化工设计中特殊阀门的选用说明

金凤凰

在流体管道系统中，阀门是控制元件，其主要功能为启闭、节流、调节流量、隔离设备和管道系统、防止介质倒流、调节和排泄压力等。阀门种类多、品种复杂，其中常用的阀门有闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、蝶阀、球阀、止回阀、隔膜阀等，特殊阀门有疏水阀、安全阀及减压阀等。随着石油化工工业的迅速发展，石油化工生产装置中的介质大多具有毒性大、可燃、易爆和腐蚀性强的特点，运行工况较复杂苛刻，操作温度和压力较高，开工周期长，阀门一旦出现故障，轻者导致介质泄漏，既污染环境又造成经济损失，重者导致装置停工停产，甚至造成恶性事故。选择合适的阀门至关重要，特殊阀门的选择在管路设计中尤为重要。

    1 安全阀及其选型方法

    安全阀是一种安全保护用自动阀门，牵涉到人身安全。它不借助任何外力而是利用介质本身的力来排出一定数量的流体，以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力降低到规定值时，阀门及时关闭，从而保护设备或管路的安全运行。

    安全阀在最不利的因素下设计考虑。下列情况可能由于火灾、操作故障或停水、停电等造成设备或管道超过设计压力而发生爆炸事故，应设置安全阀（或采取其它安全措施）：

    ① 容积式泵和压缩机的出口管路；
    ② 在两端有可能关闭，而导致升压的液化烃管管道上；
    ③ 可燃气体和可燃液体受热膨胀可能超过设计压力的管道；
    ④ 设计压力小于压力来源处的压力容器及管道；
    ⑤ 凝气透平机的蒸汽出口管道；
    ⑥ 所有的压力容器都需要设置泄压设施。

    1.1　安全阀的分类
    安全阀按不同方法的分类如下：
    ① 按其整体结构及加载机构的不同可分为杠杆重锤式（通常用于较低压力，一般安装在设备上）、弹簧式和控制式；
    ② 按阀瓣开启高度与阀流通直径之比可分为微启式、中启式和全启式安全阀；
    ③ 按气体排放的方式可分为全封闭式、半封闭式和敞开式；
    ④ 按有无背压平衡机构分为背压平衡式和常规式；
    ⑤ 按作用原理分为直接作用式和非直接作用式（包括先导式和带动力辅助装置的）。

    1.2　安全阀选型说明
    安全阀的形式和种类较多，对不同的场合，宜选用以下形式的安全阀：
    ① 排放气体或蒸汽时，选用全启式安全阀；
    ② 排放液体时，一般选用微启式安全阀；
    ③ 排放水蒸汽或空气时，可选用带扳手的安全阀；
    ④ 对设定压力大于3MPa、温度超过235℃的气体用安全阀，则应选用带散热片的安全阀，以防止泄放介质直接冲蚀弹簧；
    ⑤ 一般易燃、易爆或有毒的介质应选用封闭式，蒸汽或惰性气体等可以选用不封闭式；
    ⑥ 排放有剧毒、强腐蚀、极度危险的介质，应选用波纹管安全阀；
    ⑦ 高背压的场合，宜选用背压平衡式或导阀控制式安全阀。

    2 疏水阀及其选型方法

    疏水阀是自动排除加热设备或蒸汽管道中的蒸汽凝结水及空气等不凝气体，同时不泄漏蒸汽的一种装置。由于疏水阀具有阻汽排水的作用，可使蒸汽加热设备均匀给热，充分利用蒸汽潜热防止蒸汽管道中发生水锤。它是保证各种加热工艺设备所需温度和热量并能正常工作的一种节能产品。

    2.1 疏水阀的分类
    疏水阀的品种很多，各有不同的性能。疏水阀要能“识别”蒸汽和凝结水，才能起到阻汽排水作用。“识别”蒸汽和凝结水基于三个原理：密度差、温度差和相变。根据三个原理制造出三种类型的疏水阀：机械型、热静力型、热动力型。

