三合一結(jié)構(gòu)抗菌閥門(mén)的創(chuàng)新研究與應(yīng)用

馬祖達(dá) 蔡海燕 陳偉杰 涂志金 王小華

（1. 溫州市工業(yè)科學(xué)研究院，浙江溫州 325028；2. 溫州市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，浙江溫州 325028；3. 溫州市金鑫藥機(jī)閥門(mén)制造有限公司，浙江溫州 325024）

1 問(wèn)題之由來(lái)

閥門(mén)作為流體輸送系統(tǒng)的控制部件，遠(yuǎn)在4000年前就首先在我國(guó)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的閥門(mén)是一種原始的木塞閥，它用在輸送鹽水的竹制管路上。此后，隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要閥門(mén)被應(yīng)用到我國(guó)最傳統(tǒng)、古老、繁重的產(chǎn)業(yè)——發(fā)酵工業(yè)中，進(jìn)行蒸汽、培養(yǎng)基的切換，以改善人的勞動(dòng)條件、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。以出色釀造出茅臺(tái)、汾酒技術(shù)而在全世界聞名遐邇。隨著時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到延伸和擴(kuò)展，發(fā)酵制品越來(lái)越多，開(kāi)始從單純發(fā)酵做酒的釀造行業(yè)延伸到醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)的醫(yī)藥抗生素、氫化可的松和醋酸潑尼松等西藥藥品，給抗菌閥門(mén)的廣泛應(yīng)用拓展出一片全新的發(fā)展天地。

隨著醫(yī)藥藥品的大批量、現(xiàn)代化、自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)，越來(lái)越多地暴露出我國(guó)抗菌閥門(mén)制造技術(shù)與醫(yī)藥藥品生產(chǎn)工藝要求的不適應(yīng)性和差距。醫(yī)藥行業(yè)對(duì)它提出比我國(guó)發(fā)酵釀造行業(yè)的要求更科學(xué)、更合理、更高、更好操作的食品和制藥行業(yè)GMP的要求。它要求閥門(mén)不僅要具有良好的密封性能，密封材料能適應(yīng)較高溫度、壓力的工作介質(zhì)對(duì)閥門(mén)密封材料的沖蝕、腐蝕和磨損，保證閥門(mén)在使用期內(nèi)不滲(泄)漏；制造閥門(mén)的材料具有良好的抗腐蝕、防銹性能，不會(huì)與生產(chǎn)原料介質(zhì)發(fā)生接觸反應(yīng)，生成有害于人體健康的新物質(zhì)；從閥門(mén)的結(jié)構(gòu)計(jì)設(shè)入手，能有效地阻止有害細(xì)菌在閥門(mén)內(nèi)的衍生、繁殖，杜絕應(yīng)用企業(yè)發(fā)生染菌、倒罐現(xiàn)象的惡果發(fā)生。

針對(duì)市場(chǎng)需求，溫州市工業(yè)科學(xué)研究院為支持創(chuàng)新要素向企業(yè)集聚，解決目前釀造和醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)遇到的實(shí)際問(wèn)題，提高生產(chǎn)制品質(zhì)量，與溫州閥門(mén)生產(chǎn)單位共同承擔(dān)科技部下達(dá)的科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（立項(xiàng)代碼：09C26213301124）開(kāi)發(fā)出“三合一結(jié)構(gòu)抗菌閥門(mén)（簡(jiǎn)稱(chēng)抗菌閥門(mén)）”專(zhuān)利新產(chǎn)品（ZL200810120015.6；200820121486.4），經(jīng)浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心檢測(cè)（報(bào)告編號(hào)：FM200812106），符合科技部和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，經(jīng)華藥集團(tuán)維爾康新維制藥有限公司、山東金翼生物制品有限公司、青海珠峰蟲(chóng)草藥業(yè)有限公司等多家使用，很好地解決了生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題，獲得好評(píng)。

2 現(xiàn)用幾種結(jié)構(gòu)的抗菌閥門(mén)性能特點(diǎn)

