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簡析各種閥門種類和工作原理
[ 2013-05-31 ]
閥門概述及分類
閥門是流體輸送系統中的控制部件，具有截斷、調節、導流、防止逆流、穩壓、分流或溢流泄壓等功能。
閥門的種類很多，且有多種分類方法：
一、按用途和作用分類
1、截斷閥類： 主要用于截斷或接通介質流。包括閘閥、截止閥、隔膜閥、旋塞閥、球閥、蝶閥等。
2、調節閥類： 主要用于調節介質的流量、壓力等。包括調節閥、節流閥、減壓閥等。
3、止回閥類： 用于阻止介質倒流。包括各種結構的止回閥。
4、分流閥類： 用于分配、分離或混合介質。包括各種結構的分配閥和疏水閥等。
5、安全閥類： 用于超壓安全保護。包括各種類型的安全閥。
二、按主要參數分類
1、按壓力分類
(1) 真空閥 工作壓力低于標準大氣壓的閥門。
(2) 低壓閥 公稱壓力PN<1.6MPa的閥門。
(3) 中壓閥 公稱壓力PN<2.5~6.4Mpa的閥門。
(4) 高壓閥 公稱壓力PN10.0~80.0Mpa的閥門。
(5) 超高壓閥 公稱壓力PN≥100Mpa的閥門。
2、按介質工作溫度分類
(1) 高溫閥 t>450℃的閥門。
(2) 中溫閥 120℃≤t<450℃的閥門。
(3) 常溫閥 -40℃≤t<120℃的閥門。
(4) 低溫閥 -100℃≤t<-40℃的閥門。
(5) 超低溫閥 t<-100℃的閥門。
3、按閥體材料分類
(1) 非金屬材料閥門 如陶瓷閥門、玻璃鋼閥門、塑料閥門。
(2) 金屬材料閥門 如銅合金閥門、鋁合金閥門、鉛合金閥門、鈦合金閥門鐵閥門、碳鋼閥門、低合金鋼閥門、高合金鋼閥門。
(3) 金屬閥體襯里閥門 如襯鉛閥門、襯塑料閥門、襯搪瓷閥門。
三、通用分類法
這種分類方法既按原理、作用又按結構劃分，是目前國內、國際最常用的分類方法。一般分為：閘閥、截止閥、旋塞閥、球閥、蝶閥、隔膜閥、止回閥、節流閥、安全閥、減壓閥、疏水閥、調節閥。
2 典型閥門
2.1 閘閥
閘閥是作為截止介質使用，在全開時整個流通直通，此時介質運行的壓力損失最小。閘閥通常適用于不需要經常啟閉，而且保持閘板全開或全閉的工況。不適用于作為調節或節流使用。對于高速流動的介質，閘板在局部開啟狀況下可以引起閘門的振動，而振動又可能損傷閘板和閥座的密封面，而節流會使閘板遭受介質的沖蝕。
從結構形式上，主要的區別是所采用的密封元件的形式。根據密封元件的形式，常常把閘閥分成幾種不同的類型，如：楔式閘閥、平行式閘閥、平行雙閘板閘閥、楔式雙閘板閘等。最常用的形式是楔式閘閥和平行式閘閥。
從結構形式上，主要的區別是所采用的密封元件的形式。根據密封元件的形式，常常把閘閥分成幾種不同的類型，如：楔式閘閥、平行式閘閥、平行雙閘板閘閥、楔式雙閘板閘等。最常用的形式是楔式閘閥和平行式閘閥。
2.2 截止閥
截止閥是用于截斷介質流動的，截止閥的閥桿軸線與閥座密封面垂直，通過帶動閥芯的上下升降進行開斷。截止閥一旦處于開啟狀態，它的閥座和閥瓣密封面之間就不再有接觸，并具有非?？煽康那袛鄤幼鳎蚨拿芊饷鏅C械磨損較小，由于大部分截止閥的閥座和閥瓣比較容易修理或更換密封元件時無需把整個閥門從管線上拆下來，這對于閥門和管線焊接成一體的場合是很適用的。
介質通過此類閥門時的流動方向發生了變化，因此截止閥的流動阻力較高。引入截止閥的流體從閥芯下部引入稱為正裝，從閥芯上部引入稱為反裝，正裝時閥門開啟省力，關閉費力，反裝時，閥門關閉嚴密，開啟費力，截止閥一般正裝。
2.3 止回閥
