空分设备用特殊控制阀结构特点和性能分析 王凯 摘要：简介空分设备用控制阀分类，分析分子筛纯化系统三杆阀、高压差控制阀和氧介质控 制阀等空分设备用特殊控制阀的结构特点和性能。 关键词：空分设备；三杆阀；高压差控制阀；氧介质控制阀；低温阀；结构；性能 Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｗａｎｇ Ｋａｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｉｓ ｂｒｉｅｆｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｔｒｉｐｌｅ ｒｏｄ ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｘｙｇｅｎ ｍｅｄｉｕｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ；Ｔｒｉｐｌｅ ｒｏｄ ｖａｌｖｅ；Ｈｉｇｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｌ ａｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ；Ｏｘｙｇｅｎ ｍｅｄｉｕｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ；Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｖａｌｖｅ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 前言 空分设备中用到截止阀、球阀、蝶阀等各种类型的控制阀，每种类型的控制阀具有不同的结构、材 质等特点。一套空分设备上安装的控制阀１００多台，流程不同，数量也不同。 现在，笔者结合各个生产厂家控制阀的配套实践，简述空分设备配套控制阀的结构特点和性能。控 制阀的图片大多来自各生产厂家的样本及介绍资料。 １空分设备用控制阀分类 空分设备用控制阀按照结构形式主要分为截止阀、蝶阀、球阀和三杆阀。截止阀根据结构不同，又 可以分为单座、套筒、角式等各种不同形式。蝶阀根据结构不同，主要有单偏心、双偏心（高性能）、三 偏心等形式。根据安装位置可以分为冷箱外常温控制阀和冷箱内低温控制阀。 深冷法空分设备利用低温精馏原理，精馏用塔器、管道、控制阀都封闭在充满保温材料（珠光砂） 的冷箱内，因此冷箱内低温阀有其特殊性。冷箱内控制阀通常采用焊接型，阀体材质一般为铝或不锈钢。 为了冷箱内布管、布线方便，通常会采用角式阀。考虑到检、维修方便，冷箱内低温阀需要能够在冷箱 外拆卸检修，拆卸方式一般采用在线抽芯式（如图１所示）或设置保温桶式（如图２所示）。在线抽芯式 和设置保温桶式的区别在于可拆卸的上阀盖位置，前一种在冷箱外，直接在冷箱外打开上阀盖就可以将 阀芯外抽检修；后一种在冷箱内的保温桶内，需要在保温桶内拆开检修。目前国内控制阀生产厂家基本采 ｌＩ — ｌ ●‘ ／ 保温桶 ；！！！！！ 图１ 冷箱内低温阀在线抽芯式拆卸方式 图２冷箱内低温阀设置保温桶式拆卸方式 用设置保温桶式，国外控制阀生产厂家则大多采用在线抽芯式。 ２特殊控制阀 ２．１ 分子筛纯化系统切换阀 阀杆 空分设备分子筛纯化系统切换阀主要使用蝶阀和三杆阀。 为了避免切换阀误打开对分子筛床层造成的冲击破坏（径向流 分子筛吸附器尤其容易被破坏），三杆阀这种具有特殊三连杆 结构（如图３所示）的阀门比较适合用在这种场合Ｈ】。 三杆阀开启初始，阀板先平移，在达到一定距离后开始翻 转，完成阀板垂直到水平方向的开启过程。密封摩擦小，一般 会设定在阀前后压差大于几十干帕阀门无法开启。三杆阀基本 结构有长杆型（如图４所示）和短杆型（如图５所示）２种， 长杆型力矩比短杆型大，特大型空分设备配套的大口径阀门目 前都采用短杆型结构。 ２．２高压差控制阀 ～… 一 主动杆 阀板 图３三杆阀连杆结构示意图 空分设备还配套有介质是气体的高压差控制阀，如压缩机 放空阀、产品高压氧气／氮气放空阀等；也有介质是低温液体的高压差控制阀，如液空节流阀、液氧／液 氮泵回流阀等。目前给煤化工项目配套的空分设备的产品最高压力近１０ ＭＰａ（Ｇ，下同），高压差产生高 流速导致阀门振动和噪声大，各阀门生产厂家采用各种降压结构（如图６所示），有的采用阀芯打孑Ｌ，有 的采用笼式套筒阀内件。介质是低温液体的高压差控制阀，低温液体节流会产生闪蒸或汽蚀现象，对阀 内件冲刷和破坏严重。闪蒸现象无法通过阀门结构来消除，所以通常采用阀内件逐步降压结构，同时配 合高强度材质（如Ｓｔｅｌｌｉｔｅ合金）。汽蚀现象可以通过阀内件多级降压的形式逐步降低压力来减轻，甚至完 全消除。通过计算会发生汽蚀现象的控制阀，一般采用多级降压阀内件，降压方式有采用多级笼式套筒 阀内件或者逐级降压结构。 ·２· 图４长杆型三杆阀的基本结构 图５短杆型三杆阀的基本结构 （ａ）阀 打孑Ｌ （ｂ）笼式套筒阀内件 （ １逐级降 结构 图６高压差控制阀的降压结构 ２．３氧介质控制阀 随着空分设备的氧气产品压力不断增高，氧介质控制阀的安全事故越来越多。氧介质控制阀的材质、 结构、清洗应严格执行相关规范。国内参照标准《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》（ＧＢ １６９１２－－２００８），该标准对氧用金属材质和法兰垫片有规定。