气动开关阀选型研究

王闯

（东洋工程（上海）有限公司，上海 200120）

在现代工业自动化控制系统中，化工行业气动开关阀相应的选型规范有《SH/T 3005石油化工自动化仪表选型设计规范》，《HG/T 20507自动化仪表选型规范》等，规范中就气动开关阀的选型都有着通用性的指导说明，可以满足大部分的设计需求，气动开关阀的选型涉及阀型、阀体、执行机构、阀门附件等，要做好一台气动开关阀完整的技术选型，需根据具体工艺流程依据选型设计规范逐步完成。在设计选型过程中，难免会遇到规范中无法完全涵盖的设计工况，这时，则需根据工艺、管材等具体条件，进行适当的设计选型调整。

1 气动开关阀阀型确认

气动开关阀阀型的选型主要取决于应用工况，如介质的温度、压力、环境的温度及压力、介质的黏度、流量、腐蚀性、毒性、物理状态、是否具有杂质、是否存在双相甚至多相的情况、管道的尺寸、阀门开关的全行程时间等。

（1）在要求密封等级较高、中高压力的工况下，优先选用全通径球阀。球阀的通用性好，结构简单，流体阻力小，密封性好，操作方便，且能做到较迅速地开关，球体与阀座之间的接触磨损小，不容易引起阀门密封面的侵蚀。

（2）对于大口径、大流量的工况下，可选用蝶阀。在大口径的工况下，蝶阀的性价比较高，且蝶阀可用于带有悬浮颗粒的流体场合，选用双偏心或三偏心结构的蝶阀时，蝶阀的密封等级及耐压等级也比较高，可以满足低压或中低压工况下的密封要求。在水处理的一般工况下，也可选用中线式蝶阀，但此型式蝶阀，耐压能力较差，密封性一般，且不耐高温。

（3）闸阀可以用于大口径、大流量和压差较高的场合，同样可以应用于含有悬浮颗粒的流体工况，对密封等级已要求较高的场合可选用刀闸阀。

（4）在SH/T 3005的规范中，不建议使用截止阀（Globe）作为开关阀，究其原因，主要是由于其结构设计，在流体具有杂质或颗粒物时，截止阀开关的过程中，密封面有可能夹住流体中的杂质或颗粒物，造成关闭不严，产生泄漏，也会磨损阀体，影响使用寿命。但一些特殊工况下，波纹管密封的截止阀将被广泛应用，下文中将会详述。

（5）在我们以往项目的聚丙烯工艺中，有用到旋塞阀，旋塞阀的阀芯是圆锥形且中间有通孔，密封等级较球阀好，但需要更大的力矩，一般阀门的口径不会很大。

（6）一些特殊的工艺生产中，需使用专用的开关阀阀型，需根据具体情况具体分析。

2 气动开关阀阀体的选型

气动开关阀阀体选型的确认需依据上游工艺专业及管材专业的输入，根据实际的工艺参数、介质特性、耐压等级、温度范围来确认阀体各个部件的材质与型式，同时需满足项目所在地安监、环保等部门相应的条文要求。不同阀型的结构不同，选型原则也稍许不同，本文的研究对象主要为一些常见的开关阀阀门型式，其他类型可作参考。

2.1 压力

首先，阀门及配件的设计压力不能低于管道要求的设计压力，且按照规范要求，阀门的压力等级不应低于PN20或ASME CL150。将压力作为考虑的工艺因素，设计过程中，还需注意阀门填料的材质与型式，规范中，仅对填料函提出了温度上，在介质具有毒性时的要求。根据以往项目经验，应该存在负压工况的阀门的填料函进行一定的要求。现在市面上阀门的填料函普遍都是“V”型结构，或者单层或者双层，在管道内产生负压时，“V”型填料函有可能会因为负压而变形甚至脱落，现在已有部分具有自主研发能力的阀门厂家对此进行优化升级，将填料函升级成能同时耐正压和负压工况的型式。而我们在设计选型时，应明确体现这项要求，供厂家进行型号匹配。