止回閥的作用是只允許介質向一個方向流動，而且阻止方向流動。通常這種閥門是自動工作的，在一個方向流動的流體壓力作用下，閥瓣打開；流體反方向流動時，由流體壓力和閥瓣的自重合閥瓣作用于閥座，從而切斷流動。包括旋啟式止回閥和升降式止回閥。
2.4 蝶閥
蝶閥的蝶板安裝于管道的直徑方向。在蝶閥閥體圓柱形通道內，圓盤形蝶板繞著軸線旋轉，旋轉角度為0°~90°之間，旋轉到90°時，閥門則是全開狀態。蝶閥結構簡單、體積小、重量輕，只由少數幾個零件組成。而且只需旋轉90°即可快速啟閉，操作簡單。蝶閥處于完全開啟位置時，蝶板厚度是介質流經閥體時唯一的阻力，因此通過該閥門所產生的阻力很小，故具有較好的流量控制特性，可以作調節用。
n蝶閥有彈性密封和金屬的密封兩種密封型式。彈性密封閥門，密封圈可以鑲嵌在閥體上或附在蝶板周邊。采用金屬密封的閥門一般比彈性密封的閥門壽命長，但很難做到完全密封，金屬密封能適應較高的工作溫度，彈性密封則具有受溫度限制的缺點。
2.5 球閥
n球閥是由旋塞閥演變而來。它具有相同的旋轉90度的動作，不同的是旋塞體是球體，有圓形通孔或通道通過其軸線。當球旋轉90度時，在進、出口處應全部呈現球面，從而截斷流動。
n球閥只需要用旋轉90度的操作和很小的轉動力矩就能關閉嚴密。完全平等的閥體內腔為介質提供了阻力很小、直通的流道。球閥最適宜直接做開閉使用，但也能作節流和控制流量之用。球閥的主要特點是本身結構緊湊，易于操作和維修，適用于水、溶劑、酸和天然氣等一般工作介質，而且還適用于工作條件惡劣的介質，如氧氣、過氧化氫、甲烷、乙烯、樹脂等。球閥閥體可以是整體的，也可以是組合式的。
2.6 隔膜閥
n隔膜閥是用一個彈性的膜片連接在壓縮件上，壓縮件由閥桿操作上下移動，當壓縮件上升，膜片就高舉，形成通路，當壓縮件下降，膜片就壓在閥體上，閥門關閉。此閥適用于開斷、節流。 隔膜閥特別適用于運送有腐蝕性、有粘性的流體，而且此閥的操作機構不暴露在運送流體中，故不會被污染，也不需要填料，閥桿填料部分也不會泄漏。
2.7 安全閥
n安全閥的作用原理是基于力平衡，一旦閥瓣所受壓力大于彈簧設定壓力時，閥瓣就會被此壓力推開，其壓力容器內的氣（液）體會被排出，以降低該壓力容器內的壓力。
2.8 調節閥
n調節閥主要工作原理，是靠改變閥門閥瓣與閥座間的流通面積，達到調節壓力、流量等參數的目的。
n本節主要介紹調節閥的閥體和閥芯的主要結構，調節閥的流量特性以及有關閥芯氣蝕噪音問題的解決方法。
2.8.1 閥體結構
直通單座閥(GLOBE)
n閥體內只有一個閥座和密封面，結構簡單,密封效果好,是使用較多的一種閥體類型。
直通雙座閥(GLOBE)
n閥體內有兩個閥座和密封面，流通能力大,不平衡力小,但泄漏量大,切斷效果差,是使用較多的一種閥體類型
套筒閥(CAGE)
n閥體內部閥芯由套筒導向
n套筒上開有窗口用于決定流量與流量特性
n閥芯上可開有平衡孔,減小不平衡力
n套筒閥可調比大,振動小,不平衡力小,互換性好,
n可適用于大部分單雙座閥的應用場合
n不適用于有顆粒及較臟污介質
n是使用最為廣泛的一種閥體類型
球閥、蝶閥、隔膜閥等都可以作為調節閥
3 執行器
3.1 電動和氣動執行機構簡介
3.1.1 氣動執行機構
n閥門氣動驅動裝置安全、可靠、成本低，使用維修方便，是閥門驅動機構中的一大分支。氣動裝置在具有防爆要求的場合應用較多。閥門氣動驅動裝置采用氣源的工作壓較低，結構尺寸不大，閥門氣動驅動裝置的總推力也不很大。
3.1.2 電動執行器
n電動執行機構一般由電機、減速箱、手操機構、機械位置指示機構等一些部件組成。與其他閥門驅動裝置相比，電動驅動裝置具有動力源廣泛，操作迅速、方便等特點，并且容易滿足各種控制要求。所以，在閥門驅動裝置中，電動裝置占主導地位。