国外可以参考欧洲工业气体协会ＥＩＧＡ和美国 材料与试验协会ＡＳＴＭ的标准，这些标准有相对全面的金属材质和非金属材质使用规范【２４ｌ，以及氧用清洗、 安全评估、安全操作等细节内容１５－７１￣对于高压力的氧介质阀门，阀体和阀内件会用到导热性好的ＭＯＮＥＬ 或者铜合金等材料。 空分设备氧介质控制阀多采用Ｇｌｏｂｅ阀，其内部结构对于流体控制相对比较平稳。随着空分设备规模 不断增大，目前也开始谨慎地采用流通能力更好的蝶阀。另外，非金属材质在氧环境下更容易被首先点 燃而产生危险，因此高压情况下需要采用金属硬密封且开启摩擦相对较小的三偏心蝶阀。各生产厂家的 金属硬密封的形式不同，主要区别在于密封环在阀瓣上还是在阀座上（如图７所示）。在低压和流速较低 的液氧环境中，某些高性能（两偏心）蝶阀也有许多应用业绩。 ·３· （ａ）密封环在阀瓣上 （ｂ）密封环在阀座上 图７三偏心蝶阀金属硬密封形式 ３结束语 空分设备上的控制阀用处较多，既有用于过程控制，也有用于程控定时开关和联锁切断。能够更好 地为工艺流程服务，同时达到安全稳定使用是选择各种结构形式阀门的原则。空分设备上主要有２类相 对比较特殊的阀门：低温铝材质控制阀和氧介质用控制阀，这在其他工业装置上比较少见。空分设备用控 制阀的选用还有许多环节（比如附件配置）需要考虑，针对具体阀门需要更多详细设计。 参考文献： …１徐先平，金平，胡资．大型空分设备分子筛纯化系统三杆式切换阀的开发［Ｍ］／／边瑾．深冷技术：设计制造．杭州：杭州 出版社，２０１５：２８—３１． 【２】Ｏｘｙｇｅｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ ｐｉｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ：ＩＧＣ Ｄｏｃ １３／１２／Ｅ［Ｓ】．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＧａｓｅｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２０１２． 【３】Ｓｔｎｄａｒａｄ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｍｅｔａｌｓ ｏｒｆ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｒｖｉｃｅ：ＡＳＴＭ Ｇ９４－－２００５［Ｓ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００５． 【４］Ｓｔａｎｄａｒｄ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｒｆ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｒｖｉｃｅ：ＡＳＴＭ Ｇ６３－－２００７［Ｓ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００７． 【５】Ｔｈｅ ｓａｆｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｖａｌｖｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｏｘｙｇｅｎ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｇａｓｅｏｕｓ ｏｘｙｇｅｎ ｓｙｓｔｅｍ：ＩＧＣ Ｄｏｃ ２００／１５ｉｓ】．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＧａｓｅｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２０１５． 【６】Ｃｌｅａｎｉｎｇ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｒｆ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ：ＩＧＣ Ｄｏｃ ３３／０６／Ｅ［Ｓ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｇａｓｅｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２００６． 【７】Ｓｔａｎｄａｒｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｒｆ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ ｌｅｖｅｌｓ ｆｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｕｓｅｄ ｉｎ ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ： ＡＳＴＭ Ｇ９３—－２０１ ｌ［Ｓ】．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＴｅｓｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１ １． 作者简介：王凯，男，１９７７年生，工程师，２０００年毕业于东北大学光电子专业，现在杭州Ｉ杭氧股份有 限公司从事空分设备仪控专业设计、调试等工作，先后完成几十套空分设备仪控专业设计、调试等工作。 ·４·
