閥件在船舶管系設(shè)計中的應用分析

摘要：本文對船舶艙底水吸入原理進行了表述；對管路升降啟閉式截止閥、截止止回閥、止回閥結(jié)構(gòu)功能進行了解析，并分析了非吸入止回閥結(jié)構(gòu)障礙原因；闡述了旋啟式止回閥負壓（真空）工況結(jié)構(gòu)原理及功能定義，并歸結(jié)了該止回閥功效特性；總結(jié)了目前設(shè)計上某些誤區(qū)產(chǎn)生之原因；糾正了對末端吸入止回閥的機械設(shè)計慣例。

關(guān)鍵詞：負壓吸入；止回閥；結(jié)構(gòu)研究

中圖分類號：U664.8文獻標識碼：A

Valve application for shipbuilding piping design

ZHANG Xijan

( Shandong Weihai shipyard,Weihai 264200 )

Abstract: In this paper, the principle of ship's bilge suction expression; For piping lifting crane type globe valve, globe check valve, check valve structure function parsing, and analyzed the reason of the suction check valve structure obstacle; Expounds the swing check valve working condition of negative pressure (vacuum) structure principle and function definitions, and the check valve five efficacy features; Summarizes to the cause of the current design error; Corrected to end suction check valve mechanical design practice; To arouse the industry authority departments, experts and relevant personage attention and correction.

Key words: Negative pressure suction; valve;structureresearch

1前言

筆者在國營船廠從事修造船管理工作多年，在多次交船試驗中經(jīng)歷抽艙底水都要用海水引水的實例，此程序在業(yè)內(nèi)已成慣例。但此方法在設(shè)計規(guī)范中是不允許的，規(guī)范規(guī)定：“艙底泵與艙底水總管之間的連接管…應裝設(shè)截止止回閥”，因此泵前的截止閥都設(shè)計為截止止回閥。 同時規(guī)范還規(guī)定：“所有的動力艙底泵，均應為自吸式泵或帶自吸裝置的泵”。由此而來，一方面設(shè)計規(guī)范中不允許海水進入艙底水管系，而另一方面實踐中卻屢屢行不通。

2011年，某57 000 DWT貨船艙底水管系設(shè)計將泵前止回閥設(shè)計為的截止止回閥GB/T591-93，并且將末端止回閥型號改為GB/T592-93 B（此閥原正常設(shè)計為垂直吸入止回閥CB/T3478-92，閥體直達污水井底部不接管）。筆者經(jīng)過對標準中能用于艙底水管系所有的截止止回閥、止回閥結(jié)構(gòu)功能進行比對后終于有了結(jié)論：是設(shè)計的止回閥型號及該類閥結(jié)構(gòu)功能出現(xiàn)了原理性悖逆，才致使該類型止回閥無法打開，因此提出將末端止回閥型號改為旋啟式止回閥；將泵前的截止止回閥也更改分解為截止閥+旋啟式止回閥。

鑒于上述設(shè)計在船舶行業(yè)具有普遍性，故此次的修改被喻為行業(yè)內(nèi)第一次提出，為此筆者愿將此事問題與各位同仁探討，以求達成共識。

（1）了解排出型閥門原理，有助于理解負壓吸入型閥門原理，并清晰二者間的本質(zhì)區(qū)別；

（2）明晰泵前吸入型止回閥設(shè)計原理至關(guān)重要，其中旋啟式止回閥至目前還不常見，艙底-消防每泵前吸入僅為2只/組，其中常用僅為1只/組，對系統(tǒng)具有“總閘”之效能，末端獨立止回閥也僅為10只左右；

（3）清晰解讀排出型止回閥在負壓吸入端悖逆工況，并導致成為系統(tǒng)功效“瓶頸”之副作用；

（4）規(guī)范等對吸入管系截止止回閥、止回閥結(jié)構(gòu)功能表述模糊，致使人們對此缺少關(guān)注；

（5）更換閥門只是滿足了真空吸入條件，真空泵（裝置）的量化配置標準應該出臺。

2 截止閥、截止止回閥、止回閥分類及設(shè)計原理

管路閥門的啟閉類型，按閥盤動作可分為旋轉(zhuǎn)啟閉、升降啟閉和滑動啟閉三種，而升降閥盤式又分為閥盤水平升降和垂直升降兩種。我們通常把閥盤水平升降啟閉形式的都標稱為截止閥，其它類型也屬截止閥功能但習慣上一般都按標稱為閘閥、球閥、蝶閥和滑閥等。

