作者：张展
出版社：机械工业出版社
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阀门的设计与应用试读：
前言
阀门是用于管路的开通、关闭、流量控制、安全防护的一种装置,应用非常广泛,在人们日常生活和工业生产装置中随处可见。随着工业生产装置大型化的发展,阀门规格越来越大。对于阀门的设计、制造、应用也提出了更高的要求。
为了帮助读者正确选用、设计、制造阀门以满足工业生产的要求,我们编写了本书。在编写过程中,我们引进了过去在钢厂、电厂测绘过的国外各种类型的产品,这些产品国产化的研制工作对国内产品的设计与研发有很大的参考价值,设计人员可参照进行设计与创新。
本书内容主要包括概论、阀门的基本参数、阀门的设计与计算、阀门的结构设计、阀门的驱动装置、阀门的测绘设计要点、阀门的零部件以及阀门的技术术语。本书内容新颖,图文并茂,编写时注重先进性和科学性,简明实用。
本书由张展主编,曾建峰、张弘松、邢淮阳、杨富松参与编写,上海电力环保设备总厂有限公司的金华英、刘旭参与了部分资料的整理工作。此外,在本书编写过程中,还得到上海交通大学张国瑞教授、同济大学归正教授的支持。在此一并表示感谢!
我们才疏学浅,旨在抛砖引玉,书中若有不妥之处,敬请广大专家、学者及读者批评指正。
编者
第1章 概论
阀门是用于管路的开通、关闭、流量控制和安全防护的一种装置。人们的日常生活离不开阀门,在工业生产装置中阀门更是随处可见,特别是石油、化工、电力及冶金等过程工业的生产装置。由于生产条件的多样性,阀门的种类名目繁多。
1.1 阀门的功能
阀门主要用来控制管路流体的启闭、流向、流量、压力及温度,操作人员通过操作各种阀门,实现对生产过程的控制和调节。阀门的主要功能如下：
1)接通和截断介质。
2)调节介质的压力及流量。
3)防止介质倒流。
4)改变介质的流向,进行介质分流。
5)调节介质的温度,满足工艺要求。
6)防止介质压力超过规定数值,保证管道或设备安全运行。
1.2 阀门在工业中的作用
随着工业技术的不断发展,科学技术的日新月异,人们的衣、食、住、行都离不开能源,且对能源的依赖程度越来越高。在人们居住的城市,如果在一段时间内断电、停水、停气(煤气或天然气)及无油(汽油和柴油),人们的生活和工作将不可想象。
阀门虽是一个很小的设备,但凡是有流体流通的地方,都会利用阀门来控制流体的各种状态。下面是阀门在工业和日常生活应用的一些实例：
1)在人们的日常生活中,可以经常看到的阀门有：自来水龙头、浴室龙头、煤气龙头及饮水机龙头等。人们日常生活用到的食用油、饮料等,在其生产流水线中也需要大量的阀门。
2)在冶金系统中,高炉风系统、除尘系统及气体管网系统等,都会用到大量的阀门。
3)在电力系统,无论是火力发电、余热发电系统或是核能发电,其蒸汽系统、冷却系统及烟尘系统等,都离不开阀门。
4)在石油天然气系统中,石油的开采、输送及提炼等工业过程,阀门的应用更是不可缺少。
5)在煤气系统中,人工煤气的生产、输送和进一步深加工过程等方面,都少不了各种阀门的应用。
6)在空气分离系统中,如制氮、制氧及制氢等空气分离过程,也有大量低温阀门的应用。
7)在造纸系统、化工系统和制药系统等中,阀门的应用更是相当普遍。
因此,在工业生产中离不开阀门,在人们的日常生活中也离不开阀门,阀门的应用与人们的生活和生产息息相关。随着工业技术的不断进步,生产工艺越来越复杂,生产中的介质条件越来越苛刻,于是对阀门的要求也越高、越来越多样化。随着市场对新阀门的需求,世界各国的阀门生产商都投入大量的人力、物力进行开发和研究,以满足科学技术日益发展的需要。
阀门的基本要求是外漏和内漏应在标准允许的范围。阀门的外漏会造成环境污染,同时也浪费能源；阀门的内漏会造成管道介质控制不严,该关断时不能及时关断,有些会污染管道介质,甚至会产生化学反应,导致爆炸。
阀门的应用领域相当广泛,对阀门的密封要求也越来越高,正确选用和使用阀门是非常重要的。各种阀门有其自身的特点,且有不同的标准要求。根据生产工艺的需要,结合介质的温度、压力、毒性、腐蚀性及火灾危险性等条件,正确、合理地选用阀门,在满足生产操作需要的同时,又要保证安全可靠性,这也是有关人员追求的最高目标。
