氣動開關(guān)閥選型研究

王闖

（東洋工程（上海）有限公司，上海 200120）

在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，化工行業(yè)氣動開關(guān)閥相應(yīng)的選型規(guī)范有《SH/T 3005石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》，《HG/T 20507自動化儀表選型規(guī)范》等，規(guī)范中就氣動開關(guān)閥的選型都有著通用性的指導(dǎo)說明，可以滿足大部分的設(shè)計需求，氣動開關(guān)閥的選型涉及閥型、閥體、執(zhí)行機構(gòu)、閥門附件等，要做好一臺氣動開關(guān)閥完整的技術(shù)選型，需根據(jù)具體工藝流程依據(jù)選型設(shè)計規(guī)范逐步完成。在設(shè)計選型過程中，難免會遇到規(guī)范中無法完全涵蓋的設(shè)計工況，這時，則需根據(jù)工藝、管材等具體條件，進行適當?shù)脑O(shè)計選型調(diào)整。

1 氣動開關(guān)閥閥型確認

氣動開關(guān)閥閥型的選型主要取決于應(yīng)用工況，如介質(zhì)的溫度、壓力、環(huán)境的溫度及壓力、介質(zhì)的黏度、流量、腐蝕性、毒性、物理狀態(tài)、是否具有雜質(zhì)、是否存在雙相甚至多相的情況、管道的尺寸、閥門開關(guān)的全行程時間等。

（1）在要求密封等級較高、中高壓力的工況下，優(yōu)先選用全通徑球閥。球閥的通用性好，結(jié)構(gòu)簡單，流體阻力小，密封性好，操作方便，且能做到較迅速地開關(guān)，球體與閥座之間的接觸磨損小，不容易引起閥門密封面的侵蝕。

（2）對于大口徑、大流量的工況下，可選用蝶閥。在大口徑的工況下，蝶閥的性價比較高，且蝶閥可用于帶有懸浮顆粒的流體場合，選用雙偏心或三偏心結(jié)構(gòu)的蝶閥時，蝶閥的密封等級及耐壓等級也比較高，可以滿足低壓或中低壓工況下的密封要求。在水處理的一般工況下，也可選用中線式蝶閥，但此型式蝶閥，耐壓能力較差，密封性一般，且不耐高溫。

（3）閘閥可以用于大口徑、大流量和壓差較高的場合，同樣可以應(yīng)用于含有懸浮顆粒的流體工況，對密封等級已要求較高的場合可選用刀閘閥。

（4）在SH/T 3005的規(guī)范中，不建議使用截止閥（Globe）作為開關(guān)閥，究其原因，主要是由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計，在流體具有雜質(zhì)或顆粒物時，截止閥開關(guān)的過程中，密封面有可能夾住流體中的雜質(zhì)或顆粒物，造成關(guān)閉不嚴，產(chǎn)生泄漏，也會磨損閥體，影響使用壽命。但一些特殊工況下，波紋管密封的截止閥將被廣泛應(yīng)用，下文中將會詳述。

（5）在我們以往項目的聚丙烯工藝中，有用到旋塞閥，旋塞閥的閥芯是圓錐形且中間有通孔，密封等級較球閥好，但需要更大的力矩，一般閥門的口徑不會很大。

（6）一些特殊的工藝生產(chǎn)中，需使用專用的開關(guān)閥閥型，需根據(jù)具體情況具體分析。

2 氣動開關(guān)閥閥體的選型

氣動開關(guān)閥閥體選型的確認需依據(jù)上游工藝專業(yè)及管材專業(yè)的輸入，根據(jù)實際的工藝參數(shù)、介質(zhì)特性、耐壓等級、溫度范圍來確認閥體各個部件的材質(zhì)與型式，同時需滿足項目所在地安監(jiān)、環(huán)保等部門相應(yīng)的條文要求。不同閥型的結(jié)構(gòu)不同，選型原則也稍許不同，本文的研究對象主要為一些常見的開關(guān)閥閥門型式，其他類型可作參考。

