隔离阀——直线运动

隔离阀用于切换工艺介质、便于维护、设备拆卸和停机。本教程研究了闸阀、截止阀、活塞阀和隔膜阀的操作、应用和构造。

隔离阀——直线运动

隔离阀是任何流体系统中的关键组件，因为它们用于阻止流体流入系统的特定区域。它们有时也用于手动控制流体的流动。欧洲标准EN 736-1:1995对隔离阀、调节阀和控制阀进行了如下区分：

• 隔离阀——仅设计在关闭或全开位置使用的阀门。
• 调节阀——设计在关闭和全开之间任何位置使用的阀门。
• 控制阀——在过程控制系统中改变流体流量的动力驱动装置。 隔离阀广泛应用于需要开/关型控制的各种不同场合，包括：
• 切换工艺介质。
• 流量隔离以：
• 便于维护
• 允许设备拆卸
• 允许设备停机

已经开发了大量不同类型和设计的隔离阀，以满足这些应用范围及其使用中多样化的操作条件。 阀门通常根据关闭装置（或阀芯）的操作运动分为两组（见表12.1.1）：

• 直线运动阀门——阀芯沿直线运动。此类别包括闸阀、截止阀、隔膜阀和夹管阀。这些阀门在本模块中有更深入的介绍。
• 旋转运动阀门——阀芯绕垂直于流动方向的轴旋转。球阀和蝶阀是与蒸汽应用相关的两种最重要的旋转阀，在模块12.2《隔离阀——旋转运动》中有更深入的介绍。

直线运动阀门

直线运动阀门是从用于控制灌溉渠道水流的早期闸门形式发展而来的。此后，为几乎每种类型的流量应用开发了大量不同的设计和类型。虽然直线运动阀门以阀芯直线运动为特征，但流体的流动可能与此运动垂直（如闸阀的情况），或在同一方向上，如截止阀。直线运动阀门的主要特点是可以通过在螺纹阀杆上拧紧阀芯来实现紧密关闭。

闸阀

闸阀可能是当今最常用的阀门，因为它们在家用水系统中广泛使用，但应注意的是，近年来它们在工业中的受欢迎程度有所下降。然而，在需要不间断流动的场合仍然使用闸阀，因为当阀门处于开启位置时，闸板完全缩回阀帽中，产生最小的压力降。闸阀专门用于隔离应用。 闸阀由四个主要部件组成：阀体、阀帽（或盖）、闸板和阀杆。典型的闸阀如图12.1.1所示。

闸板在阀座之间滑动，沿垂直于流动的方向上升直到离开流道。闸板完全缩回阀帽中的事实确保了阀门的压力降较低。

闸阀根据闸板及其密封面的设计分为若干不同的类别。

实心楔式闸阀

闸板是楔形的，它坐落在阀体中相应的密封面上。激活螺纹的机械优势以及楔角使得能够在不需要过度手轮力的情况下施加足够的密封力来对抗流体压力。阀座有时可以涂覆PTFE以帮助实现高完整性关闭。典型的实心楔式闸阀如图12.1.1所示。

弹性楔式闸阀

虽然有几种类型的弹性楔式闸阀，但它们都使用柔性两部分阀瓣，其形状类似于非常短轴上的两个轮子。阀瓣的柔性确保了在宽温度和压力范围内的紧密密封。 蒸汽应用中最常用的弹性楔式闸阀类型是平行滑动阀。构成闸板的两个板片通过弹簧保持在阀座上，弹簧封装在它们之间。流体压力使上游阀瓣离开其阀座，力传递到下游阀瓣，从而确保紧密关闭。闸板的高度柔性允许在温度变化时膨胀和收缩，使其适用于蒸汽系统。

截止阀

截止阀构成直线运动阀门的一个主要类别；它们比闸阀更受欢迎，因为有多种配置可供选择以适应大多数应用。流体通过阀座的运动沿阀芯操作运动的纵向方向；这意味着对于入口和出口水平相对的阀门，流体必须遵循变化的路径。这种布置的主要优点是截止阀比闸阀打开更快，因为阀瓣只需从阀座移动很小的距离即可允许全流量。这在阀门频繁操作时是一个优势。缺点是流体必须改变方向，增加流动阻力并产生湍流。这导致截止阀的压力降比闸阀更高。

截止阀比闸阀更不容易泄漏，这意味着它们可以用于更高压力或更大流量的应用，例如蒸汽系统，或流体泄漏可能有危险或代价高昂的场合。截止阀相对于闸阀增加的成本因此被其提供的额外安全性和降低的流体泄漏机会所抵消。