1.3 阀门的分类
阀门的种类繁多,分类方法也很多,常用的分类方法如下：1.按用途分类
(1)截断阀类 用来切断或接通介质,此功能最常用。如闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀及蝶阀等。
(2)止回阀类 用来防止介质倒流。如止回阀、底阀等。
(3)分流阀类 用来控制介质流向改变,起分配、分流及合流等作用。如三通旋塞阀、四通球阀及分配阀等。
(4)调节阀类 用来调节介质的流量和压力等。如调节阀、减压阀及节流阀等。
(5)安全阀类 用来介质压力或液位超过一定值后的泄压和排放,防止容器或管道超压,起安全保护作用。如安全阀、溢流阀等。
(6)分离介质阀类 用于将蒸汽和水或水和空气分离开来。如蒸汽疏水阀、空气疏水阀等。
(7)多用阀 用于替代两个、三个或更多个类型阀门。如截止止回阀、止回球阀等。2.按公称压力分类
(1)真空阀 用于公称压力低于标准大气压的阀门(绝对压力低于0.1MPa)。
(2)低压阀门 用于公称压力不高于PN16的阀门。
(3)中压阀门 用于公称压力高于PN16,但不高于PN100的阀门。
(4)高压阀门 用于公称压力高于PN100,但不高于PN1000的阀门。
(5)超高压阀门 用于公称压力高于PN1000的阀门。3.按公称尺寸分类
(1)小口径阀门 用于公称尺寸不大于DN40的阀门。
(2)中口径阀门 用于公称尺寸大于DN40,但不大于DN300的阀门。
(3)大口径阀门 用于公称尺寸大于DN300,但不大于DN1200的阀门。
(4)特大口径阀门 用于公称尺寸大于DN1200的阀门。4.按介质温度分类
(1)深冷阀门 用于介质温度T低于-100℃的阀门。
(2)低温阀门 用于介质温度T不低于-100℃,但低于-29℃的阀门。
(3)常温阀门 用于介质温度T不低于-29℃,但不高于120℃的阀门。
(4)中温阀门 用于介质温度T高于120℃,但不高于425℃的阀门。
(5)高温阀门 用于介质温度T高于425℃的阀门。5.按驱动阀门的方式分类
(1)自动阀门 依靠介质的能量而自行动作的阀门。如止回阀、疏水阀等。
(2)手动阀门 借用手轮、手柄或扳手等用人力操作的阀门。当需要传递较大力矩时,可借助齿轮或蜗轮等装置。
(3)气动阀门 借助压缩空气来操作的阀门。
(4)液动阀门 借助液体(水、油等)来操作的阀门。
(5)电动阀门 借助电动机、电磁或其他电气装置来操作的阀门。
(6)联动驱动阀门 借助电-气或电-液联合驱动操作的阀门。6.通用分类法
按阀门的作用原理、结构划分是现在国内外常用的分类方法,一般将阀门分为闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、止回阀、调节阀、安全阀、减压阀、疏水阀等。
1.4 阀门型号的编制方法（摘自JB/T308-2004）
JB/T308-2004《阀门型号编制方法》适用于通用中闸阀、截止阀、节流阀、蝶阀、球阀、隔膜阀、旋塞阀、止回阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀、排污阀及柱塞阀的型号编制。1.阀门的型号编制方法
1)阀门的型号由阀门类型、驱动方式、连接形式、结构形式、密封面材料或衬里材料类型、公称压力代号或T作温度下的下作压力及阀体材料七部分组成。
2)编制的顺序如下：阀门类型、驱动方式、连接形式、结构形式、密封面材料或衬里材料类型、公称压力代号或工作温度下的工作压力代号、阀体材料。2.阀门类型代号
1)阀门类型代号用汉语拼音字母表示，具体规定见表1-1。表1-1 阀门类型代号
2)当阀门还具有其他功能作用或带有其他特异结构时,在阀门类型代号前再加注一个汉语拼音字母,具体规定见表1-2。表1-2 具有其他功能作用或带有其他特异结构的阀门表示代号①低温型指允许使用温度低于-46℃的阀门。3.驱动方式代号
1)驱动方式代号用阿拉伯数字表示,具体规定见表1-3。表1-3 阀门驱动方式代号注：代号1、代号2及代号8是用在阀门启闭时,需有两种动力源同时对阀门进行操作。