2.1 壓力

首先，閥門及配件的設(shè)計壓力不能低于管道要求的設(shè)計壓力，且按照規(guī)范要求，閥門的壓力等級不應(yīng)低于PN20或ASME CL150。將壓力作為考慮的工藝因素，設(shè)計過程中，還需注意閥門填料的材質(zhì)與型式，規(guī)范中，僅對填料函提出了溫度上，在介質(zhì)具有毒性時的要求。根據(jù)以往項目經(jīng)驗，應(yīng)該存在負壓工況的閥門的填料函進行一定的要求。現(xiàn)在市面上閥門的填料函普遍都是“V”型結(jié)構(gòu)，或者單層或者雙層，在管道內(nèi)產(chǎn)生負壓時，“V”型填料函有可能會因為負壓而變形甚至脫落，現(xiàn)在已有部分具有自主研發(fā)能力的閥門廠家對此進行優(yōu)化升級，將填料函升級成能同時耐正壓和負壓工況的型式。而我們在設(shè)計選型時，應(yīng)明確體現(xiàn)這項要求，供廠家進行型號匹配。

2.2 溫度

閥門及配件的設(shè)計溫度不得低于管材要求的設(shè)計溫度。根據(jù)規(guī)范，在-18～204℃范圍內(nèi)，閥門的填料材質(zhì)可選聚四氟乙烯或其改性材質(zhì)；介質(zhì)溫度低于-18℃或高于204℃時，應(yīng)選用柔性石墨填料或其他合適材料的填料?，F(xiàn)階段的精細化工項目中，經(jīng)常會有超高溫或超低溫的工況，但同時由于介質(zhì)的特殊性，比如，一些純凈介質(zhì)，或高純度氣體項目，不允許使用石墨材質(zhì)的填料或閥座，擔心石墨材質(zhì)會混入介質(zhì)中，造成物料的污染，這時的選型較為特殊，需特別對待。球閥的填料位置與截止閥不同，在做延長閥桿后，部分產(chǎn)品在閥桿下端仍需填料來保證閥門的正常操作，而此時無法利用延長閥蓋的方式來達到使用聚四氟乙烯的目的，根據(jù)API 608球閥的標準規(guī)范中，PTFE（聚四氟乙烯）的溫壓曲線來看，PTFE的耐溫最高僅到205℃，而中壓蒸汽的設(shè)計溫度基本都在250℃以上，這時可以選用延長閥桿，填料位置上移，PTFE加石墨的雙層結(jié)構(gòu)，并且在填料下部設(shè)計防脫環(huán)來滿足工況。在某特種高純氣體的項目中，設(shè)計溫度是250℃，同樣不可以使用石墨材質(zhì)，包括上述的PTFE加石墨雙層結(jié)構(gòu)均不可以接受，這時，我們就改為了上面提到的帶波紋管的截止閥。波紋管的設(shè)計初衷是為了保證閥門的密封性，防止高毒性介質(zhì)外漏而設(shè)計，這里應(yīng)用的是它特殊的結(jié)構(gòu)形式，將管道內(nèi)純凈介質(zhì)與填料徹底物理隔離的原理來滿足實際應(yīng)用。

2.3 材質(zhì)

閥門的材質(zhì)一般是依據(jù)管材專業(yè)的要求，但作為完整的項目設(shè)計，儀表專業(yè)同樣需要對閥門材質(zhì)的耐腐蝕性有準確的理解，才能提出明確的要求。閥體的材質(zhì)不得低于相應(yīng)的管道材質(zhì)，閥芯材質(zhì)應(yīng)做到不低于閥體材質(zhì)。閥蓋及用于閥門本體的支架、螺栓螺母等需與閥體材質(zhì)保持一致。規(guī)范中明確要求，不得使用石棉或?qū)訅菏拮鳛殚y門填料和墊片的材質(zhì)。

2.4 結(jié)構(gòu)

在進出口總管上的開關(guān)閥，應(yīng)保證具有雙向密封性的閥內(nèi)件。閥芯應(yīng)由整塊金屬加工或鍛造而成，閥桿應(yīng)裝有防吹出裝置。根據(jù)介質(zhì)溫度，上閥蓋的結(jié)構(gòu)分為普通型、長頸型、延伸性帶散熱片型，設(shè)計時，需向廠家提供管道的保溫層厚度，供廠家在配型時考慮是否需要做延長型閥桿閥蓋，避免在現(xiàn)場施工時發(fā)生保溫層厚度高于支架高度，執(zhí)行機構(gòu)無法安裝的問題。

