隔离阀——旋转运动

隔离阀用于切换工艺介质、便于维护、设备拆卸和停机。本教程介绍了旋转运动（四分之一回转）阀门的操作、应用和构造，包括球阀和蝶阀。

旋转运动阀门，通常称为四分之一回转阀门，包括球阀和蝶阀。无论旋转运动阀门的类型如何，阀芯都绕垂直于流动方向的轴旋转。流体可能穿过阀芯（如球阀的情况），或绕过阀芯（如蝶阀的情况）。旋转运动阀门往往具有简单的操作机构，因此易于自动化和维护。

球阀

球阀在第二次世界大战期间开发，最初用于飞机燃油系统，因为在这些系统中重量和空间至关重要。它们由一个阀体组成，阀体内装有一个旋转球体，球体上直接加工有孔口或内孔。球体通过两个密封环定位在阀体内。 球体旋转90°即可打开和关闭阀门，允许流体直接通过孔口。在关闭位置，球体的空白面阻挡入口和出口，阻止任何流动。球阀有两种基本设计——浮动球设计，依靠阀座支撑球体，以及耳轴安装球阀，使用耳轴支撑球体。耳轴安装用于较大的阀门，因为它可以将操作扭矩降低到浮动球所提供扭矩的大约三分之二。 通常，当阀门打开时，连接到球体的把手与管道轴线对齐；相反，如果它与管道轴线成直角，则表示阀门已关闭。

球阀有缩径或全径可供选择。全径阀的孔口与管道直径相同，而缩径阀的孔口直径小于管道直径。全径阀比缩径阀成本更高，应使用在阀门压力降至关重要或球阀用于流量计上游的场合。

全径阀可用于流量计应用，以尽量减少测量装置上游的流体湍流。 为了将球体装入阀体，存在三种不同类型的组装方式。类型不仅影响组装的便捷性，还影响阀门的可维护性。

• 两件式和三件式阀门——阀体在与阀法兰相同的平面上分成一处或两处，这些部件通过螺栓连接在一起。这具有简化在线维护的优势。
• 顶装式阀门——球体通过阀体顶部的阀帽插入。这便于在线维护。
• 单件式阀门——球体由沿阀轴线安装的嵌件封闭在阀体内。这消除了阀体接头泄漏和在使用过程中断开的可能性，但当需要维护时，整个阀门必须从管道上拆下。

阀座材料的选择决定了特定球阀最适合的条件。虽然新的阀座材料不断被开发，但表12.2.1列出了一些当今更常用的材料。

表12.2.1 常用球阀阀座材料

球阀选项

球阀可以生产多种选项以满足各种应用的需求：

• 执行器——球阀以及所有旋转阀都适合自动化。这通常通过使用电动或气动执行器来实现。执行器通过连接套件连接到阀门。虽然不是必需的，但ISO标准安装垫可以在不拆卸阀门的情况下安装连接套件，从而保持阀门的完整性。有关执行器的更多信息，请参阅模块6.6。
• 防火安全型——由于球阀通常用于天然气和石油管道，因此在此类应用中使用的阀门必须具有防火安全性。当暴露于火灾条件时，如果阀门继续通过阀座和阀杆提供最小泄漏，并在火灾期间或暴露于过高温度后提供有效关闭，则该阀门被认为是防火安全的。与消防安全相关的标准在BS 6755和API RP 6FA中规定。 主要关注点是燃烧温度会破坏软阀座和密封件；已经开发了多种方法来克服这一问题。一种方法是在聚合物阀座后面包含二次金属密封面，作为阀体的组成部分。当暴露于燃烧温度时，阀座开始变形，工艺介质的压力使球体位移，从而挤出聚合物阀座（图12.2.3(b)）。当阀座被完全破坏时，球体将靠在阀体金属密封面上，提供紧密关闭（图12.2.3(c)）。

除了阀座机构的固有安全性外，阀杆密封还必须能够在”火灾”条件下防止向大气泄漏。这可以通过使用由柔性石墨或Grafoil®制成的高温密封件来实现；或者，可以使用波纹管密封结构（见图12.2.4）。