2)安全阀、减压阀、疏水阀及手轮直接连接阀杆操作结构形式的阀门,本代号省略,不表示。
3)对于气动或液动机构操作的阀门：常开式用6K、7K表示,常闭式用6B、7B表示。
4)防爆电动装置的阀门用9B表示。4.连接形式代号
1)连接形式代号用阿拉伯数字表示,具体规定见表1-4。表1-4 阀门连接端连接形式代号
2)各种连接形式的具体结构、采用标准或方式（如法兰面形式及密封方式、焊接形式、螺纹形式及标准等），不在连接代号后加符号表示，应在产品的图样、说明书或订货合同等文件中予以详细说明。5.阀门结构形式代号
阀门结构形式用阿拉伯数字表示，具体规定见表1-5—表1-15。表1-5 闸阀结构形式代号表1-6 截止阀、节流阀和柱塞阀结构形式代号表1-7 球阀结构形式代号表1-8 蝶阀结构形式代号表1-9 隔膜阀结构形式代号表1-10 旋塞阀结构形式代号表1-11 止回阀结构形式代号表1-12 安全阀结构形式代号表1-13 减压阀结构形式代号表1-14 蒸汽疏水阀结构形式代号表1-15 排污阀结构形式代号6.密封面或衬里材料代号
1)除隔膜阀外,当密封副的密封面材料不同时,以硬度低的材料表示。密封面或衬里材料代号的具体规定见表1-16。表1-16 密封面或衬里材料代号
2)隔膜阀以阀体表面材料代号表示。
3)当阀门密封副材料均为阀门的本体材料时,密封面材料代号用“W”表示。7.压力代号
1)当阀门使用的压力级符合GB／T 1048—2005《管道元件PN(公称压力)的定义和选用》的规定时,采用该标准10倍的兆帕单位(MPa)数值表示。
2)当介质最高温度超过425℃时,标注最高工作温度下的工作压力代号。
3)压力等级采用磅级(lb)或K级单位的阀门,在型号编制时,应在压力代号栏后有lb或K的单位符号。
4)公称压力小于等于1.6MPa的灰铸铁阀门的阀体材料代号在型号编制时予以省略。
5)公称压力大于等于2.5MPa的碳素钢阀门的阀体材料代号在型号编制时予以省略。8.阀体材料代号
阀体材料代号的具体规定见表1-17。表1-17 阀体材料代号注：CF3、CF8、CF3M、CF8M等材料牌号可直接标注在阀体上。9.命名
对于连接形式为“法兰”、结构形式为闸阀的“明杆”、“弹性”、“刚性”和“单闸板”,截止阀和节流阀的“直通式”,球阀的“浮动球”、“固定球”和“直通式”,蝶阀的“垂直板式”,隔膜阀的“屋脊式”,旋塞阀的“填料”的“直通式”,止回阀的“直通式”和“单瓣式”,安全阀的“不封闭式”和“阀座密封面材料”在命名中均予省略。10.型号和名称编制方法示例
1)电动、法兰连接、明杆楔式双闸板、阀座密封面材料由阀体直接加工、公称压力为PN0.1MPa、阀体材料为灰铸铁的闸阀：Z942W-1电动楔式双闸板闸阀。
2)手动、外螺纹连接、浮动直通式、阀座密封面材料为氟塑料、公称压力为PN4.0MPa、阀体材料为不锈钢的球阀：Q21F-40P外螺纹球阀。
3)气动常开式、法兰连接、屋脊式结构并衬胶、公称压力为PN0.6MPa、阀体材料为灰铸铁的隔膜阀：G641J-6气动常开式衬胶K隔膜阀。
4)液动、法兰连接、垂直板式、阀座密封面材料为铸铜、阀瓣密封面材料为橡胶、公称压力为PN0.25MPa、阀体材料为灰铸铁的蝶阀：D741X-2.5液动蝶阀。
5)电动驱动对接焊连接、直通式、阀座密封面材料为堆焊硬质合金、工作温度540℃时的工作压力为17.0MPa、阀体材料为铬钼钒钢的截止阀：J961Y-P 170V电动焊接截止阀。54
第2章 阀门的基本参数
2.1 公称直径
1.公称直径DN公称直径DN用于管道元件的尺寸标识,由字母DN和无量纲的整数数字组成,数字后不带量纲,数值相当于mm,如DN100表示阀门的流道通径约为100mm。公称直径也称公称尺寸和公称通径。
阀门的流道通径(内径)与公称直径DN的数值并不完全相同。阀门的流道通径与阀门的公称压力PN及阀门的结构(如全径、缩径)有关,详见有关样本；阀门的公称直径DN仅是阀门的名义尺寸(直径),但又是阀门的基本参数。2.阀门常用的公称直径DN系列
阀门常用的公称直径DN系列,见表2-1。表2-1 阀门常用的公称直径DN系列