    ① 机械型疏水阀也称浮子型疏水阀，是利用凝结水与蒸汽的密度差，通过凝结水液位的变化，使浮子（球状或桶状）升降带动阀瓣开启或关闭，达到阻汽排水目的。机械型疏水阀的过冷度小，不受工作压力和温度变化的影响，有水即排，加热设备内不存水，能使加热设备达到最佳换热效率。机械型疏水阀有自由浮球式、杠杆浮球式、浮桶式、倒吊桶式等；

    ② 热静力型疏水阀是利用蒸汽和凝结水的温度差引起感温元件的变型或膨胀带动阀心启闭阀门。热静力型疏水阀的过冷度较大，一般过冷度为15度到40度，它能利用凝结水中的一部分显热，阀前始终存有高温凝结水，无蒸汽泄漏，节能效果显著。热静力型疏水阀有波纹管式、蒸汽压力式或平衡压力式、双金属片式、液体膨胀式；

    ③ 热动力型疏水阀是根据相变原理，靠蒸汽和凝结水通过时的流速和体积变化的不同热力学原理，使阀片上下产生不同压差，驱动阀片开关阀门。因热动力式疏水阀的工作动力来源于蒸汽，因此蒸汽浪费较大。热动力型疏水阀分为圆盘式、脉冲式、迷宫式或微孔式。

    2.2 疏水阀选型说明
    蒸汽在输送、汽水分离、加热、干燥、保温、伴热、消毒、蒸馏、浓缩、蒸煮、换热、采暖、空调等加热工艺过程中，为保证各种设备工艺所需的温度热量，及时排出凝结水阻止蒸汽泄漏，必须安装疏水阀。对于疏水阀的选型，要求灵敏度高，准确无误地阻汽排水，不泄漏蒸汽，能提高蒸汽利用率，工作性能可靠，背压度高、使用寿命长、维修方便等条件。

    蒸汽疏水阀的选用原则：
    ① 如果要求设备有最快的加热速度，加热温度控制严，且保持在加热设备中不能积存凝结水，则应选择能排饱和水的机械型疏水阀；
    ② 如果加热设备有较大的受热面积，并不要求尽快加热，加热温度要求不严，而且可以要求积存一定量的凝结水时，选用热静力型疏水阀；
    ③ 根据使用设备排水量的多少，选用疏水阀务必考虑安全系数；
    ④ 疏水阀是以压差来确定排水量的。

    具体选用说明如下：
    ① 机械型疏水阀最大背压度为80%，工作质量高，是生产工艺加热设备最理想的疏水阀。小口径的阀灵敏度较大口径的高。除倒吊桶式疏水阀可以排除少量的冷热空气外，这类阀不排除空气。自由浮球式结构简单，灵敏度高，可排饱和水，抗水击、抗污垢能力差，适用于大口径及大排量，但制造工艺复杂。

    ② 热静力型疏水阀可装在用汽设备上部，单纯作排空气阀使用。液体膨胀式适用于要求伴热温度较低的伴热管线排凝及采暖用管线。蒸汽压力式或平衡压力式结构简单，动作灵敏，可连续排水、排空气，性能良好，漏气量小，但抗水击及抗污垢能力差，应用范围广，可作为蒸汽系统的排空气阀。波纹管式广泛用作采暖系统疏水用，也可作为蒸汽系统的排空气阀。双金属片式动作灵敏度不高，能连续排水，排水性能好，过冷度较大且可调节，从低压到高压都适用，最高使用温度可达550℃。抗污垢、抗水击性强。

    ③ 热动力型疏水阀处理凝结水的灵敏度较高，启闭件小、惯性也小、开关速度迅速。圆盘式疏水阀适用于高温高压蒸汽管线、干燥机、加热器及过热蒸汽设备等。脉冲式疏水阀背压度较低，适用于回转干燥滚筒的虹吸管排水，能排除一定量的冷热空气。迷宫式或微孔式疏水阀结构简单，能连续排水、排空气。微孔式适用于小排量，迷宫式适用于特大排量。

    2.3　疏水阀的安装要求
    热动力式疏水阀应安装在水平管道；浮球式疏水阀必须水平安装，布置在室外的应采取必要的防冻措施；双金属片式疏水阀可水平安装或直立安装；脉冲式疏水阀一般安装在水平管道上，阀盖朝上；倒吊桶式疏水阀应水平安装不可倾斜；安装疏水阀时，其本体上指示的流向箭头必须与管道内凝结水流向一致，否则疏水阀失去作用。