流体作用在阀瓣面积上的压力在阀杆上产生轴向载荷。这使得关闭阀门变得困难，以至于限制了标准截止阀的尺寸为DN250。在高压差闭式系统中，可以使用平衡阀塞来克服这一影响，允许使用公称直径达500mm的阀门（图12.1.3(a)）。平衡阀塞包含一个预提升阀塞，起到导阀的作用。当阀门打开时，预提升阀塞首先打开，允许介质以受控速率通过（图12.1.3(b)）。这减少了阀门两端的压差，使阀瓣可以轻松地从阀座上抬起（图12.1.3(c)）。为了辅助阀门关闭，装有平衡阀塞的隔离阀必须反向安装，使阀塞顶部受到上游压力的作用。

活塞阀

直线运动阀门的主要缺点之一是其阀座容易受到污垢和拉丝腐蚀的损坏，因此根据应用情况可能需要定期维护。虽然这些阀座理论上可以更换，但这通常涉及大量的时间和成本，更换整个阀门通常更有利。为了克服这个问题，开发了活塞阀。 活塞阀是传统截止阀的变体，传统的阀座和锥体被活塞和灯笼衬套所取代。活塞连接到阀杆和手轮，并穿过由灯笼衬套隔开的两个密封环。组装时，两组密封环由沿阀杆施加的载荷压缩在活塞周围。上组密封环起到传统填料密封的作用，下组起到阀座的作用。此外，活塞与密封环之间的大面积密封确保了高度的关闭紧密性。 活塞阀不是为节流工况设计的，必须在全开或关闭位置使用。当阀门全开时，只有活塞的底面暴露在流体中，因为阀体的其余部分受到上组密封环的保护。这意味着密封面（活塞的侧面）受到保护，免受流体流动的侵蚀。

如果阀门需要维护，可以通过松开盖螺母并抽出活塞来轻松取出所有内部零件。然后可以使用拆卸工具取出密封环和灯笼衬套。此操作简单，无需将阀门从管道上拆下即可进行。通常，活塞永远不需要更换，但密封环在长期频繁操作后可能会磨损。

隔膜阀

隔膜阀构成直线运动阀门的第三种主要类型。阀杆用于向下推动柔性膜片，膜片随后阻止流体的通路。根据阀体几何形状，隔膜阀有两种不同的分类：

• 堰式——阀体中铸造有堰，当关闭时，膜片靠在堰上，限制流动（见图12.1.5(a)）。
• 直通式——内孔横向穿过阀体，使用楔形膜片进行封闭（见图12.1.5(b)）。

隔膜阀的主要优点是膜片将阀门的运动部件与工艺流体隔离开来。因此它们适用于处理腐蚀性流体和含有悬浮固体的流体。此外，由于阀帽组件不暴露在流体中，可以用铸铁等廉价材料制成，从而降低总体成本。新型膜片材料的发展使膜片可用于大多数流体。然而，它们的应用受限于膜片能承受的温度——通常低于175°C。隔膜阀通常用于工艺流体应用。

直线运动阀门阀杆选项

直线运动阀门有多种不同的阀杆配置可供选择：

• 升降式/非升降式阀杆——如果阀杆是升降式的，当阀门打开时它会垂直向上移动，而非升降式阀杆仅旋转。升降式阀杆指示阀门的开启程度，这大致反映了通过阀门的流量。然而，升降式阀杆的阀门需要阀帽上方更多空间以容纳全开位置的阀杆。建议在填料密封阀上使用非升降式阀杆，因为它们减少了填料的磨损。

• 内螺纹/外螺纹阀杆——在具有外螺纹的阀杆上，阀杆上的驱动螺纹位于阀体外部，不暴露于工艺流体。由于螺纹特别容易腐蚀，在具有腐蚀性或侵蚀性的流体上应始终使用外螺纹。在阀门经常暴露于大幅温度变化的情况下，外螺纹也有益，因为阀杆的膨胀和收缩可能导致阀体内螺纹的咬合。

阀杆密封

为了防止工艺介质从阀门阀杆周围泄漏，必须在流体和环境之间设置屏障。阀杆密封通常通过两种方法之一实现，即填料密封和波纹管密封。填料密封由聚合物材料（通常是PTFE）组成，紧密地填充在阀杆和阀帽之间，从而防止任何工艺介质逸出。

在波纹管密封阀中，使用柔性金属波纹管。它一端连接到阀杆，另一端连接到阀帽，有效地在流体和环境之间产生屏障。当阀杆上下移动时，波纹管伸展和收缩。波纹管非常有效，产生”零排放”密封。波纹管上装有防扭转装置，防止波纹管随阀杆旋转。这种装置是必不可少的，否则波纹管的反复扭转会导致密封失效。

虽然比波纹管密封阀成本低，但填料密封阀不能产生像波纹管那样紧密的密封。如果填料密封阀长时间不使用，填料会变硬，下次使用阀门时会发生泄漏。波纹管密封阀不存在这个问题。此外，填料密封阀需要定期重新填充填料，而典型的波纹管在超过10,000次循环中不需要维护。