（1）上述截止閥是閥盤與閥桿為一體型結(jié)構(gòu)，在沒有壓力情況下閥盤也可以通過手動開啟，但介質(zhì)進口必須是經(jīng)閥盤下面進入并且閥盤應始終處于自然垂落方向。此類閥門為避免將進出口方向裝錯，在閥體上大都標注介質(zhì)箭頭流向，如果裝錯就會出現(xiàn)功能性障礙（閥盤上部壓力太大而無法開啟及在閥桿填料函處容易造成泄漏），如船用法蘭鑄鐵截止閥GB/T590-93等同類型閥。

（2）在船舶上能見到的管路截止閥或其他類型閥，大多安裝在泵出口的壓力管路上，因此閥門進口端總是有壓力而另一端則無。為防止動力泵停機時管路介質(zhì)的回落，在泵出口及管路適當位置都裝有止回閥。在船用艙底-消防泵出口端需設(shè)置兩組及以上不同管系排出功能的，在泵組出口處都要設(shè)置截止止回閥，以滿足分組控制啟閉和自動止回功能。由于船舶管路布置空間局限性，誕生了將升降式截止-止回兩閥功能合為一體的船用截止止回閥這一結(jié)構(gòu)形式（陸用工業(yè)閥門標準中無此類型截止止回閥），如已提到過的船用法蘭鑄鐵截止止回閥GB/T591-93等。

此外，還有單一止回功能的閥，如船用法蘭鑄鐵止回閥GB/T592-93等。

上述閥的特點為：只起升閥桿閥盤就會依靠閥盤下部介質(zhì)壓力自動起升開啟，反之就會回落自動關(guān)閉。其進口更只能是在閥盤的下面并保證閥盤垂直回落的有效性，反之將導致功能性堵塞（自動止回關(guān)閉使介質(zhì)無法流通）和閥盤不能有效關(guān)閉。

（3）上述截止閥、截止止回閥、止回閥工作原理都是針對安裝在壓力管路而言，我們稱之為排出型閥門。此類閥的重要特點是閥盤開啟方向與閥盤下部介質(zhì)作用力方向必須一致，至于介質(zhì)出閥盤后折角90°改變了方向與閥盤的開啟原理無關(guān)。這一特點與下述吸入閥的原理恰好相反，因此將排出型功能的止回閥設(shè)在了反向功能需求的吸入止回閥位置導致“被掯”窘?jīng)r，這完全是設(shè)計將閥門用錯所造成的“隱病”。

3吸入型止回閥設(shè)計原理

吸入型止回閥的工況是負壓吸入（俗稱為“抽真空”），它是指動力泵對艙底水系統(tǒng)吸入工況的通稱。負壓吸入是指被抽液面低于動力泵吸入端、需通過泵本身自帶或附加的真空泵將工作泵出口止回閥至吸入液面間管內(nèi)及泵腔內(nèi)空氣排除達到既定真空度，使被吸液體在外界大氣壓力作用下被壓至泵吸入口的過程。根據(jù)真空吸入原理，屬于此類型閥在標準中只有垂直吸入式止回閥CB/T3478-92、水平吸入式的旋啟式止回閥CB/T4019-2005和垂直水平都可使用的板式止回閥CB/T3819-1999三種。