2.2 温度

阀门及配件的设计温度不得低于管材要求的设计温度。根据规范，在-18～204℃范围内，阀门的填料材质可选聚四氟乙烯或其改性材质；介质温度低于-18℃或高于204℃时，应选用柔性石墨填料或其他合适材料的填料。现阶段的精细化工项目中，经常会有超高温或超低温的工况，但同时由于介质的特殊性，比如，一些纯净介质，或高纯度气体项目，不允许使用石墨材质的填料或阀座，担心石墨材质会混入介质中，造成物料的污染，这时的选型较为特殊，需特别对待。球阀的填料位置与截止阀不同，在做延长阀杆后，部分产品在阀杆下端仍需填料来保证阀门的正常操作，而此时无法利用延长阀盖的方式来达到使用聚四氟乙烯的目的，根据API 608球阀的标准规范中，PTFE（聚四氟乙烯）的温压曲线来看，PTFE的耐温最高仅到205℃，而中压蒸汽的设计温度基本都在250℃以上，这时可以选用延长阀杆，填料位置上移，PTFE加石墨的双层结构，并且在填料下部设计防脱环来满足工况。在某特种高纯气体的项目中，设计温度是250℃，同样不可以使用石墨材质，包括上述的PTFE加石墨双层结构均不可以接受，这时，我们就改为了上面提到的带波纹管的截止阀。波纹管的设计初衷是为了保证阀门的密封性，防止高毒性介质外漏而设计，这里应用的是它特殊的结构形式，将管道内纯净介质与填料彻底物理隔离的原理来满足实际应用。

2.3 材质

阀门的材质一般是依据管材专业的要求，但作为完整的项目设计，仪表专业同样需要对阀门材质的耐腐蚀性有准确的理解，才能提出明确的要求。阀体的材质不得低于相应的管道材质，阀芯材质应做到不低于阀体材质。阀盖及用于阀门本体的支架、螺栓螺母等需与阀体材质保持一致。规范中明确要求，不得使用石棉或层压石棉作为阀门填料和垫片的材质。

2.4 结构

在进出口总管上的开关阀，应保证具有双向密封性的阀内件。阀芯应由整块金属加工或锻造而成，阀杆应装有防吹出装置。根据介质温度，上阀盖的结构分为普通型、长颈型、延伸性带散热片型，设计时，需向厂家提供管道的保温层厚度，供厂家在配型时考虑是否需要做延长型阀杆阀盖，避免在现场施工时发生保温层厚度高于支架高度，执行机构无法安装的问题。

2.5 连接型式

阀门的连接形式取决于管道与管材专业的设计要求，需根据不同的管道等级选配相应的连接形式、对应的法兰连接标准、紧固件的供货方等。需注意，易燃介质的蝶阀或偏心旋转阀可以选用支耳型连接方式，但不可选用无法兰对夹式连接。如选用对焊或承插焊方式连接，则要求阀盖可拆卸或其他结构形式，便于后期运行期间的正常维护。

2.6 密封型式

以球阀为例，阀门的密封型式为软密封阀座和硬密封阀座两种，在温度和压力允许的工况下，首选软密封产品，其密封性较好，结构简单，性价比较高，但需注意满足非金属材质部分接液部件（如PTFE）的温压曲线。硬密封一般用于高温带压工况下，且阀座一般做硬化处理，阀门填料需选用柔性石墨或合适的材质，这里需注意，两片式球阀的两片阀体连接处的垫片，也会接触到介质，如项目对接液材质有要求，需注意对此部分的材质进行明确要求。相对于球阀，工艺流程中使用的蝶阀，一般分为双偏心蝶阀和三偏心蝶阀，现在的制造工艺，已经可以将蝶阀的密封等级做得很高，在大口径的管道中，蝶阀的性价比也会优于球阀，相较双偏心蝶阀，三偏心蝶阀一般应用于高温高压的工况下。而三偏心的阀座也分为全金属和金属加石墨（或其他材质）两种，需根据实际要求进行选型应用。HG的规范中开关阀的泄漏等级要求宜为ANSI V，紧密关断阀为ANSI VI，SH的规范要求开关阀泄漏等级满足API 598,GB/T 13927标准。

2.7 喷漆要求

仪表专业对阀门没有专门的喷漆要求，一般情况也不会对此制定规则，但如果项目所在地在海边或者有环境污染的地区则需特别注意，具体可参照SH/T 3022中对不同定级的环境下的涂漆要求。

3 气动开关阀执行机构及附件选型

3.1 执行机构

气动开关阀的执行机构是整个阀门的控制核心，决定了阀门动作的原则与逻辑，也是保障工艺流程正常运行的重要组成部分。

我们需要根据工艺流程确定的故障安全位置去选配对应的执行机构，主要分为FC（故障关），FO（故障开）和FL（故障保持）三种类型，在此基础上，还有故障保持趋于关型和故障保持趋于开型，这里不展开介绍，仅对常见的三种类型进行探讨。FO/FC型阀门，我们一般选用单作用弹簧气缸执行机构，要求弹簧表面做防腐处理。FL型阀门，应选用双作用气缸执行机构，并配有保障阀门保位48小时的储气罐。

