外径挠曲而使接触表面密封 2 分类按用途分类 密封和流量调节 按蝶板上转轴位置分 中间轴 单偏置蝶阀 双偏置蝶阀 三偏置蝶阀 斜轴式蝶阀 连杆机构蝶阀 按安装位置分 水平和垂直按密封材料分 橡胶密封蝶阀 四氟密封蝶阀 金属密封蝶阀 3 传动涡轮蜗杆传动 蝶阀 中心对称板式 润滑式 气动 电动 斜板式 偏置板式 法兰连接 对夹连接 手动 蜗轮传动 液动 三 蝶阀的各种型式及优缺点1 密封蝶阀 1 密封蝶阀 1 中线蝶阀结构 一般作成衬胶的形式特点 结构简单 中心对称 I型 双向密封效果一样 并且流阻较小开关力矩也小 因此在中 小型蝶阀上广泛应用 缺点 但轴头由于经常处于摩擦状态 比其它部位摩损快 容易在此处泄漏 因此衬胶蝶阀中有时在轴头衬有四氟薄膜以减少摩擦或增加弹簧以补偿摩损等 显然 中线型如做成金属对金属 要密封有些困难 2 单偏心蝶阀结构 阀轴偏离了蝶板中心平面产生了一次偏心h 从而蝶板靠阀轴的上下端不再成为回转轴心 消除了上下轴端的摩擦摩损产生泄漏 特点 密封效果更好 不过两个方向密封效果不一致 一般正向 从阀轴流向密封面 易于密封 反向则由于没有密封面的支承作用 易于泄漏 但采用橡胶软密封 利用其弹性 可以很好地实现双向密封 缺点 由于其密封接触机理属于 球在圆锥里 BALLINCONE 因此蝶板在各开度下总有两点不能脱离接触 当作为调节用时 此两点将比其它部位磨损更多一些 对密封将产生不利影响 如果作为金属硬密封 两个正锥配合 在转动蝶板时 密封面将产生干涉 开关有困难 3 双偏心蝶阀结构 为了改善单偏心的情况 将阀轴偏移一个距离e 使轴心与密封点的连线和密封面成钝角 大于90度 这样 密封时便不产生干涉 而且越关越紧 产生更大的密封面压紧力 特点 当阀门开启时蝶板密封面能迅速与阀座脱离接触刮擦作用大幅度降低 同时可以做成金属密封阀 缺点 双偏心蝶阀可以设计成橡胶 四氟 和金属硬密封的型式 例如C型O型U型属密封环等形式 如果要作成锥面对锥面金属硬密封而不致于产生干涉 有时二次偏心要做得很大 造成需要很大的偏心力矩 以致开阀力矩过大 如何减少偏心距 为此又推出三偏心蝶阀 4 三偏心蝶阀结构 人们将正锥角旋转一个角度 改为斜锥角 这样偏心e可以减小 开启力矩也随之减小 设计难点 轴心应设置应该采用三维作运动分析 判断密封副是否会产生干涉 结构形式 多层次式 U形或O形圈 橡胶 四氟等非金蜀材料采用非金属弹性密封材料 是否三偏心 5 三偏心蝶阀蝶板能取出的蝶阀 这种蝶阀密封圈分前后两套 当常用的一套损坏时可以在不卸下整个阀门的情况下更换损坏的密封圈 四通蝶阀 四个通道 可以用来改变介质的流向 常用于电厂凝汽器冷却水的反冲洗中 双阀瓣蝶阀蝶阀蝶板上有双道