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1.3.9.3 常用阀门及其他管件的选择

管道系统中,除管材以外,还包括各种管件。其中最主要的是阀门,它在管路中用于调节流量、切断或切换管路以及对管路起安全控制作用。其他管件主要有连接件、分流件、过滤器和盲板等。

阀门的种类繁多,根据阀门在管路中的作用不同,可分为切断阀、节流阀、止回阀、安全阀、阻气排水阀等;根据阀门的结构形式不同,可分为截止阀、闸板阀、旋塞阀、柱塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、衬里阀等;依制作阀门的材料不同,又可分为钢制阀、不锈钢阀、铸铁阀、铜阀、塑料阀、陶瓷阀等。

本小节主要针对食品工厂工艺上常用的阀门及其他管件的选用作简要介绍。

(1) 常用阀门的选择

①选择要素: 标准阀门的选择要素,可参照《阀门型号编制方法》(JB B08-75)或中国阀门协会CVA标准的提示,总的有七个方面。但结合食品工厂的行业特征和具体项目的生产特性,对七个要素要分别主次地加以考虑。这七个要素是:

a. 阀门类型: 这是最重要的选择要素,拟在下面第③小节专门叙述。

b. 阀门的传动方式: 阀门的传动方式有电磁传动、机械传动、气传动、液传动和电传动等。食品工厂工艺管道一般管径属中小型,工作压力属中低压,除有自动控制要求外,大部分采用人工手动。在自动化连续生产线上,常采用电磁阀和气动阀,而使用最广泛的是气动阀。

c. 阀门的连接方式: 阀门的连接方式有螺纹连接,法兰连接、焊接、对夹、卡箍、卡套等。工艺管道中的水、汽等公用介质管路阀门与管材的连接,口径小、工作压力低的,多采用圆锥管螺纹连接;口径较大和工作压力较高的,多采用法兰连接。而物料介质管路,因卫生要求高,需经常拆洗,多采用易装拆的连接方式,如圆柱管螺纹连接、卡箍连接等。一般,阀门与管材的连接很少采用焊接形式。

d. 阀门的结构型式: 阀门的结构依阀门类型的不同派生出多种多样的型式。选用何种结构,应根据流体的特性、设计的温度与压力,以及安装的场所、安装状态等确定。如选用不当,有的会影响到不能正常工作。例如止回阀,不应在水平管路上选用升降式或在垂直管路上选用旋启式。

e. 阀门的密封面材料: 这里指的是阀座密封面或衬里材料。可根据流体的性质(特别是毒性和腐蚀性)、设计温度、压力等。如选择不当,会造成介质的泄漏甚至造成安全事故。

f. 阀门的公称压力: 阀门的公称压力,在中低压范围内,其压力等级有1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa等。选用时应根据流体的工作压力、温度,从安全保障角度,并结合所属管路管材的公称压力加以考虑(需注意阀门型号中,公称压力所标的数值,其单位为kg/cm2,要换算成MPa)。

g. 阀体材料: 阀体材料有铸铁、铸钢、铜和不锈钢等,可按与所属管路管材相同或相近似的材质加以选用。

②常用阀门主要特点及适用场合: 食品工厂工艺上常用阀门有截止阀、闸阀、球阀、蝶阀、旋塞、隔膜阀、柱塞阀、减压阀、安全阀、疏水阀、调节阀等。

a. 截止阀: 截止阀结构简单,维修方便,具有调节性能。但其密封性差,流体阻力较大。适用于蒸汽、压缩空气等介质,不宜用于黏度大或含有颗粒的介质。

b. 闸阀: 闸阀的密封性较截止阀好,流体阻力小,具有一定的调节性。其缺点是结构较复杂,不易维修。适用于水或含有颗粒及黏性较大的液体。

c. 球阀: 结构简单、体积小、质量轻;开关迅速、操作方便、流体阻力小。缺点是制作精度要求高。适用于高压及黏度大的介质;不宜用于高温和流量调节。

d. 蝶阀: 结构简单,尺寸小,质轻,开闭迅速,具有一定的调节性能。适用于制成较大口径,用于温度小于80℃,压力小于1.0MPa的液体或气体介质。在食品工业中,由于它构造简单、易清洗,能较好满足卫生要求,常用于物料类卫生管道的卫生阀门。