执行机构的输出力矩应为阀门最大扭矩的1.5倍，至少有50%的安全系数，且执行机构应有限位保护功能，不能对阀门造成损坏。规范中还要求阀门厂家应给出阀门最大的破坏扭矩，来确认阀轴的强度。气动执行机构的尺寸应按照仪表供气的最低压力来选型。气缸的选型根据阀门的型式分为直行程气缸和角行程气缸，常见角行程的气缸根据所需扭矩的大小分齿轮齿条式气缸（小扭矩）和拨叉式气缸（大扭矩）。

阀门的行程时间也是阀门选型中需要明确的技术点，需满足安全和工艺的要求，如安全与工艺无特殊要求时，一般定义为从调控信号开始，阀门的全行程时间不应超过阀体尺寸（英寸）的3倍（秒），且不可小于阀体的尺寸。如一台3”的开关阀，阀门的全行程时间应为不大于9秒且不小于3秒。但对于紧急切断阀，阀门的最大行程时间不得超过10秒。

3.2 电磁阀

气动开关阀的执行机构动作是由电磁阀来控制的。在FC/FO阀型上应用时，一般会选用2位3通的单电控电磁阀，而FL阀型上较多的选用2位5通的双电控电磁阀。电磁阀的供电在国内一般有24V直流和220V交流两种，电磁阀的防爆等级应符合项目中爆炸危险区的划分等级，外壳防护等级不低于IP65。对于有SIL等级要求的电磁阀，则需取得对应的SIL等级证书，控制逻辑应满足GB/T 50770中的要求。

3.3 限位开关

限位开关的数量应符合项目中的要求。如工艺无特殊要求，为了经济性，一般FC/FO的阀门会设置1个限位开关，FL的阀门会设置2个限位开关。限位开关的型式分为接近干接点式和NUMAR型，限位开关的防爆等级需符合项目中爆炸危险区的划分等级，外壳防护不低于IP65，如有SIL等级要求，则也需取得对应的SIL等级证书。

3.4 过滤减压阀及气控阀

气动开关阀执行机构前端都会配有气源过滤减压阀，对供气起到过滤稳压的作用，过滤减压阀已经是很成熟的产品，选型时需注意对应的型号的调压曲线能否满足实际工况，过滤减压阀外壳是否需要特殊的防腐处理等。

对于一些需要增压的执行机构，如气缸尺寸较大或者需要快速控制时，可选配气控阀达到增压的目的。

4 气动开关阀证书的要求

气动开关阀从出厂到应用在实际项目中，除必要的出厂检验报告外，还应要求阀门具有相应的证书。

压力管道上的阀门应满足以下要求：国内产品应取得特种设备制造许可证，型式试验证书；进口产品除上述两个证书外，还需额外取得进口安全性能监督检验报告，也就是到岸监检。

有防火要求的阀门，应满足GB/T 50160的规定和工艺要求，需提交API 607或API 6FA的防火证书。

电磁阀，限位开关需提供对应的防爆等级证书，国内的CCC认证，如有SIL要求，还需提供对应的SIL等级证书。

对于有低逸散要求的阀门来说，还需取得ISO 15848的定级证书并根据国家标准GB/T 26481进行检验。

特殊情况下，根据项目及所在地政府部门不同的要求，需满足对应的要求，做对应的检验测试取得对应的报告及证书。

5 结语

气动开关阀之所以能被广泛地应用于多种工况下，具有较高的使用率，仰仗于其阀门控制原理的可靠性及经济性，在快速发展的现代化工业过程控制中，准确的阀门选型是工艺流程可以安全稳定运行的重要保障。气动开关阀的组成部件大致可以分为阀体、执行机构、阀门附件，在设计选型中，需就具体条件，逐一对各个部件进行选型确认，根据市场反馈对工艺及管材条件进行核实，并应根据国家政策对阀门做好质量管理，明确产品需求，完善做好选型流程中的每一步。

基于对气动开关阀的设计选型规范的理解，结合实际项目的设计经验，整理出此文，粗浅地就气动开关阀的选型做了一个总结，希望对同行业从业者有一定的帮助，本文中有太多未及之处，需大家共同发现，一起探讨。在科技的高速发展的当下，随着对环境、安全、质量的高要求，相信将会有越来越多可靠性高、实用性强的产品出现，完善阀门的选型工作。