3.2.2 氣動頭調試
n氣動執行機構的調試，主要是對定位器進行調試。首先將閥門放至全關位置，為保證閥門關閉嚴密，擰閥桿上連接螺母至擰不動為止，閥芯和閥座肯定接觸緊密了，此時調整閥桿行程刻度牌至零位，然后接通氣源，用減壓閥將氣源壓力調至所需壓力，然后用信號發生器給定位器輸入4mA電流，調整定位器上的零點調整手輪至閥門剛剛開始動作為止，接著再輸入20mA電流，根據行程刻度，調整零點調整手輪和量程調整裝置使閥桿行程為全開，然后重復輸入4mA和20mA的步驟，直至閥門滿足4mA全關和20mA全開的要求。為了保證閥門在4mA的時候關緊，在調試時可以輸入4.10~4.15mA電流作為全關的信號，這樣在實際工作狀態下4mA電流肯定能將閥門關緊。
n試驗止回閥時，壓力應從出口端引入，在入口端進行檢查。
4 閥門試驗
閥門在總裝完成后必須進行性能試驗，以檢查產品是否符合設計要求和是否達到國家所規定的質量標準。閥門的材料、毛坯、熱處理、機加工和裝配的缺陷一般都能在試驗過程中暴露出來。
常規試驗有殼體強度試驗、密封試驗、低壓密封試驗、動作試驗等，并且根據需要，依次序逐項試驗合格后進行下一項試驗。
4.1 閥門試驗方法
4.1.2 密封試驗
n除節流閥外，無論是切斷用閥還是調節用閥，均應具有一定的關閉密封性，故閥門出廠前需逐臺進行密封試驗，帶上密封的閥門還要進行上密封試驗。
4.1.1 強度試驗
n閥門可看成是受壓容器，故需滿足承受介質壓力而不滲漏的要求，故閥體、閥蓋等零件的毛坯不應存在影響強度的裂紋、疏松氣孔、夾渣等缺陷。閥門制造廠除對毛坯進行外表及內在質量的嚴格檢驗外，還應逐臺進行強度試驗，以保證閥門的使用性能。
n強度試驗一般是在總裝后進行。毛坯質量不穩定或補焊后必須熱處理的零件，為避免和減少因試驗不合格而造成的各種浪費，可在零件粗加工后進行中間強度試驗（常稱為毛泵）。經中間強度試驗的零件總裝后，如用戶未提出要求，閥門可不再進行強度試驗。蘇閥為了保證質量，在中間強度試驗后，閥門都全部最后再進行強度試驗。
n試驗通常在常溫下進行，為確保使用安全，試驗壓力P一般為公稱壓力PN的1.25~1.5倍。試驗時閥門處于開啟狀態，一端封閉，從另一端注入介質并施加壓力。檢查殼體（體、蓋）外露表面，要求在規定的試驗持續時間（一般不小于10分鐘）內無滲漏，才可認為該閥門強度試驗合格。為保證試驗的可靠性，強度試驗應在閥門涂漆前進行，以水為介質時應將內腔的空氣排凈。
n滲漏的閥門，如技術條件允許補焊的可按技術規范進行補焊，但補焊后必須重新進行強度試驗，并適當延長試驗持續時間。
4.1.2 密封試驗
n試驗通常是在常溫下以公稱壓力PN進行的，蘇閥一般是在1.1倍PN壓力下進行的。
n以水為試驗介質時，易使閥門產生銹蝕，通常要根據技術要求控制水質，并在試驗后將殘水吹干或烘干。
n閘閥和球閥由于有兩個密封副，故需進行雙向密封試驗。試驗時，先將閥門開啟，把通道一端封堵住，壓力從另一端引入，待壓力升高到規定值時將閥門關閉，然后將封堵端的壓力逐漸卸去，并進行檢查。另一端也重復上述試驗。閘閥的另一種試驗方法是在體腔內保持試驗壓力，從通道兩端同時檢查閥門的雙密封性。
n密封試驗時，閥門的關閉力矩應按公稱壓力與公稱通徑決定。手動閥門通常只允許用正常體力關閉，而不得借助于其他輔助器械，當手輪直徑≥320mm時允許用兩人關閉。有驅動裝置的閥門，應在使用驅動裝置的情況下試驗。如技術要求上規定有關閉力矩要求時，需用測力扳手測關閉力矩。