正確選用閥門(mén)，對(duì)保證裝置安全生產(chǎn)，提高閥門(mén)使用壽命，滿(mǎn)足裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行是至關(guān)重要的。閥門(mén)設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)和材料，好的結(jié)構(gòu)能解決閥門(mén)使用中碰到的各種矛盾，為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，有必要分析當(dāng)前制藥企業(yè)現(xiàn)用幾種抗菌閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

2.1 抗菌截止閥主要是切斷管道介質(zhì)用，由于開(kāi)閉所需力較大，因此，口徑通常DN≤200。

抗菌截止閥其性能特點(diǎn)為：

（1）閘閥比較，調(diào)節(jié)性能較好，但因閥桿不是從手輪中升降，不易識(shí)別調(diào)節(jié)量大??；

（2）開(kāi)啟高度小，關(guān)閉時(shí)間比閘閥短；

（3）阻力較閘閥、球閥、旋塞閥大；

（4）密封面較閘閥小、染菌??；

（5）密封性一般比閘閥差，對(duì)含有機(jī)械雜質(zhì)的介質(zhì)，關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，易損傷密封面；

（6）價(jià)格比閘閥便宜；

（7）適用于蒸汽介質(zhì)；不宜用于黏度較大，帶顆粒、易結(jié)焦、易沉淀的介質(zhì)，也不宜作放空閥及低真空系統(tǒng)的閥門(mén)。

2.2 抗菌針形閥性能特點(diǎn)

（1）與同公稱(chēng)壓力等級(jí)的閘閥和截止閥比較，尺寸小，重量輕；

（2）通道較小、易堵塞；

（3）適用于儀表上的閥門(mén)或用于輕質(zhì)油品和油氣的取樣閥及放空閥。不宜用于黏度較大，易結(jié)焦、含有粒狀固體的介質(zhì)。

2.3 抗菌隔膜閥

抗菌隔膜閥是在閥體和閥蓋內(nèi)裝一撓性隔膜，靠隔膜的上、下行程實(shí)現(xiàn)密封。其性能特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于快速拆卸和維修；由于其操縱機(jī)構(gòu)與介質(zhì)通路隔開(kāi)，可保證介質(zhì)的純凈，它適用于化學(xué)腐蝕性或懸浮顆粒的介質(zhì)，甚至難以輸送的危險(xiǎn)介質(zhì)。但由于襯里材料限制了其使用溫度及壓力不能過(guò)高。

綜上所述，根據(jù)存在就是理由的原則，現(xiàn)在釀造和制藥廠(chǎng)使用的截止閥主要用其性能特點(diǎn)之（1）、（2）、（4）、（6）和（7）；針形閥主要用其性能特點(diǎn)之（1）、（3）；抗菌隔膜閥主要用其操縱機(jī)構(gòu)與介質(zhì)通路隔開(kāi)，阻止有害細(xì)菌在閥門(mén)內(nèi)的衍生。我們經(jīng)集成創(chuàng)新，優(yōu)化組合，選三者之優(yōu)，開(kāi)發(fā)成功能解決生產(chǎn)問(wèn)題的新產(chǎn)品。

3 抗菌閥門(mén)的要求

按照食品和制藥行業(yè)GMP規(guī)范要求，抗菌閥門(mén)不僅要具有良好的密封性能，密封材料從材質(zhì)上保證能適應(yīng)較高溫度、壓力、工作介質(zhì)對(duì)閥門(mén)密封材料的沖蝕、腐蝕和磨損，保證閥門(mén)在使用期內(nèi)不滲(泄)漏，從閥門(mén)的結(jié)構(gòu)計(jì)設(shè)入手，閥門(mén)流道無(wú)死角，能有效地阻止有害細(xì)菌在閥門(mén)內(nèi)的衍生、繁殖，杜絕應(yīng)用企業(yè)發(fā)生染菌、倒罐現(xiàn)象，不斷提高應(yīng)用單位的發(fā)酵收得率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。具體有以下三點(diǎn)：