e. 旋塞: 结构简单,开关迅速,阻力小,便于制成三通阀。其缺点是密封面易磨损。适用于温度和压力不高的流体,不适用于蒸汽或高温介质。

f. 隔膜阀: 其特点是介质不进入阀盖内腔,无需填料箱。其结构也简单,密封性好,阻力小。适用于含悬浮物的介质和酸性介质,不适用于有机溶剂或强氧化剂介质。

g. 柱塞阀: 是一种新型结构阀门,柱塞与密封圈之间采用过盈配合,通过调节阀盖上连接螺栓的压紧力,使密封圈上所产生的径向分力大于流体的压力,从而保证了密封性,杜绝泄漏。柱塞阀结构紧凑,启闭灵活,使用寿命较长,适用于对蒸汽、凝结水等要求严密不外泄的场合。

一般使用的阀门型式可见表1-72。

表1-72 阀门型式

流体名称 管道材料 操作压力

/MPa

连接方式 阀门型式 推荐阀门型号 保温方式
支管 主管
上 水 镀锌焊接钢管 0.1~0.4 ≤DN50,螺纹连接;

≥DN65,法兰连接

≤DN50,球阀;

≥DN65,蝶阀

蝶阀 Q11F-1.6(C)

DTD71F-1.6(C)

 
清下水 焊接钢管 0.1~0.3 闸阀 Q41F-1.6(C)
生产污水 焊接钢管,铸

铁管

常压 承插,法兰,

焊接

  根据污水

性质定

热 水 镀锌焊接钢管 0.1~0.3 法兰,焊接,螺纹 球阀 球阀 Q11F-1.6

Q41F-1.6

岩棉、矿物

棉,硅酸铝纤

维玻璃棉

热回水 镀锌焊接钢管 0.1~0.3
自来水 镀锌焊接钢管 0.1~0.3 螺纹  
冷凝水 焊接钢管 0.1~0.8 法兰,焊接 截止阀

柱塞阀

  J41T-1.6

U41S-1.6(C)

 
蒸馏水 无毒PVC、

PE、ABS管,玻

璃管,不锈钢管

(有保温要求)

0.1~0.8 法兰,卡箍 球阀   Q41F-1.6(C)
蒸 汽 3in以下,焊

接钢管;

3in以上,无

缝钢管

0.1~0.2 法兰,焊接 柱塞阀 柱塞阀 U41S-1.6(C) 岩棉、矿物

棉,硅酸铝纤

维玻璃棉

3in以下,焊

接钢管;

3in以上,无

缝钢管

0.1~0.4 法兰,焊接
3in以下,焊

接钢管;

3in以上,无

缝钢管

0.1~0 6 法兰,焊接

续表

流体名称 管道材料 操作压力

/MPa

连接方式 阀门型式 推荐阀门型号 保温方式
支管 主管
压缩空气 镀锌焊接钢

管;

不锈钢管

0.1~1.5 法兰,焊接 球阀 球阀 Q41F-1.6(C)  
惰性气体 不锈钢管 0.1~1.0 法兰,焊接
真空

排气

不锈钢管或

镀锌焊接钢管

真空

常压

法兰,焊接

法兰,焊接

盐水 无缝钢管 0.3~0.5 法兰,焊接 软木,矿渣

棉、泡沫聚苯

乙烯,聚氨酯

回盐水 0.3~0.5 法兰,焊接
酸性下水 陶瓷管、衬胶

管、硬聚氯乙烯

常压 承插,法兰
PVC、衬胶  
碱性下水 无缝钢管 常压 法兰、焊接 Q41F-1.6(C)
生产物料 按生产性质

选择管材

           
气体(暂时

通过)