n密封試驗應在閥門總裝后的強度試驗后進行，因為不僅要檢驗閥門的關閉密封性，還應檢驗填料及中法蘭墊片的密封性。
n上密封試驗通常在強度試驗時一并進行。試驗時并閥桿升高到限位置，使閥桿與閥蓋密封面緊密接觸，將填料壓蓋松開后檢查其密封性。
n用于氣體介質的閥門或圖紙技術規范書要求作低壓氣密封試驗的閥門，必須按試驗標準規范進行，試驗介質為氮氣或干燥清潔的空氣。試驗壓力為0.6MPa。
4.1.3 性能試驗
n試驗介質同殼體強度試驗和密封試驗，在殼體強度試驗和密封試驗合格后進行。
n手動閥門動作性能試驗：閥門處于開啟狀態，閥腔內充壓到試驗壓力，用規定的力矩關閉閥門，在閥瓣的一側減壓，以在開啟閥門最不利和方向建立壓差，然后以規定的力矩開啟閥門，如此進行至少三次以上完整的帶載循環動作，以檢查閥門開和關的操作是否正常、動作是否靈活、開和關的位置指示是否正確等；
n止回閥動作性能試驗，在規定的壓差下作閥門開啟試驗，試驗次數不少于3次；
n電動和氣動閥門動作性能試驗，按閥門技術規格書的規定進行，閥門技術規格書無明確規定時，應以額定執行機構操作閥門完成三次完整的帶載循環動作，在整個試驗中，閥門必須運行平穩、靈活，閥門開、關必須到位，位置指示必須正確。
4.1.4 真空密封試驗
n真空密封試驗（或稱真空檢漏）是一種靈敏度很高的密封試驗方法。宇航及原子能工業用閥及密封性要求極高的閥門一般均進行真空密封試驗。
n真空試驗通常在閥門強度、密封試驗合格后進行。為保證試驗的準確性，被測閥門應具有很高的清潔度和加工精細的密封面。而且閥體、閥蓋一般均應采用鍛件。
n真空密封試驗通常的方法是氦質譜檢漏：將被測閥門用真空泵抽至規定的真空度后，在閥門被測部位外施加氦氣（有氦罩法或噴氦法）。如有漏隙，氦氣便進入閥門的被測部，系統中的氦質譜檢漏儀就可顯示出來，據此可計算漏率。
4.1.5 微泄漏試驗
n近年來隨著人們環保意識的加強，世界上的各種機構對閥門的密封提出了更為嚴格的要求，特別是對使用介質為強腐蝕性、強輻射性、劇毒時。閥門的微泄漏（fugitive emission）要求就是其中的一種。閥門的微泄漏檢測( FE TEST)主要是檢查閥門中法蘭和填料函處的微量泄漏程度，屬于閥門殼體密封試驗的一種。
n閥門微泄漏檢測的基本原理是：在閥門處于半開半閉狀態時向閥門內部通以規定壓力的氦氣，用已調節好漏率的帶吸氣探針的氦質譜檢漏儀對中腔和填料函部位進行檢測，看該部位是否滿足用戶所規定的漏率。
n閥門微泄漏要求是當今閥門發展的一種方向，這種微泄漏要求是很符合核電閥門的要求的。
4.2 試驗設備
試壓臺盲板式
n試壓時閥門的一側法蘭用螺栓在試壓臺下壓緊，從下側打壓，上側觀察密封，或上側用盲板密封，下側打壓檢查強度。由于試驗時閥體兩端直接承受壓緊力而容易引起密封變形，以致影響試驗的準確性。因此，壓緊力不宜過大，在保證閥門端面不滲漏的前提下，壓緊力愈小愈好。
翻轉試壓臺和吊掛盲板式
n閥門側法蘭用三個油壓的鉤形壓板，在試壓臺上拉緊，另一側法蘭由吊持油缸頂緊盲板密封，進行閥門的強度試驗。
n由于閥門兩端不受軸向力，閥門密封面不會產生變形，因此試驗比較準確。
4.3 安裝前檢驗
n試壓臺
n閥門關閉后打壓
n10min內壓力不降
n法蘭連接用橡膠墊片
n焊接坡口用鉛板
5 閥門常見故障及維修
閥門啟閉有卡阻、不靈活或者不能正常啟閉，甚至無法繼續啟閉，主要是由于閥桿與其它零件卡阻，主要是閥桿與填料之間的卡阻。一般有：
n填料壓蓋偏斜后碰閥桿
－－處理方法：正確安裝。
－－處理方法：正確安裝。
n填料安裝不正確或壓得過緊
－－處理方法：填料預緊，適當放松填料。