（1）閥門(mén)不能發(fā)生外泄（滲）漏，不能產(chǎn)生常見(jiàn)的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，否則會(huì)污染生產(chǎn)環(huán)境，影響文明生產(chǎn)；

（2）閥門(mén)材料應(yīng)具有良好的抗腐蝕和防銹性能，與生產(chǎn)原料介質(zhì)不會(huì)發(fā)生接觸反應(yīng)和生成新的物質(zhì)；

（3）閥門(mén)內(nèi)不允許存有結(jié)構(gòu)死角，杜絕生產(chǎn)原料介質(zhì)的殘留和菌源污染以及物料和能量的浪費(fèi)。

4 抗菌閥門(mén)的選用原則

釀造和制藥廠(chǎng)為確保生產(chǎn)安全，他們經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)際摸索總結(jié)出抗菌閥門(mén)選用基本原則：

（1）可靠性：即符合抗菌閥門(mén)的密封性能和抗菌要求；

（2）適用性：滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)要求；

（3）實(shí)用性：操作、安裝及檢（維）修方便，具有能使操作人員正確識(shí)別閥門(mén)方向、開(kāi)度標(biāo)志、指示信號(hào)，便于及時(shí)果斷處理各種應(yīng)急故障。

（4）經(jīng)濟(jì)性；注意節(jié)約投資，降低裝置成本，今天的投資就是明天的成本。

因此，一般場(chǎng)合下要求，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能滿(mǎn)足使用要求的應(yīng)選用國(guó)產(chǎn)閥門(mén)；幾種不同閥門(mén)類(lèi)型都能滿(mǎn)足使用要求的，應(yīng)選用價(jià)格低廉的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的閥門(mén)；普通材質(zhì)能滿(mǎn)足使用要求的，不應(yīng)選用較高等級(jí)的材料。

5 主要技術(shù)參數(shù)

科技部下達(dá)的（立項(xiàng)代碼：09C26213301124）要求。

（1）公稱(chēng)通徑為DN10～DN150；

（2）公稱(chēng)壓力（MPa）≤PN1.6；

（3）適用溫度為-50℃～250℃；

（4）適用介質(zhì)為酸、堿、氧化性、還原性、有機(jī)溶劑；

（5）密封性能為“O”泄漏；

（6）使用材料為有良好的抗腐蝕、防銹性能，不會(huì)與生產(chǎn)原料介質(zhì)發(fā)生接觸反應(yīng)，生成有害與人體健康的新物質(zhì)；

（7）閥體內(nèi)無(wú)衛(wèi)生死角，符合GMP要求。

6 抗菌閥門(mén)的設(shè)計(jì)

抗菌閥門(mén)（如圖1）主要由排氣閥、閥體、閥座、密封圈、雙密封閥尖、隔膜片、隔膜瓣、對(duì)開(kāi)環(huán)、閥桿、手輪、銘牌、墊圈、六角螺母、閥桿螺母、閥蓋、閥瓣螺蓋、止退墊圈、螺栓等組成。

其主要結(jié)構(gòu)取由截止閥、隔膜閥、針型閥各最具典型特色零件結(jié)（組）合而成，改進(jìn)了原截止閥密封性能差，隔膜閥溫度和壓力低，針型閥易堵塞的各自缺陷，充分發(fā)揮了集成的優(yōu)勢(shì)，提高了綜合性能。閥體零件采用截止閥、啟閉流道及控制零件（雙密封閥尖）采用典型的針型閥結(jié)構(gòu)，其雙密封閥尖具有雙錐角，用軟、硬雙密封確保達(dá)到零泄漏、為阻止閥桿部的染菌和外泄漏采用隔膜閥中最具代表性的零件（隔膜片）。