2.5 連接型式

閥門的連接形式取決于管道與管材專業(yè)的設(shè)計要求，需根據(jù)不同的管道等級選配相應(yīng)的連接形式、對應(yīng)的法蘭連接標準、緊固件的供貨方等。需注意，易燃介質(zhì)的蝶閥或偏心旋轉(zhuǎn)閥可以選用支耳型連接方式，但不可選用無法蘭對夾式連接。如選用對焊或承插焊方式連接，則要求閥蓋可拆卸或其他結(jié)構(gòu)形式，便于后期運行期間的正常維護。

2.6 密封型式

以球閥為例，閥門的密封型式為軟密封閥座和硬密封閥座兩種，在溫度和壓力允許的工況下，首選軟密封產(chǎn)品，其密封性較好，結(jié)構(gòu)簡單，性價比較高，但需注意滿足非金屬材質(zhì)部分接液部件（如PTFE）的溫壓曲線。硬密封一般用于高溫帶壓工況下，且閥座一般做硬化處理，閥門填料需選用柔性石墨或合適的材質(zhì)，這里需注意，兩片式球閥的兩片閥體連接處的墊片，也會接觸到介質(zhì)，如項目對接液材質(zhì)有要求，需注意對此部分的材質(zhì)進行明確要求。相對于球閥，工藝流程中使用的蝶閥，一般分為雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥，現(xiàn)在的制造工藝，已經(jīng)可以將蝶閥的密封等級做得很高，在大口徑的管道中，蝶閥的性價比也會優(yōu)于球閥，相較雙偏心蝶閥，三偏心蝶閥一般應(yīng)用于高溫高壓的工況下。而三偏心的閥座也分為全金屬和金屬加石墨（或其他材質(zhì)）兩種，需根據(jù)實際要求進行選型應(yīng)用。HG的規(guī)范中開關(guān)閥的泄漏等級要求宜為ANSI V，緊密關(guān)斷閥為ANSI VI，SH的規(guī)范要求開關(guān)閥泄漏等級滿足API 598,GB/T 13927標準。

2.7 噴漆要求

儀表專業(yè)對閥門沒有專門的噴漆要求，一般情況也不會對此制定規(guī)則，但如果項目所在地在海邊或者有環(huán)境污染的地區(qū)則需特別注意，具體可參照SH/T 3022中對不同定級的環(huán)境下的涂漆要求。

3 氣動開關(guān)閥執(zhí)行機構(gòu)及附件選型

3.1 執(zhí)行機構(gòu)

氣動開關(guān)閥的執(zhí)行機構(gòu)是整個閥門的控制核心，決定了閥門動作的原則與邏輯，也是保障工藝流程正常運行的重要組成部分。

我們需要根據(jù)工藝流程確定的故障安全位置去選配對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要分為FC（故障關(guān)），F(xiàn)O（故障開）和FL（故障保持）三種類型，在此基礎(chǔ)上，還有故障保持趨于關(guān)型和故障保持趨于開型，這里不展開介紹，僅對常見的三種類型進行探討。FO/FC型閥門，我們一般選用單作用彈簧氣缸執(zhí)行機構(gòu)，要求彈簧表面做防腐處理。FL型閥門，應(yīng)選用雙作用氣缸執(zhí)行機構(gòu)，并配有保障閥門保位48小時的儲氣罐。

執(zhí)行機構(gòu)的輸出力矩應(yīng)為閥門最大扭矩的1.5倍，至少有50%的安全系數(shù)，且執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有限位保護功能，不能對閥門造成損壞。規(guī)范中還要求閥門廠家應(yīng)給出閥門最大的破壞扭矩，來確認閥軸的強度。氣動執(zhí)行機構(gòu)的尺寸應(yīng)按照儀表供氣的最低壓力來選型。氣缸的選型根據(jù)閥門的型式分為直行程氣缸和角行程氣缸，常見角行程的氣缸根據(jù)所需扭矩的大小分齒輪齒條式氣缸（小扭矩）和撥叉式氣缸（大扭矩）。

閥門的行程時間也是閥門選型中需要明確的技術(shù)點，需滿足安全和工藝的要求，如安全與工藝無特殊要求時，一般定義為從調(diào)控信號開始，閥門的全行程時間不應(yīng)超過閥體尺寸（英寸）的3倍（秒），且不可小于閥體的尺寸。如一臺3”的開關(guān)閥，閥門的全行程時間應(yīng)為不大于9秒且不小于3秒。但對于緊急切斷閥，閥門的最大行程時間不得超過10秒。

