氣動開關閥選型研究

王闖

（東洋工程（上海）有限公司，上海 200120）

在現代工業自動化控制系統中，化工行業氣動開關閥相應的選型規范有《SH/T 3005石油化工自動化儀表選型設計規范》，《HG/T 20507自動化儀表選型規范》等，規范中就氣動開關閥的選型都有著通用性的指導說明，可以滿足大部分的設計需求，氣動開關閥的選型涉及閥型、閥體、執行機構、閥門附件等，要做好一臺氣動開關閥完整的技術選型，需根據具體工藝流程依據選型設計規范逐步完成。在設計選型過程中，難免會遇到規范中無法完全涵蓋的設計工況，這時，則需根據工藝、管材等具體條件，進行適當的設計選型調整。

1 氣動開關閥閥型確認

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

（1）在要求密封等級較高、中高壓力的工況下，優先選用全通徑球閥。球閥的通用性好，結構簡單，流體阻力小，密封性好，操作方便，且能做到較迅速地開關，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構的蝶閥時，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的規范中，不建議使用截止閥（Globe）作為開關閥，究其原因，主要是由于其結構設計，在流體具有雜質或顆粒物時，截止閥開關的過程中，密封面有可能夾住流體中的雜質或顆粒物，造成關閉不嚴，產生泄漏，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中，需使用專用的開關閥閥型，需根據具體情況具體分析。

2 氣動開關閥閥體的選型

氣動開關閥閥體選型的確認需依據上游工藝專業及管材專業的輸入，根據實際的工藝參數、介質特性、耐壓等級、溫度范圍來確認閥體各個部件的材質與型式，同時需滿足項目所在地安監、環保等部門相應的條文要求。不同閥型的結構不同，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，閥門及配件的設計壓力不能低于管道要求的設計壓力，且按照規范要求，閥門的壓力等級不應低于PN20或ASME CL150。將壓力作為考慮的工藝因素，設計過程中，還需注意閥門填料的材質與型式，規范中，僅對填料函提出了溫度上，在介質具有毒性時的要求。根據以往項目經驗，應該存在負壓工況的閥門的填料函進行一定的要求?，F在市面上閥門的填料函普遍都是“V”型結構，或者單層或者雙層，在管道內產生負壓時，“V”型填料函有可能會因為負壓而變形甚至脫落，現在已有部分具有自主研發能力的閥門廠家對此進行優化升級，將填料函升級成能同時耐正壓和負壓工況的型式。而我們在設計選型時，應明確體現這項要求，供廠家進行型號匹配。

2.2 溫度

閥門及配件的設計溫度不得低于管材要求的設計溫度。根據規范，在-18～204℃范圍內，閥門的填料材質可選聚四氟乙烯或其改性材質；介質溫度低于-18℃或高于204℃時，應選用柔性石墨填料或其他合適材料的填料?，F階段的精細化工項目中，經常會有超高溫或超低溫的工況，但同時由于介質的特殊性，比如，一些純凈介質，或高純度氣體項目，不允許使用石墨材質的填料或閥座，擔心石墨材質會混入介質中，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API 608球閥的標準規范中，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加石墨的雙層結構，并且在填料下部設計防脫環來滿足工況。在某特種高純氣體的項目中，設計溫度是250℃，同樣不可以使用石墨材質，包括上述的PTFE加石墨雙層結構均不可以接受，這時，我們就改為了上面提到的帶波紋管的截止閥。波紋管的設計初衷是為了保證閥門的密封性，防止高毒性介質外漏而設計，這里應用的是它特殊的結構形式，將管道內純凈介質與填料徹底物理隔離的原理來滿足實際應用。

2.3 材質

閥門的材質一般是依據管材專業的要求，但作為完整的項目設計，儀表專業同樣需要對閥門材質的耐腐蝕性有準確的理解，才能提出明確的要求。閥體的材質不得低于相應的管道材質，閥芯材質應做到不低于閥體材質。閥蓋及用于閥門本體的支架、螺栓螺母等需與閥體材質保持一致。規范中明確要求，不得使用石棉或層壓石棉作為閥門填料和墊片的材質。