• 洁净蒸汽阀门——存在许多要求阀门具有”洁净”设计的应用；这些包括蒸汽直接注入产品的蒸汽应用以及生物技术、食品和电子工业中的工艺流体管路。此类应用的主要关注点是阀体和球体之间的空间；工艺流体可能积聚在这些空间中，导致污染和腐蚀。这可以通过在这些空间中插入腔体填充物来克服。腔体填充物可以是阀座的组成部分或阀门组件中的单独部件。此外，用于洁净蒸汽应用的球阀应由不锈钢制成，具有良好的表面光洁度（建议Ra小于81微米）。
• 节流应用——当球阀用于节流应用时，高速流动可能冲击球体和密封件的局部区域，导致阀座材料过早劣化。标准设计的球阀用于节流需要进行修改；包括使用金属阀座、硬质涂层，有时还需要修改球体以提供特性化的流动模式。

蝶阀

虽然蝶阀有许多不同的设计，但它们都由一个在与流体流动方向成直角的轴上旋转的圆盘组成。当打开时，圆盘与流动方向平行，流体绕过它，提供有限的阻力。在关闭位置，圆盘旋转到阀体中的阀座上。 蝶阀通常占用的空间不超过一对管道法兰，因此在空间有限的情况下是球阀的有吸引力的替代品。事实上，一些蝶阀专门设计用于插入管道法兰之间，这些被称为对夹式蝶阀。

蝶阀的主要缺点是关闭不如其他阀门类型紧密。这可以通过偏移圆盘的旋转轴线和使用压力辅助阀座来在一定程度上缓解。通过使用偏移的旋转轴线，产生”凸轮”动作，这意味着圆盘在最后几度关闭过程中与阀座形成紧密密封。这些高性能或偏心型蝶阀具有改进的关闭能力，其设计使其可用于节流。

对于蒸汽应用，蝶阀已在很大程度上被球阀所取代。蝶阀更常用于液体系统或空间有限的场合。蝶阀的紧凑性意味着需要更少的材料，因此当应用规定使用昂贵材料时（例如，在规定使用镍的海水应用中），它们是理想的。

隔离阀的选型和尺寸确定

工艺流体必须完全包含在适当设计的管道系统中，以避免危及人员和环境，以及流体本身的污染。管道系统可能有许多潜在的泄漏路径，如管道接头、焊缝、设备连接以及最重要的阀门。如果阀门选择不当或设计制造不良，它们可能是导致设备问题的最大原因之一。此外，如果正确选择用于特定应用且维护得当，阀门应至少与设备使用寿命相当。 当为特定应用选择隔离阀时，需要考虑若干因素；如表12.2.2所示，以及受影响的阀门选择参数。

表12.2.2 影响隔离阀选择的因素

表12.2.3总结了不同类型隔离阀的主要特性。

表12.2.3 隔离阀的典型尺寸和操作范围

1 注：DN150口径阀门通过24 bar饱和蒸汽、流速40 m/s时的典型值。 表12.2.4总结了当今使用的最常见的隔离阀类型的应用。

表12.2.4 隔离阀类型的应用

表12.2.5是用于蒸汽和冷凝水特定应用的隔离阀选型的通用指南。应注意，隔离阀的选择是主观的，不同行业和不同地理区域有其独特的偏好。

表12.2.5 蒸汽/冷凝水隔离用途的阀门选型 注： 在本表中，波纹管密封指的是波纹管密封截止阀，截止阀指的是标准填料密封截止阀。

一旦选择了最合适的阀门类型，就需要选择正确的尺寸。阀门通常根据管道尺寸确定尺寸。但是，建议检查阀门（全开时）的压力降是否在可接受范围内。压力降是阀门流量系数（或Kvs值）、流量和入口压力的函数。规格表通常包含阀门全开时的Kvs值数据。

了解典型工作压力和质量流量后，可以确定所选阀门的压力降。或者，如果已知最大可接受压力降，可以选择合适的阀门尺寸。虽然有许多公式和图表可用于预测流量和压力降之间的关系，但以下简化经验公式（公式3.21.1）对蒸汽产生可靠结果，因此被广泛使用：

该公式构成图12.2.7所示图表的基础，该图表首次在第3章模块21中介绍。

如果隔离阀用于液体系统，阀门的压力降使用以下公式确定：