橡胶管 <1.0          
液体(暂时

通过)

橡胶管 <0.25          

注: (1) “焊接钢管”系GB/T 3091-2001《低压流体输送用焊接钢管》的简称;

(2) 截止阀将逐步由球阀取代。操作温度在100℃以下的蒸馏水、盐水(回盐水)及碱液尽量选用Q11F-1.6或Q41F-1.6,蒸汽尽量选用U41S-1.6(C)。

③ 若干类阀门的选择及计算

a. 调节阀: 调节阀不属于《阀门型号编制方法》中的阀门类型范围,而属于更高的层次,是生产过程自动控制系统的重要组成部分。

调节阀的选用,在设计工作中,由仪表自控专业承担。但控制点、控制要求以及相关的原始资料均需由工艺专业提出,故调节阀的选用,工艺专业也应参与。

调节阀的口径计算,其精确计算,应根据工艺参数,先用Masoneilan公式算出工况所需流量变数Cv值,然后取Cv值的1.2~1.4倍作为阀的额定流量(上述计算此处从略)。

调节阀在工作时,其开度范围大致如下:

最大开度: 70%~90%常用开度: 40%~70%

最小开度: 10%

流速:非压缩性流体,口径<DN50,为10m/s,口径=DN65~DN150,为8m/s;压缩性流体,其出口流速不应超过音速,且进口流速应在100m/s以内。

接管直径: 调节阀口径可以比接管直径小两个规格。例如接管直径为6in时,调节阀口径可以小至4in。

阀体材料: 应等同于或优于接管材料。

阀内件材料: 由于流体通过阀芯和阀座时产生节流,流速很高,对阀内件的磨损和腐蚀增加,故应采用比阀体材料有更高硬度或耐蚀性的材料。

噪音: 在自控系统中,调节阀是最大的噪声源,应尽可能采用低噪音结构。

b. 安全阀: 这里所提到的安全阀是指工艺管路系统(包括管路、空压贮气罐、蒸汽分汽缸等)作为超压保护的安全装置。

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:

排放气体或蒸汽时,选用全启式弹簧安全阀。

排放液体时,选用全启式或微启式弹簧安全阀。

排放水蒸气或空气时,可选用带扳手的安全阀。

对设定压力大于3MPa,温度超过23.5℃的气体,选用带散热片的安全阀。

排放介质允许泄至大气的,选用开式阀帽安全阀,不允许泄至大气的,选用闭式阀帽安全阀。

排放有剧毒、强腐蚀、有极度危险的介质,选用波纹管安全阀。

形式确定后,确定安全阀的规格,内容包括三个方面:

首先确定安全阀的公称压力,应根据阀门材料、工作温度和最大工作压力选用公称压力。

其次确定工作压力级。弹簧安全阀的每一根弹簧只能在一定的压力范围内工作,超出该范围就要另换弹簧。同一公称压力的弹簧安全阀可划分为多个不同的工作压力级,例如公称压力为1.6MPa的安全阀可分为13个工作压力级。选用时,应根据所需开启压力值,确定安全阀的工作压力级。

第三是要确定安全阀的排量(或流道面积),进而确定阀的口径。需要注意的是,计算公式多采用实验所得的经验公式,不同的介质(如饱和蒸汽、过热蒸汽、液体、空气或其他气体等)和不同形式的安全阀,有相对应的不同的计算公式,例如饱和蒸汽若采用全启式安全阀,选用公式为:

式中 qs——额定排量,kg/h

   A——流道面积,mm2

   pd——排放压力,MPa,(pd=p+0.1p+0.1,p为饱和蒸汽压力)

   d0——安全阀阀座喉径,mm

但若采用微启式安全阀,计算公式则为:

式中 h——阀门开启高度,h=0.05d0

   ps——p×(10+1)

安全阀公称通径计算示例如下:

例题: 0.8MPa的饱和蒸汽以1200kg/h的流量送入车间,经减压装置后降为0.3MPa的压力供车间各设备使用,求减压阀后应设多大直径的安全阀?