（1）法蘭吸入止回閥CB/T3478-92為垂直吸入式末端閥門。該止回閥開啟原理為：由于管內(nèi)負壓（真空）的作用，對止回閥閥盤上部產(chǎn)生吸力。由于閥盤上部垂直管路部分的吸力與閥盤開啟方向是一致的，并且同方向的真空度對閥盤周邊產(chǎn)生的吸力是均勻的，使閥盤下部氣體作用力也能按上部吸力方向?qū)㈤y盤均勻的起升微量開度，被吸氣體就經(jīng)閥盤密封線并隨真空管路上行，隨著真空度加大低位液面就會在外界大氣壓力作用下上升，隨即將閥盤托起并經(jīng)閥盤開度間隙繼續(xù)向吸口高度上升，待液位達到泵吸口處時開度也呈最大值，此時抽真空過程結(jié)束，工作泵啟動。

該吸入式止回閥存在以下缺陷：①裝于末端污水中功效不理想；②下部不能接管且沒有耐壓參數(shù)，只能裝在末端；③只能垂直安裝。這也是被設(shè)計部門擯棄而改選用排出型止回閥的原因。

（2）旋啟式止回閥CB/T4019-2005為中間水平吸入式止回閥。所謂中間是針對末端而言，是可以在管路中間且水平安裝的止回閥，因此可以避免安裝于污水井處易腐蝕工況以及受垂直管路限制問題。該閥開啟特點為：①彌補了上述垂直式吸入止回閥不能在水平方向工作的缺陷，使閥盤開啟方向側(cè)轉(zhuǎn)了90o，由上升開啟變?yōu)榱藱M向擺動開啟，并繼續(xù)保持了真空吸力方向與閥盤開啟方向的一致性；②由于閥盤是以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)中心、呈掛墜體形式擺動，使真空度對閥盤垂直開啟自重吸力的負擔力消除；③同掛墜原理使閥盤在橫向開啟時真空對其的作用力達最小值；④由于閥盤、閥座的安裝方向是近乎垂直工作面（6°傾斜角），使泥沙顆粒在閥盤上因重力擱置而被卡住磨損工況呈最小值。⑤由于閥盤是鉸鏈連接形式，因此只要將鉸鏈套孔與軸間的間隙值把定正確，該閥抗堵塞能力優(yōu)勢也會達到最大值。因此，旋啟式止回閥是安裝在負壓吸入管路中唯一從原理到功能都能勝任真空吸入原理的閥門。由于安裝在泵前吸口處無截止功能，因此須與截止閥連起來用，將泵前截止止回閥修改為截止閥+旋啟式止回閥。由于該閥設(shè)計壓力為0.5 MPa，因此和下述板式止回閥（1.0 MPa）一樣也可以使用在恰當?shù)呐懦龉苈飞稀?/p>

旋啟式止回閥也是船用標準。自上世紀八十年代初，船舶行業(yè)就在外貿(mào)標準中引進了日標法蘭旋啟式止回閥CBM1127-82（青銅DN40以下)，本世紀被部標取代為旋啟式止回閥CB/T4019-2005。因該船閥（球鐵DN50以上）目前還沒有被部標收入，因此在該船修改中采用的仍是日標準號JIS-F7373（鑄鐵10K DN50-250）。自進入本世紀后，以J打頭的日標閥門在現(xiàn)在的部標中也逐步在采用（詳見《船舶工業(yè)標準目錄》2009版CB/T4001~4033-2005），因此，設(shè)計部門以該閥為非船用標準而不采用是無道理的。

（3）板式止回閥CB/T3819-1999從原理上也是旋啟式止回閥的一種，因為該閥進出口無法蘭屬對夾式結(jié)構(gòu)，故而閥體長度大大縮短，常安裝于彎路較短的管路上，筆者所監(jiān)造船也因為泵前空間位置不足，而將此旋啟式止回閥閥改為了板式止回閥。