    3　减压阀及其选型方法

    减压阀是通过启闭件的节流，将进口压力降至某一需要的出口压力，并能在进口压力及流量变动时，利用自身介质能量保持出口压力基本不变的阀门。其作用是依靠敏感元件，如膜片、弹簧等来改变阀瓣的位置，将介质压力降低，达到减压的目的。一般情况下，减压阀的出口压力应小于0.5倍的进口压力。减压阀进口压力的波动应控制在进口压力给定值的80%～105%，如超过该范围，减压前期的性能会受影响。为了操作、调整和维修的方便，减压阀一般应安装在水平管道上。

    3.1　减压阀的分类
    减压阀可分为波纹管式（直接作用式）减压阀、活塞式减压阀、薄膜式减压阀。
    ① 波纹管式（直接作用式）减压阀。最简单的减压阀，直接作用式减压阀，带有平膜片或波纹管。独立结构，无需在下游安装外部传感线。是三种减压阀中体积最小、使用最经济的一种，专为中低流量设计。直接作用式减压阀的精确度通常为下游设定点的（+10%～-10%）；

    ② 活塞式减压阀。该类型的减压阀集两种阀%导阀和主阀于一体。导阀的设计与直接作用式减压阀类似。来自导阀的排气压力作用在活塞上，使活塞打开主阀。如果主阀较大，无法直接打开时，这种设计就会利用入口压力打开主阀。因此，这种类型的减压阀，与直接作用式减压阀相比，在相同的管道尺寸下，容量和精确度（+5%～-5%）更高。与直接作用式减压阀相同的是，减压阀内部感知压力，无须外部安装传感线；

    ③ 薄膜式减压阀。这种类型的减压阀中，双膜片代替了内导式减压阀中的活塞。这个增大的膜片面积能够打开更大的主阀，并且在相同的管道尺寸下，其容量比内导式活塞减压阀大。

    另外，膜片对压力变化更为敏感，精确度可达（+1%～-1%）。精确性更高是由于下游传感线的定位（阀的外部），其所在位置气体或液体动荡更少。该减压阀非常灵活，可以采用不同类型的导阀，如压力阀、温度阀与空气装载阀。

    3.2　减压阀选型说明
    减压阀应用范围广，在蒸汽、压缩空气、工业用气、水、油和其他液体介质的设备和管路上均可使用，具体选用说明如下：
    ① 波纹管直接作用式减压阀适用于低压、中小口径的蒸汽、空气等介质；
    ② 薄膜直接作用式减压阀适用于中低压、中小口径的蒸汽或水等介质；
    ③ 先导活塞式减压阀，适用于各种压力、各种口径、各种温度的蒸汽、空气和水介质，若用不锈耐酸钢制造，可适用于各种腐蚀性介质；
    ④ 介质工作温度较高的场合，一般选用活塞式减压阀；
    ⑤ 灵敏度要求较高时，可选用弹簧薄膜式减压阀；
    ⑥ 介质为空气或水（液体）的场合，一般选用直接作用薄膜式减压阀或先导薄膜式减压阀。

    4　结束语
    在石油、化工及其它行业的管道系统，具有安全保护作用的安全阀、具有节能作用的疏水阀和减压阀等特殊阀门的应用越来越多。阀门在运行中与企业整体效益有着十分密切的联系，阀门虽小，但与企业的生存和发展有着非常重要的因果关系；为了企业的安全生产和效益，设计人员和企业必须全方位科学的使用阀门，合理的选择阀门能够降低装置的建设费用、保证生产安全运行。

    参考文献
    [1] 中国石化集团上海工程有限公司编 化工工艺设计手册（第三版）下册[M] 北京：化学工业出版社，2007
    [2] 王怀义主编 石油化工管道安装设计便查手册（第二版）[M] 北京：中国石化出版社，2007
    [3] 张德姜，赵勇编 石油化工工艺管道设计与安装[M] 北京：中国石化出版社，2001