解: 若采用微启式安全阀,计算公式为

然后,以求得之d0,查找国产安全阀公称通径DN与阀座喉径对照表(见表1-73),选用公称压力1.6,DN50微启式安全阀,其喉径d0为40,与计算结果接近。另外,其工作压力级选0.3~0.4MPa即可。

表1-73 国产安全阀公称通径DN与阀座喉径d0对照表

c. 减压阀的选用和计算

减压阀种类有活塞式、薄膜式、波纹管式等。活塞式使用最为广泛,适用于公称压力1.6~6.3MPa,温度≤70℃的水和空气以及温度≤400℃的蒸汽管道。规格的选用需通过计算,主要根据工艺流量,阀前、阀后压力及阀前流体温度等来确定阀孔面积,据此选择减压阀的规格。

第一步是减压阀理论流量的计算,有两种情况:

(饱和蒸汽的临界压力比值),用下式计算:

,则用下式计算:

第二步求减压阀的实际流量:

q=μG

最后求得减压阀所需的阀孔面积:

上述各式中 p2——阀后流体压力(绝压),MPa

      p1——阀前流体压力(绝压),MPa

      K——流体绝热系数。饱和蒸汽K=1.135

      G——减压阀每平方厘米阀孔截面的理论流量,kg/(cm2·h)

      v1——阀前流体比体积,m3/kg或106cm3/kg

      μ——阀孔流量系数,可取0.45~0.6

      q——减压阀每平方厘米阀孔截面的实际流量,kg/(cm2·h)

      A——减压阀孔计算截面,cm2

      Q——工艺要求的减压阀流量,kg/h

d. 疏水阀的选用

疏水阀的作用是自动排泄蒸汽管道或加热设备中不断产生的凝结水、空气及其他不凝性气体,同时又阻止蒸汽的逸出,故又称阻汽排水器。

选用疏水阀,主要依据凝结水量、蒸汽温度和压力、凝结水回收系统的最高压力、蒸汽加热设备或管道的操作特点(连续或间歇)、疏水阀安装位置等。

对疏水阀的具体要求有: 能及时排除凝结水;尽量减少蒸汽的泄漏;动作压力范围大,即压力变化后不影响疏水;对背压影响小;能自动排除空气;动作敏感、可靠、噪声小;安装方便、维护容易;外形小、质量轻、价格便宜。

常用的疏水阀有倒吊桶式、杠杆浮球式、自由浮球式、圆板双金属式和圆盘式等。它们各有特点和相应的适用范围:

倒吊桶式、杠杆浮球式和自由浮球式疏水阀属于机械型疏水阀,主要是利用蒸汽和凝结水的密度差的原理工作。此类疏水阀具有排除空气能力强、排液能力大,能连续排水、漏汽量小等特点,适用于蒸汽用量较大的加热设备疏水,适宜安装于水平管道上。

圆板双金属式疏水阀属热静力型疏水阀,利用感温体双金属圆板因凝结水温变化而产生凹凸弯曲来启闭疏水阀。此种疏水阀排量大、体积小、动作噪声小,多用于蒸汽伴热管和采暖管道的疏水。

圆盘式疏水阀属于热动力型疏水阀,它利用蒸汽和凝结水的温度不同使变压室内的压力发生变化来启闭阀门。它结构简单、体积小,维修方便,但空气流入后就不能动作,动作噪声也大,不能在低压(0.03MPa以下)使用,蒸汽有泄漏,不适用于大排水量。