ASME／API的CLASS系列中DN600以上阀门的公称直径,习惯采用150进级,如750、900、1050等,以此类推,因此与表2-3所列数值不同,用户应予注意。
表2-1所列的DN系列尺寸是常用系列,如果用户有需要可以插入或增加,如可以有DN3、DN90、DN1350或DN2500等。3.公称直径DN和NPS
我国采用的公称直径DN与ISO采用的SI制尺寸标识是相同的,但工业发达国家在管道系统中还经常采用英寸制来标识公称直径,如NPS3。NPS的含义即为英寸制的公称直径,NPS后跟无量纲数字,数值相当于in(英寸)。如NPS3,其流道通径约为3in,即76mm,圆整后相当于DN80。
DN与NPS的对应关系见表2-2。表2-2 DN与NPS对应关系注：公称直径大于或等于NPS4时,DN=25xNPS数值。
2.2 公称压力
1.公称压力PN公称压力PN用于管道元件的压力等级标识,由字母PN和后跟无量纲的数字组成,是管道元件压力额定值的代号。PN后跟的数字,相当于管道元件在常温下可承受的最大工作压力,数值相当于5bar(1bar=10Pa)。由于管道元件材料的力学性能差异很大,因此PN后跟的数字是以特定的材料力学性能为基准确定的管道元件压力的额定值,所以,公称压力是名义压力,但又是阀门的基本参数。2.公称压力PN系列
PN2.5 PN25 PN160
PN6 PN40 PN250
PN10 PN63 PN320
PN16 PN100 PN4003.压力等级CLASS和公称压力PN
(1)我国采用的公称压力PN与ISO采用公称压力标识方式是相同的,但美国等工业发达国家在管道系统中还经常采用CLASS(即压力等级)来标识管道元件的承压能力,如CLASS150、CLASS300等。CLASS后跟一个无量纲数字是美洲体系管道元件压力等级的标志。
压力等级CLASS系列如下：
(CLASS125) (CLASS800)
CLASS150 CLASS900
(CLASS250) CLASS1500
CLASS300 CLASS2500
(CLASS400) (CLASS4500)
CLASS600
上述CLASS系列中,CLASS125和CLASS250仅用于灰铸铁法兰和阀门, CLASS400为非常用压力等级,CLASS800仅用于小口径阀门,CLASS4500仅用于对焊高压阀门。
(2)必须注意的是：CLASS后跟的数字相当于某一特定材料的管2道元件在高温下(850°F)可承受的最大工作压力,数值相当于lb／in,因此,由于基准不同,PN和CLASS的对应关系不能通过简单的计量单位换算而得。
由于在两个系列的标准体系中,法兰连接尺寸等截然不同,因此工程上将公称压力PN和压力等级CLASS进行换算、比较或交叉使用是没有必要或者是不明智的。
前些年,ISO曾试图将管道元件(如管法兰和阀门)中的CLASS系列公制化,统一以PN命名,但推行十余年后,国际上响应甚少。为此近年来,ISO又恢复了PN与CLASS两个系列并存的做法。我国也曾受ISO影响,将管法兰和阀门中的CLASS系列公制化,统一以PN命名,见表2-3。目前正在逐步恢复CLASS系列的标识,但仍有相当一部分的GB及JB标准未及修订,用户使用时应予特别注意。表2-3 ISO曾推行的CLASS系列的PN对应值(钢制管法兰和阀门)注：CLASS600曾被ISO对应为PN100,后为避免与原PN系列中的PN100混淆,故又改称PN110。
2.3 压力-温度额定值
所谓公称压力或压力等级都是以管道元件(如管法兰和阀门)在某一特定的力学性能(基准值)下压力的额定值来命名的。1.压力-温度额定值
不同的材料在不同的温度下,其力学性能与上述基准值不同时,管道元件(如管法兰和阀门)的压力额定值将随之变动,这就是ASMEB16.34等阀门基础标准规定的压力-温度额定值。阀门及法兰的压力-温度额定值是：
1)指定温度。
2)指定材料(组别)。
3)指定公称压力或压力等级。
4)阀门／法兰的最大允许工作压力。
(1)公称压力PN系列钢制阀门的压力-温度额定值,公称压力PN系列是以钢材常温屈服强度210MPa为基准值命名的。因此,不同的材料在不同的温度下,阀门的压力-温度额定值都将据此确定。