6.1 抗菌閥門(mén)結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)（特點(diǎn)）

（1）閥體流道（縱截面）呈流線(xiàn)形，流道端點(diǎn)為圓弧狀，在流通過(guò)程中沒(méi)有拐點(diǎn)和死角，流動(dòng)方向和流道形狀不發(fā)生急劇的變化，可以減小流體阻力，確保流道通暢，可以安全、衛(wèi)生輸送物料，便于清洗，因此，不易發(fā)生染菌，在閥門(mén)底部設(shè)有排放螺孔，有利于生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)管道殘留氣體排放和生產(chǎn)過(guò)程中消毒，完全符合制藥行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）閥桿的螺紋部位，在閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程中，應(yīng)有隔膜片阻隔（見(jiàn)圖1），閥桿的螺紋部位均不會(huì)與閥門(mén)內(nèi)任何工作介質(zhì)直接接觸，因此，徹底避免了物料在閥桿螺紋處粘結(jié)或滯留。

（3）在閥體與雙密封閥尖的接觸面，經(jīng)激光熔覆強(qiáng)化處理，大大地提高了其表面硬度和耐磨性，延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命。

（4）按各不同工作介質(zhì)、工藝（溫度、壓力）、密封圈和隔膜片應(yīng)選擇不同的密封材料，如芳綸纖維、聚四氟乙烯等如表所述。

（5）原截止閥切斷管道用閥瓣是平面對(duì)平面密封，現(xiàn)改為針型閥的雙密封閥尖，閥體和雙密封閥尖均為錐形斜面，物料通過(guò)斜面時(shí)，以噴泉狀向閥體射入并形成螺旋力向外噴出的沖力很大的扇弧流，有利于工作介質(zhì)的急速流動(dòng)，不會(huì)使物料在閥內(nèi)停留，無(wú)死角。

圖1 三合一結(jié)構(gòu)抗菌閥門(mén)

（6）一般閥門(mén)閥桿與閥蓋之間的密封是靠壓緊外部填料壓蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從密封機(jī)理上講，這種密封屬于強(qiáng)制密封，換言之是一種堵漏式被動(dòng)密封。眾所皆知，填料裝入閥門(mén)填料函孔內(nèi)后，經(jīng)壓蓋對(duì)其施加軸向壓力。由于填料的塑性，使其產(chǎn)生徑向力，并于閥桿緊密接觸，但這種接觸并不是非常均勻的，有些部位接觸得緊，有些部位接觸得松，還有些部位沒(méi)接觸上。接觸部位同非接觸部位交替出現(xiàn)，形成了“迷宮”，起到阻止壓力介質(zhì)外泄的作用。填料密封的機(jī)理就是“迷宮效應(yīng)”。閥門(mén)在使用過(guò)程中，閥桿同填料之間存在相對(duì)（轉(zhuǎn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)，隨著開(kāi)啟次數(shù)的增加，轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)也隨之增多，填料接觸壓力逐漸減弱，加上填料的自身老化等原因，在高溫、高壓和滲透性強(qiáng)的流體介質(zhì)影響下，就會(huì)造成外泄漏。現(xiàn)用隔膜片徹底阻隔了閥門(mén)的外泄漏現(xiàn)象。并取消了填料和填料壓蓋，減小閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，使抗生閥門(mén)啟閉輕松和靈敏。

6.2 閥體設(shè)計(jì)

閥體作為工作介質(zhì)的流動(dòng)通道和控制咽喉要道，承受工作介質(zhì)的壓力、溫度并受到介質(zhì)流的沖蝕和腐蝕。閥門(mén)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是閥體設(shè)計(jì)。閥體的結(jié)構(gòu)雖然千變?nèi)f化、各種各樣，但二個(gè)截面明確的功能分工始終是一樣的，閥體的縱截面確定流體的流向，閥體的橫截面確定流體流過(guò)該截面流體的面積。結(jié)合制藥行業(yè)要求，根據(jù)流體力學(xué)原理將閥體的縱截面設(shè)計(jì)成流線(xiàn)形，整個(gè)流通過(guò)程線(xiàn)路上沒(méi)有拐點(diǎn)和死角，流動(dòng)方向和通道形狀不發(fā)生急劇的變化，以實(shí)現(xiàn)最小的流體阻力。閥體的橫截面形狀由三個(gè)光滑圓弧組成（圖2），截面積經(jīng)計(jì)算約為2567 mm2。截面周邊上圓弧的結(jié)合處與右圖均為光滑過(guò)渡。右邊圓形圖形的面積約為1964 mm2，即左邊心臟形面積是右邊圓形面積的1.3倍，有利于工作介質(zhì)的流動(dòng)。在閥體的底部增設(shè)了安裝螺孔，既利于生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)管道中的放氣，又利于生產(chǎn)過(guò)程中的消毒。對(duì)有些不使用該螺孔的企業(yè)，為了避免又產(chǎn)生死角，發(fā)生染菌，我們還專(zhuān)門(mén)為上述企業(yè)設(shè)計(jì)了螺塞（圖3）。