2.4 結構

在進出口總管上的開關閥，應保證具有雙向密封性的閥內件。閥芯應由整塊金屬加工或鍛造而成，閥桿應裝有防吹出裝置。根據介質溫度，上閥蓋的結構分為普通型、長頸型、延伸性帶散熱片型，設計時，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，避免在現場施工時發生保溫層厚度高于支架高度，執行機構無法安裝的問題。

2.5 連接型式

閥門的連接形式取決于管道與管材專業的設計要求，需根據不同的管道等級選配相應的連接形式、對應的法蘭連接標準、緊固件的供貨方等。需注意，易燃介質的蝶閥或偏心旋轉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構形式，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，首選軟密封產品，其密封性較好，結構簡單，性價比較高，但需注意滿足非金屬材質部分接液部件（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，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，如項目對接液材質有要求，需注意對此部分的材質進行明確要求。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，現在的制造工藝，已經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于球閥，相較雙偏心蝶閥，三偏心蝶閥一般應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）兩種，需根據實際要求進行選型應用。HG的規范中開關閥的泄漏等級要求宜為ANSI V，緊密關斷閥為ANSI VI，SH的規范要求開關閥泄漏等級滿足API 598,GB/T 13927標準。

2.7 噴漆要求

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

3 氣動開關閥執行機構及附件選型

3.1 執行機構

氣動開關閥的執行機構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。

我們需要根據工藝流程確定的故障安全位置去選配對應的執行機構，主要分為FC（故障關），FO（故障開）和FL（故障保持）三種類型，在此基礎上，還有故障保持趨于關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行機構，要求彈簧表面做防腐處理。FL型閥門，應選用雙作用氣缸執行機構，并配有保障閥門保位48小時的儲氣罐。

執行機構的輸出力矩應為閥門最大扭矩的1.5倍，至少有50%的安全系數，且執行機構應有限位保護功能，不能對閥門造成損壞。規范中還要求閥門廠家應給出閥門最大的破壞扭矩，來確認閥軸的強度。氣動執行機構的尺寸應按照儀表供氣的最低壓力來選型。氣缸的選型根據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，一般定義為從調控信號開始，閥門的全行程時間不應超過閥體尺寸（英寸）的3倍（秒），且不可小于閥體的尺寸。如一臺3”的開關閥，閥門的全行程時間應為不大于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

氣動開關閥的執行機構動作是由電磁閥來控制的。在FC/FO閥型上應用時，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一般有24V直流和220V交流兩種，電磁閥的防爆等級應符合項目中爆炸危險區的劃分等級，外殼防護等級不低于IP65。對于有SIL等級要求的電磁閥，則需取得對應的SIL等級證書，控制邏輯應滿足GB/T 50770中的要求。

3.3 限位開關

限位開關的數量應符合項目中的要求。如工藝無特殊要求，為了經濟性，一般FC/FO的閥門會設置1個限位開關，FL的閥門會設置2個限位開關。限位開關的型式分為接近干接點式和NUMAR型，限位開關的防爆等級需符合項目中爆炸危險區的劃分等級，外殼防護不低于IP65，如有SIL等級要求，則也需取得對應的SIL等級證書。

3.4 過濾減壓閥及氣控閥

氣動開關閥執行機構前端都會配有氣源過濾減壓閥，對供氣起到過濾穩壓的作用，過濾減壓閥已經是很成熟的產品，選型時需注意對應的型號的調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行機構，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 氣動開關閥證書的要求

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

壓力管道上的閥門應滿足以下要求：國內產品應取得特種設備制造許可證，型式試驗證書；進口產品除上述兩個證書外，還需額外取得進口安全性能監督檢驗報告，也就是到岸監檢。

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

電磁閥，限位開關需提供對應的防爆等級證書，國內的CCC認證，如有SIL要求，還需提供對應的SIL等級證書。

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

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

5 結語

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

基于對氣動開關閥的設計選型規范的理解，結合實際項目的設計經驗，整理出此文，粗淺地就氣動開關閥的選型做了一個總結，希望對同行業從業者有一定的幫助，本文中有太多未及之處，需大家共同發現，一起探討。在科技的高速發展的當下，隨著對環境、安全、質量的高要求，相信將會有越來越多可靠性高、實用性強的產品出現，完善閥門的選型工作。