(2)压力等级CLASS系列钢制阀门的压力-温度额定值,压力等级CLASS系列是以454℃碳钢WCB、WCC的压力额定值为基准值命名的。因此,不同的材料在不同的温度下，阀门的压力—温度额定值都将据此确定。
(3)PN系列和CLASS系列阀门的材料分组及压力—温度额定值与相应管法兰的材料分组及压力—温度额定值完全相同。
(4)使用阀门压力—温度额定值时应注意以下几点：
1)钢制阀门压力—温度额定值（标准级）适用于法兰连接端、焊接(BW、SW)连接端和螺纹连接端的钢制阀门。
2)铸铁、铜合金及铝合金阀门压力—温度额定值适用于法兰连接端和螺纹连接端的铸铁、铜合金及铝合金阀门。
3)钢制阀门（如锻钢小口径阀）经常采用CLASS800压力级，但管法兰压力—温度额定值中没有此压力级。对于API602标准，在CLAS S600与CLA S5900之间，采用内插法得出了CLASS800的压力—温度额定值，详见有关标准和样本。2.阀门的工作压力、工作温度和试验压力
(1)阀门的工作压力是指阀门在相应工作温度下的工作压力，该值应不大于相应材料在相应T作温度下的压力—温度额定值。用户应据此来确定阀门的公称压力或压力等级。
阀门的T作温度一般是指阀门壳体内的介质温度。
(2)阀门的试验压力是指阀门进行壳体试验（强度试验）和密封试验（包括密封试验和上密封试验）时的压力。阀门的试验压力可按相关标准或按订货合同确定。阀门的强度试验压力一般为其常温压力额定值的1.5倍。用户应注意：阀门的强度试验压力应不低于管道系统的液压试验压力。
(3)当阀门采用非金属内件（如密封副、轴套、内衬、垫片及填料等）时，阀门的压力—温度额定值还应考虑非金属材料的允许工作压力和丁作温度，详见有关标准和样本。3.常用阀门的压力-温度额定值
(1)PN系列灰铸铁阀门的压力-温度额定值见表2-4。表2-4 PN系列灰铸铁阀门的压力-温度额定值（GB/T17241.7-1998）(续)
(2)PN系列球墨铸铁阀门的压力-温度额定值见表2-5,至于其他材料阀门的压力-温度额定值详见有关标准或样本。表2-5 PN系列球墨铸铁阀门的压力-温度额定值(GB／T17241.7—1998)
目前,英美国家采用的是英制单位磅级,由于公称压力和磅级的温度基准不同,因此两者没有严格的对应关系,两者间大致的对应关系参见表2-6。表2-6 磅级和公称压力的对照表(参考)
日本标准中还有一种“K”级制,例如10K,20K,40K等,这种压力级的概念和英制单位中的磅级制相同,但计量单位采用米制,“K”级与磅级之间的关系参见表2-7。表2-7 “K”级与磅级对照表
2.4 工业中常用的阀门
阀门是用于管路的开通、关闭、流量控制及安全防护的一种装置,人们日常生活中离不开阀门,阀门在工业生产过程中更是随处可见。不同类型的阀门有不同的功能,即使同一类型阀门当其结构不同时,其性能也有差异。下面就工业上常用的阀门(如闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀及止回阀等)作一介绍。1.闸阀
闸阀是闸板沿阀体流道中心线的垂直方向移动并达到启闭目的的阀门,主要作切断用,使用广泛。闸阀的结构如图2-1所示。图2-1 闸阀的结构1—阀体 2—闸板 3—阀杆 4—垫片 5—阀盖 6—上密封座 7—螺塞 8—带孔填料垫 9—填料 10—活节螺栓 11—阀杆螺母 12—轴承 13—轴承压盖 14—锁紧螺母 15—手轮 16—油杯 17—支架 18—填料压盖 19—螺栓 20、22—螺母 21—螺柱
(1)闸阀按结构形式分类 闸阀按结构形式可分成以下类型：
(2)闸阀的性能 闸阀在管道上作全开或全关切断用,一般不作调节流量用(如用来调节流量,闸板和阀座密封面易冲蚀损坏而且噪声大)。其壳体采用不同的材料,可适用于不同温度、不同压力及不同性质的介质,适用范围广,但闸阀一般不宜用于输送泥浆等黏稠类的介质。
1)闸阀的工艺特点。闸阀的工艺特点见表2-8。表2-8 闸阀的工艺特点
2)闸阀的结构形式
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