船用閥門設計要點綜述 *

劉興玉，趙朋舉，張 毅，原晨巖

(中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000)

0 引 言

閥門作為船用裝備中的重要壓力管道元件，其主要功能是根據(jù)需要對通過管路系統(tǒng)的介質(zhì)流量、壓力和流動方向進行調(diào)整和控制，調(diào)節(jié)過程要求其具有較好的可操作性和控制可靠性[1]。曾有人說：“操控船舶的關鍵之處是閥件”，這足以說明閥門對船舶控制的重要性[2]。閥門在船舶應用中具有種類多、用量大、要求高等特點。近年來，隨著我國船舶裝備性能總體要求的提升，船用閥門的技術要求也不斷提高，以小型化、輕量化、模塊化、信息化、智能化、高可靠性等技術為特征的新產(chǎn)品逐漸被廣泛應用，推動著我國船用閥門的持續(xù)進步。

科學合理地設計，是保證船用閥門使用可靠性的重要前提。因此，就新型船用閥門的設計要點進行簡要分析，以期對船用閥門設計者提供一定的幫助。

1 材料選用

船用閥門的鑄件和鍛件材料除了對強度、剛度、硬度等要求有較好的力學性能外，還要考慮耐海洋性氣候、甚至耐浸泡腐蝕、電偶腐蝕等綜合性能[3]。目前船用閥門按主體材料可分為鑄鐵閥門、鋼制閥門、銅合金閥門、鈦及鈦合金閥門等。通常情況下，船用閥門的選材按GB/T 600-2008中附錄A中的規(guī)定進行。

1.1 主體材料

近年來，隨著新材料、新工藝、新技術的不斷發(fā)展，新型船用閥門也提出了全壽命要求，舊的選材體系已不能滿足新型船用閥門的使用要求。設計者在進行船用銅合金閥門選材時，可考慮采用鋁青銅(ZCuAl9Mn2、ZCuAl9Fe4Ni4Mn2)、鎳鋁青銅(ASTM B148 C95800)等強度更高、耐沖刷腐蝕性能更好的材料替代傳統(tǒng)的錫青銅(ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuSn10Zn2)、硅黃銅(ZCuZn16Si4)等材料。必要時可選用鈦及鈦合金材料，但必須注意鈦及鈦合金閥門內(nèi)件材料的選擇應避免導電性腐蝕介質(zhì)所產(chǎn)生的電偶腐蝕，并防止咬合或擦傷[4]。

1.2 緊固件材料

緊固件選材除了需要考慮其強度外，還要考慮其與被連接件的材料匹配性，在選用鈦合金緊固件時還必須把其剛度作為一個重要考慮因素。

選用碳素鋼緊固件時一般要進行表面鍍鋅處理，在海水浸泡環(huán)境使用時一般采用鍍鎘處理；不銹鋼緊固件一般選用A4-70或A4-80[5]；銅合金緊固件一般選用CU4或CU7；鈦及鈦合金緊固件材料一般選用TA2、TA5、TA31。鈦及鈦合金緊固件易發(fā)生咬死現(xiàn)象，為了防止螺紋咬死，一般可通過內(nèi)外螺紋零件選用不同的材料牌號、不同的材料狀態(tài)或對緊固件進行表面處理等措施來加以解決。

1.3 密封件材料

船用閥門密封件可分為墊片類、膠圈類和填料類等。根據(jù)設計及使用工況環(huán)境要求，墊片和膠圈類常用材料有芳綸橡膠、石棉橡膠板、聚四氟乙烯、丁腈橡膠、氯丁橡膠、氟橡膠、纏繞墊片、金屬墊片等；填料常選用聚四氟乙烯組合填料、盤根填料、柔性石墨組合填料等。船用閥門密封件常用材料和選用可參閱本文參考文獻[6]～[19]或查閱相關資料。

2 方案設計

2.1 結構緊湊性要求

對設計者來說，為了給船舶提供更大的空間和負載能力，小型化和輕量化在新型船舶閥門中顯得尤為重要，即需要做到外形尺寸小、總體質(zhì)量輕的緊湊型結構設計。

緊湊型結構設計的首要工作是選擇合適的標準，明確各零部件的安全系數(shù)，制定科學的設計方案，對設計和計算過程進行迭代優(yōu)化。

通常情況下，船用閥門的設計標準和接口標準應優(yōu)先選用或參照相應的船舶行業(yè)標準；閥門結構長度按GB/T 11698-2008的規(guī)定，非標閥門結構長度應盡量采用就小原則；除非另有規(guī)定，水下閥門產(chǎn)品的設計安全系數(shù)應高于水上閥門產(chǎn)品，水下閥門承壓件的安全系數(shù)一般不小于4.0。

2.2 防外漏要求

鑒于船用閥門應用領域的特殊性，對某些系統(tǒng)而言，閥門外漏可能會對船舶設備造成災難性后果。因此，閥門外漏是船用閥門的重大禁忌。對于船用閥門而言，一般要求在設計上必須有防止閥門外漏的預案和措施。

與其它領域用閥一樣，船用閥門的外漏主要發(fā)生在閥桿、填料和填料函組成的密封副，閥體與閥蓋的連接部分或分體式閥體的連接部位。相較而言，閥桿密封副由于存在動密封，因此其外漏控制難度更大[20]。這也因此是船用閥門防外漏設計需要關注的主要因素。為了降低閥門的外漏風險，可以在以下因素中加以注意：