3.2 電磁閥

氣動開關(guān)閥的執(zhí)行機構(gòu)動作是由電磁閥來控制的。在FC/FO閥型上應(yīng)用時，一般會選用2位3通的單電控電磁閥，而FL閥型上較多的選用2位5通的雙電控電磁閥。電磁閥的供電在國內(nèi)一般有24V直流和220V交流兩種，電磁閥的防爆等級應(yīng)符合項目中爆炸危險區(qū)的劃分等級，外殼防護等級不低于IP65。對于有SIL等級要求的電磁閥，則需取得對應(yīng)的SIL等級證書，控制邏輯應(yīng)滿足GB/T 50770中的要求。

3.3 限位開關(guān)

限位開關(guān)的數(shù)量應(yīng)符合項目中的要求。如工藝無特殊要求，為了經(jīng)濟性，一般FC/FO的閥門會設(shè)置1個限位開關(guān)，F(xiàn)L的閥門會設(shè)置2個限位開關(guān)。限位開關(guān)的型式分為接近干接點式和NUMAR型，限位開關(guān)的防爆等級需符合項目中爆炸危險區(qū)的劃分等級，外殼防護不低于IP65，如有SIL等級要求，則也需取得對應(yīng)的SIL等級證書。

3.4 過濾減壓閥及氣控閥

氣動開關(guān)閥執(zhí)行機構(gòu)前端都會配有氣源過濾減壓閥，對供氣起到過濾穩(wěn)壓的作用，過濾減壓閥已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品，選型時需注意對應(yīng)的型號的調(diào)壓曲線能否滿足實際工況，過濾減壓閥外殼是否需要特殊的防腐處理等。

對于一些需要增壓的執(zhí)行機構(gòu)，如氣缸尺寸較大或者需要快速控制時，可選配氣控閥達到增壓的目的。

4 氣動開關(guān)閥證書的要求

氣動開關(guān)閥從出廠到應(yīng)用在實際項目中，除必要的出廠檢驗報告外，還應(yīng)要求閥門具有相應(yīng)的證書。

壓力管道上的閥門應(yīng)滿足以下要求：國內(nèi)產(chǎn)品應(yīng)取得特種設(shè)備制造許可證，型式試驗證書；進口產(chǎn)品除上述兩個證書外，還需額外取得進口安全性能監(jiān)督檢驗報告，也就是到岸監(jiān)檢。

有防火要求的閥門，應(yīng)滿足GB/T 50160的規(guī)定和工藝要求，需提交API 607或API 6FA的防火證書。

電磁閥，限位開關(guān)需提供對應(yīng)的防爆等級證書，國內(nèi)的CCC認證，如有SIL要求，還需提供對應(yīng)的SIL等級證書。

對于有低逸散要求的閥門來說，還需取得ISO 15848的定級證書并根據(jù)國家標準GB/T 26481進行檢驗。

特殊情況下，根據(jù)項目及所在地政府部門不同的要求，需滿足對應(yīng)的要求，做對應(yīng)的檢驗測試取得對應(yīng)的報告及證書。

5 結(jié)語

氣動開關(guān)閥之所以能被廣泛地應(yīng)用于多種工況下，具有較高的使用率，仰仗于其閥門控制原理的可靠性及經(jīng)濟性，在快速發(fā)展的現(xiàn)代化工業(yè)過程控制中，準確的閥門選型是工藝流程可以安全穩(wěn)定運行的重要保障。氣動開關(guān)閥的組成部件大致可以分為閥體、執(zhí)行機構(gòu)、閥門附件，在設(shè)計選型中，需就具體條件，逐一對各個部件進行選型確認，根據(jù)市場反饋對工藝及管材條件進行核實，并應(yīng)根據(jù)國家政策對閥門做好質(zhì)量管理，明確產(chǎn)品需求，完善做好選型流程中的每一步。

基于對氣動開關(guān)閥的設(shè)計選型規(guī)范的理解，結(jié)合實際項目的設(shè)計經(jīng)驗，整理出此文，粗淺地就氣動開關(guān)閥的選型做了一個總結(jié)，希望對同行業(yè)從業(yè)者有一定的幫助，本文中有太多未及之處，需大家共同發(fā)現(xiàn)，一起探討。在科技的高速發(fā)展的當下，隨著對環(huán)境、安全、質(zhì)量的高要求，相信將會有越來越多可靠性高、實用性強的產(chǎn)品出現(xiàn)，完善閥門的選型工作。