选用疏水阀时,对排水量一项要引入“最大排水量”的概念。这是因为阀门产品标出的排水量指标是按连续排水测得的,而在生产实践中,设备或管道供汽初期会发生疏水阀超负荷现象。因此,必须考虑将计算出来的设备或管道凝结水排量乘上一个安全系数。根据食品加工的设备情况,疏水阀安全系数n的推荐值为n=2~3。另外,在选用疏水阀产品时,应选择符合国家标准和CVA标准的优质节能产品,这种产品在疏水阀代号S之前,都冠以“C”字代号。

④物料管路常用的卫生阀门简介

在“工艺管路”所包含的各种管道中,大体上可按介质的属性分成两类,一类为公用介质管路,另一类为物料管路。食品工厂中的物料,大都是食品原、辅材料或成品半成品,卫生要求很高,用于输送的管材和管件应采用食品工业用不锈钢。国际上在1980年即颁布施行了国际标准:ISO2037-1980《金属管与配件——食品工业用不锈钢管》,我国也在1989年颁行了国家标准:GB 12075-1989《食品工业用不锈钢管与配件——不锈钢管》。但在配套阀门方面,目前尚未有国家标准或行业标准。20世纪90年代起,为了填补缺门,一些部门和企业开发和生产了与之配套的阀门及其他管件。或因国家标准中食品工业用不锈钢管的规格系列属于薄壁轻型系列,故这些产品多冠以轻便、卫生之名,并在产品型号编制中以“W”开头。

a. 产品种类

手动型: 有轻便式卫生蝶阀、对夹式卫生蝶阀、三块式卫生球阀、法兰式卫生球阀、轻便式卫生球阀、卫生直流式截止阀、卫生截止阀、卫生止回阀、卫生采样阀等。

气动型: 有气动卫生蝶阀、气动球阀。

电动型: 有电动卫生蝶阀、电动球阀。

b. 产品的规格趋向

阀门卫生质量高: 全部钢件采用耐酸不锈钢,密封件采用食品橡胶或聚四氟乙烯。加工精密光洁,满足食品卫生要求。

连接方式多样: 有内螺纹、外螺纹(均为圆牙螺纹)、法兰式、焊接式、对夹式、卡箍式等。

制造标准多样: 既有按GB12075食品工业用不锈钢管国家标准配套的,也生产可与ISO2037国际标准、IDF欧洲标准、DIN德国标准、3A美国标准配套的产品。产品可代替进口,也可出口外销。

规格系列适中,贴近市场需求: 阀门的口径从DN25至DN150共九个规格,均为市场需求量大的热门规格,广泛适用于食品,饮料、啤酒、乳品、香料、味精、保健食品、化妆品等行业。阀门的额定工作压力为1.0MPa,亦符合这些行业的生产需求。

(2) 其他管件的选择 其他管件种类繁多,主要有管路连接件、活接头、管接头、丝堵、钢制管件、冲压管件、不锈钢卫生管件、卡箍、管道过滤器、汽水混合器以及各种管法兰等。其中一些比较重要的管件如不锈钢卫生管件、钢制管件、管道过滤器以及法兰的选用要以设计人员为主,其他次要管件一般由施工单位选择。

选用时,主要注意所选的管件应与主体管道和阀门在材质、采用标准以及装接尺寸等方面要协调一致。

①材质协调: 选用管件的材质,应等同于或优于主管道材质。

②采用标准协调: 先要弄清主体管道和阀门是采用什么标准制造的,是国家标准还是国际或其他国家的标准。有些管件有多种标准,如不锈钢卫生阀门,有GB、ISO、IDF、DIN、3A等,管道用法兰的标准除GB、ISO以外,我国标准还有HG(化工行业标准)、SH(石油化工标准)等。选用管件所属标准应与相关连接体的所属标准相一致。

③装接尺寸协调:分清公制还是英制,辨别螺纹型式、法兰端面构造等,做到相互协调。