(1) 提高相關零件的加工精度。經(jīng)驗表明，閥門和填料函的加工精度和表面質(zhì)量對閥桿密封副的影響非常明顯。一般要求閥桿填料函處的表面粗糙度要達到Ra0.8，圓柱度達到8級要求，填料函處的表面粗糙度達到Ra3.2。同時應選擇合理的填料函底部與閥桿的配合間隙以及填料壓蓋與閥桿的配合間隙，因為合理的配合間隙既可以減小閥桿的偏移，有可有效防止填料的流失。

(2) 提高閥桿的表面耐磨性。閥門啟閉過程會造成其表面磨損，不均勻的磨損后會造成密封處的配合間隙過大，進而造成外漏風險增大。常用的提高閥桿耐磨性的措施有熱處理、滲氮、鍍合金等。一般應根據(jù)工況條件選擇合理的表面耐磨處理工藝。

(3) 選擇合適的填料形式和組合。填料的選擇視使用工況而定，但改變填料的組合形式或形狀可以提高填料的密封性能。例如，對于石墨填料，上下層常用編織石墨，中間層則用模壓石墨環(huán)的組合結構；上下層采用編織石墨可以防止填料通過閥桿與填料函的間隙漏出，而中間采用模壓石墨環(huán)則可以充分利用石墨良好的塑性和自潤滑性。當采用聚四氟乙烯填料時，可采用倒V形組合填料，借助其結構上的密封力，使得密封更可靠。

(4) 采取其它方面的措施。除了上述措施外，其它方面的防外漏措施有，在設計中盡量減少外漏點；在閥桿處增加輔助密封設計或者采取泄漏預案及措施；在填料中增設燈籠環(huán)結構；雙閥座閥門盡量采用上游密封；閥門在關閉狀態(tài)時盡量把閥桿設計在密封副的下游，以減低介質(zhì)對填料函消極影響及載荷等。

2.3 防差錯要求

產(chǎn)品差錯主要包括設計差錯、制造差錯和操作差錯，文中所述主要是設計中需要考慮的防操作差錯要求。

船用閥門不同于其它領域用閥，設計者在進行產(chǎn)品設計時應充分考慮船舶的各種緊急和惡劣工況及相應工況環(huán)境下操作閥門的船舶及人員狀態(tài)。比如，在照明條件不好時應考慮盲操閥門的可能性。CB/T 3530-93中規(guī)定了應用于船舶管路閥件不同系統(tǒng)中的手輪結構型式，有部分原因就是基于此方面的因素考慮。特別是水下工況，有些系統(tǒng)閥門的誤操作可能會對船舶和人員造成不可估量的后果。因此，重要系統(tǒng)閥門的防差錯設計必須要引起設計者足夠的重視。

2.4 結構可靠性要求

為了保證船用閥門的結構可靠性要求，設計者應在以下方面加以注意。

(1) 精簡結構。一般情況下，產(chǎn)品零部件種類和數(shù)量越多，產(chǎn)品出現(xiàn)故障的概率也隨之增大。因此，在保證閥門產(chǎn)品功能和性能的條件下，應盡量簡化結構，減少零部件數(shù)量。只有精煉的、簡單的才是設計的進步，這也理應作為設計者追求的目標。

(2) 考慮環(huán)境適應性要求。船用閥門的環(huán)境適應性一般應滿足相關環(huán)境工況標準中的規(guī)定。比如，在進行船用閥門強度計算時，應考慮產(chǎn)品的抗沖擊性能；為滿足船舶環(huán)境的抗振要求，船用閥門一般應注意防松結構設計，且通常情況下應優(yōu)先采用機械防松結構。另外，有些系統(tǒng)用閥還要考慮防火設計等。

(3) 特殊工況要求。船舶管路系統(tǒng)的關鍵部位用閥，盡量選用截止類閥門，而不推薦采用球閥類結構。為了保證閥門關閉件的密封可靠性，高壓側介質(zhì)流入方向盡量與閥門關閉件的關閉方向一致，文獻[21]-[22]中所述舌閥和CB 587-2004中的閥門結構即是此類閥門的典型案例。另外，有些船用閥門在設計時還要考慮火災或事故工況下的正常動作等。

2.5 安裝及維修工藝性要求

船用閥門的安裝及維修工藝性是設計者應考慮的重要方面，良好的安裝及維護工藝性通常要考慮以下兩個方面。

(1) 可達性要求。可達性是指手容易接近維修處，并易于觀察到維修部位[23]。鑒于船舶空間有限，一般情況下不可能給船用設備留出太好的安裝和維修位置。因此，在進行船用閥門設計時應使閥門外部接口盡量集中并布置在同一個方位上，外部接口和檢修部位應具有較好的安裝及維修可達性。

(2) 便于調(diào)整或更換。一些零件在使用過程中常會發(fā)生一些性能改變或損壞，進而影響產(chǎn)品整體性能。例如，閥桿密封采用O形圈密封出現(xiàn)因O形圈失效而發(fā)生泄漏情況則一般需要更換O形圈，閥桿密封若采用填料密封，出現(xiàn)填料磨損泄漏時一般對填料進行再次壓緊即可快速解決泄漏問題。為了便于維修，一是要盡可能采用標準件，二是要盡量采用模塊化設計，即將某一部分很容易整體拆卸，然后再換上備用單元，節(jié)省維修時間。

3 結 語

基于新型船用閥門的使用要求，對船用閥門的選材要求和設計原則進行了簡述，重點介紹了船用閥門的選材和結構設計要求，并給出了設計建議。

船用閥門在設計上有別于一般行業(yè)用閥，主要是由其特殊使用要求所決定的。因此，設計者在進行船用閥門設計前就應考慮到這一點并具有充分的認識。而不是盲目地套用一般閥門的設計規(guī)定，更不能直接采用一般閥門的結構設計，否則將可能產(chǎn)生極大的質(zhì)量風險和安全隱患。