－－處理方法：填料預緊，適當放松填料。
n閥桿與填料壓蓋咬住
－－處理方法：更換或返修。
－－處理方法：更換或返修。
n零部件之間咬住或咬傷
－－處理方法：適當潤滑閥桿。
－－處理方法：適當潤滑閥桿。
閥門密封面擦傷、閥桿光柱部分咬擦傷和閥桿螺紋部分咬傷等
n密封面研磨后有磨粒嵌入密封面里，未清除干凈，造成密封面擦傷；有的經使用后，磨粒在介質的沖刷下，磨粒排出而粘在密封面上，經閥門開關，造成擦傷。
－－處理方法：合理選用研磨劑，密封面研磨后必須清洗干凈。
n介質中的贓物或者焊渣未清除干凈，造成擦傷。
－－處理方法：重新清洗干凈。
－－處理方法：重新清洗干凈。
n閥桿與填料壓套、填料墊碰擦，其次介質中含有硼的介質，泄出后會結晶形成硬的顆粒，在填料與閥桿接觸表面，開關時拉傷閥桿表面。
－－處理方法：正確安裝、調整零部件配合間隙和提高閥桿表面硬度。
n梯形螺紋處有沾污贓物,潤滑條件差;閥桿和有關零件變形
－－處理方法：清除贓物，對高溫閥門及時涂潤滑劑；對變形零件修正。
填料泄漏和閥體與閥蓋連接處泄漏
（1）填料泄漏
泄漏及原因：
n填料密封原理: 對填料施加的軸向力,填料產生塑性變形,閥門由于多個填料安裝, 部位相互交替接觸,形成 “ 迷宮效應 ”，起到阻止壓力介質外泄漏的作用。
n填料泄漏除了在壓力和介質不同的滲透力下，填料的接觸壓力不夠外，還有填料本身的老化，閥桿的拉傷等原因。
n填料對閥桿產生腐蝕，所以當壓力把介質沿著填料與閥桿之間的接觸間隙向外泄漏，直至從填料處泄漏，另外操作不當，用力過度閥桿彎曲。
n填料選用不當，不耐介質腐蝕、不耐高壓或真空、高溫及低溫。
n填料超過使用期，已老化，失去彈性
n填料安裝數量不足
處理方法：
n應按工況條件選用填料型式和材料 ；
n預緊填料，正確安裝和確定填料數量；
n閥桿彎曲，表面腐蝕機械修理或更換；
n填料失效必須更換。
（2）法蘭泄漏
n
n閥門的法蘭密封連接在接觸部位之間根據設計要求安放密封墊片，依靠連接螺栓所產生的預緊力達到足夠的比壓，阻止介質向外泄漏。
n墊片材料和結構有：橡膠墊片、石棉橡膠墊片、石墨墊片、不銹鋼和石墨纏繞式墊片、波紋管形和金屬墊片。
n墊片密封屬于強制密封。
常見的法蘭泄漏有以下種：
a. 界面泄漏－密封墊片與法蘭端面之間密封不嚴而發生泄漏。
主要原因：
n 密封墊片預緊力不夠－－－－－處理方法：適當增加預緊力;
n 法蘭密封面粗糙度不符要求－－處理方法：返修;
n 法蘭平面不平整或平面橫向有劃痕－－處理方法：返修;
n 冷和熱變形以及機械振動等 －－－處理方法：改善環境或材料選擇;
n 法蘭連接螺栓變形伸長－－－－處理方法：材料和不能超過許用扭矩;
n 密封墊片長期使用發生塑性變形－－處理方法：更換;
n 密封墊片老化、龜裂和變質－－－ 處理方法：更換。
b.滲透泄漏－ －介質在壓力的作用下，通過墊片材料隙縫產生泄漏。
主要原因：
n 與密封墊片材料有關；
n 介質的壓力；
n 介質的溫度；
n 密封墊片老化、龜裂和變質。
c.破壞泄漏－ －由于安裝質量而產生密封墊片過度壓縮或密封比壓不足而發生的泄漏。
主要原因：
n安裝密封墊片偏斜，使局部密封比壓不足或預緊力過大，失去回彈能力；
n法蘭連接螺栓松緊不均勻；
n兩法蘭同軸度(中心線偏移)偏斜；
n密封墊片選用不對即沒有按工況條件正確選用墊片的材料和型式；
n界面泄漏和破壞泄漏會隨著時間的推移而明顯加大,對滲透泄漏的泄漏量與時間的關系不明顯。
本文標題：簡析各種閥門種類和工作原理
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