圖2 閥體橫截面新舊對(duì)比

6.3 密封面的激光熔覆處理

閥門(mén)密封面長(zhǎng)期在較高的溫度和壓力下承受工作介質(zhì)的各種腐蝕和沖蝕，有的還承受密封面之間的擦傷磨損。采用高科技激光機(jī)（HGL–90型5KW）聚焦后的激光束來(lái)對(duì)閥體與閥座密封層面進(jìn)行單道激光掃描（工藝參數(shù)為：激光功率W = 3～4 kW，掃描速度U= 8～20 mm/s，光斑尺寸=φ5～φ10 mm），控制能量密度與掃描速度，可使熔層與基體不但牢固結(jié)合，互熔區(qū)小，而且對(duì)閥體熱應(yīng)力影響小。激光一次熔覆Co基或Ni基合金層厚度可達(dá)3 mm，涂層表面光滑平整，可提高硬度20%～40%。測(cè)試與生產(chǎn)應(yīng)用表明，經(jīng)激光熔覆處理的閥門(mén)密封面在惡劣工況下具有良好的耐磨損、抗沖蝕氣蝕、抗腐蝕疲勞和抗高溫沖擊疲勞等性能優(yōu)點(diǎn)，提高了閥門(mén)使用的可靠性、安全性和使用壽命。

圖3 螺塞

6.4 密封材料的選擇

密封材料及其性能同閥門(mén)的質(zhì)量密切相關(guān)。密封材料應(yīng)依據(jù)流體工況確定，在不同的流體工況條件下，同一密封材料會(huì)有不同的使用效果。根據(jù)使用工況要求，按耐熱性、耐磨耗性、耐堿性和耐酸性等常用的工況條件對(duì)密封材料的性能給出了比較（見(jiàn)下表）。

表 密封材料性能比較

7 展望未來(lái)

綜上所述，創(chuàng)新成功的抗菌閥門(mén)解決了當(dāng)前發(fā)酵行業(yè)的實(shí)際問(wèn)題，但發(fā)酵行業(yè)要做的事情還很多。Perlman總結(jié)工業(yè)發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)時(shí)曾經(jīng)指出：“在大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵中，微生物污染是令人關(guān)切的主要難題，如能把許多工程技術(shù)用于培養(yǎng)基和設(shè)備滅菌，則發(fā)酵染菌的機(jī)率可以低于2%?！泵褡骞I(yè)的振興、閥門(mén)行業(yè)的發(fā)展，就是要依靠技術(shù)創(chuàng)新。我們決心加強(qiáng)合作、加強(qiáng)信息溝通、加強(qiáng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)力度，用高科技、先進(jìn)工藝在成功開(kāi)發(fā)出三合一結(jié)構(gòu)抗菌閥門(mén)的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)“三通抗生素閥門(mén)”、“膨脹聚四氟乙烯密封材料的應(yīng)用”、“球面密封結(jié)構(gòu)在抗生素閥門(mén)中應(yīng)用研究”等新產(chǎn)品、新工藝。

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[2] 許文清, 符明海. SKEG型生閥抗菌隔膜閥[J]. 閥門(mén), 2008(3): 27.

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