4排出型止回閥在負壓吸入端悖逆工況

由上所述，足以證明將排出型止回閥安裝在負壓吸入管路上是悖逆真空吸入原理的，具體表現(xiàn)為：

（1）由于泵吸口的截止止回閥為排出型結(jié)構(gòu)，使液體經(jīng)閥盤后折角90°出口變?yōu)榱诉M口，使被吸氣體進入閥盤上部后，不是像吸入止回閥那樣經(jīng)一段垂直管路向上繼續(xù)上升而是立即折角90°向側(cè)部流動，產(chǎn)生了向上和橫向兩個方向的分力，二者分力的合成點近似為45°斜線以下，導致閥盤向上垂直吸力被消耗掉一大部分。與此同時，由于下部的升舉力仍然均勻的作用于整個發(fā)盤下部，這樣對應于閥盤上部折角至出口約90°范圍內(nèi)無垂直吸力區(qū)域就產(chǎn)生了失偶力矩，該力矩就會傳遞于閥盤導桿外側(cè)面并作用于導管側(cè)壁上，使導桿在套管內(nèi)在做上升運動時同時對側(cè)壁產(chǎn)生摩擦力。這種與閥盤開啟方向不一致的分力和同時產(chǎn)生的失偶力矩導致閥盤升力不足和升力方向產(chǎn)生偏移，使閥盤在上升開啟時極易被“掯住”。這是造成閥盤開啟困難或無法開啟的主要原因。

（2）由于升降式止回閥本身是有自重的，按照真空吸入高度原理，吸入管路中所被吸起的重物=增加同重量液體在垂直管內(nèi)的體積高度，也就是說增加了自重式止回閥盤就等于提高了離心泵吸入高度，這也是閥盤開啟困難或無法開啟的第二個原因。

（3）由于閥盤導桿與套管間隙內(nèi)，因海水產(chǎn)生的鹽化污物或顆粒污物堵塞滑動間隙，使滑動阻力進一步加大是閥盤開啟困難或無法開啟的第三個原因。

（4）貨艙污水井末端的吸入止回閥開啟原理，與上述截止止回閥類同，故不贅述。而機艙污水井末端的吸入止回閥，因手控因素多設(shè)計為截止止回閥。與貨艙污水井相比，機艙末端的止回閥工況泥沙是少了但多了些油污，因為末端閥吸入管達污水井底部，盡管機艙油污水不用此吸口抽?。ㄓ腥沼门摰妆茫怪蔽茉谟臀鬯谐Ｄ杲菁皯惫r下的使用使止回閥難免會染上油污，又因為日常不用使閥內(nèi)油污一旦干涸后將固化在閥盤密封帶及導桿間隙中，加之截止止回閥手動關(guān)閉時對閥盤環(huán)形密封帶壓力產(chǎn)生的真空密閉功效，使該止回閥在手控壓力解除后閥盤起升打開難度再次加大，這是機艙末端截止止回閥增加打開難度的第四個原因。

（5）上述分析是針對單一止回閥，而系統(tǒng)設(shè)計上是兩道同類型止回閥。本來一道門檻就很難逾越而又增加了一道門檻，因此兩道閥盤的開啟綜合阻力將大于1+1，這是吸入系統(tǒng)兩道閥盤根本無法同時開啟的第五個原因。

（6）因為用專用真空泵裝置抽取真空度的極限值僅為0.08 MPa，一般離心式立式泵自帶或附帶真空泵吸真空能力會遠遠低于該值，而臥式自吸離心泵的自真空能力則更差，加之閥盤上述四條開啟困難原因是疊加在一起的，真空度的產(chǎn)生又是一個逐漸加大的過程，中間既沒有負壓脈沖也沒有瞬間的喘息抖動，因此閥盤在初動力時一旦被掯住，即使后期真空度加大也不會輕易打開。

5結(jié)束語

綜上所述，由于旋啟式止回閥只是在泵前艙底水吸入和機艙-貨艙污水井等末端設(shè)置，因此共計全船數(shù)量不會超過20只，但功效非凡，尤其是兩泵前4只（常用僅為2只）有“一劍封喉”之功效。

旋啟式止回閥結(jié)構(gòu)原理、實際應用及效果應引起業(yè)內(nèi)人士、設(shè)計師和船東足夠的重視。

參考文獻

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[3] 船舶工業(yè)標準目錄[M]. 2009.

作者簡介：張晰見（1956-），男，助理經(jīng)濟師。主要從事船舶監(jiān)造及造船技術(shù)管理工作。

收稿日期：2014-01-13