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在涂装线设计中阀门的选型

    调节阀是流体管路的控制装置,其基本功能是接通、切断、调整介质在管路中的流通状态,改变介质的流动方向,调节介质的压力和流量,使管路系统按照人的意志进行工作,并且维持管路和设备的正常运行。在涂装设备中因为各种管道的大量使用,各种类型的阀门得到了广泛的应用,特别是近年来国内新建的汽车涂装线自动化程度越来越高,管路系统越来越复杂,阀门的使用数量也越来越多,这就要求涂装设备的设计者必须了解各种阀门的特点,根据管路系统的要求配置合适的阀门。

    一、阀门基本知识介绍

    1. 阀门的基本参数

    (1)公称直径  指阀门与管道连接处通道名义直径,用DN表示。

    (1)公称压力  指阀门的机械强度有关的设计压力,用PN表示。

    (3)阀门的压力与温度等级  当阀门的工作温度超过公称压力的基准温度时,其最大工作压力必须相应降低。

    (4)阀门的适用介质  工业阀门应用于涂装行业,通过的介质主要有气体(压缩空气、蒸汽、煤气、天然气等);液体(水、电泳漆、超滤液、油漆及各类酸碱溶液等)。

    2 阀门的分类

    按用途和作用可分为:

    (1)截断阀  截断或接通管道介质。如:球阀蝶阀、截止阀、闸阀、隔膜调节阀、旋塞阀。

    (2)单向阀  防止管道中的介质倒流。

    (3)分配阀  改变介质的流向,分配、分离或混合介质的作用。如分配阀、疏水阀、三通球阀。

    (4)调节阀  调节介质的压力和流量。如减压阀、调节阀、节流阀。

    (5)安全阀  防止装置中介质压力超过规定值,提供超压安全保护作用。

    涂装线中应用较多的阀门类型是:球阀、蝶阀、截止阀、闸阀、隔膜阀、调节阀、疏水阀、安全阀等;从数量上来讲,应用较多的是蝶阀、球阀、截止阀、闸阀等;在手动阀门的基础上增加各种自动装置,出现了各种自动阀门,从而实现了管路控制的自动化,如:气(电)动球阀、气(电)动蝶阀、气(电)动调节阀。

    按公称压力分类:

    (1)真空阀  工作压力低于标准大气压。

    (2)低压阀  公称压力PN≤1.6MPa。

    (3)中压阀  公称压力PN为2.5∼6.4MPa。

    (4)高压阀  公称压力PN为10∼80.0MPa。

    (5)超高压阀:公称压力PN≥100MPa。

    涂装线的管道多数属于低压管道,个别部位存在少量的中、高压管道,例如集中供漆、供胶系统管道。

    按工作温度分为:

    (1)常温阀:用于介质工作温度-40°C≤t≤120°C

    (2)中温阀:用于介质工作温度120°C≤t≤450°C。

    (3)高温阀:用于介质工作温度t>450°C。

    (4)低温阀:用于介质工作温度-100°C≤t≤40°C。

    (5)超低温阀:用于介质工作温度t<-100°C。
 
    涂装线的管道多数属于常温管道,存在部分中温管道,例如蒸汽管道。

    按阀体材料分类:

    (1)非金属材料阀门如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门。

    (2)金属材料阀门如铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、钛合金阀门、蒙乃尔合金阀门、铸铁阀门、碳钢阀门、铸钢阀门、低合金钢阀门、高合金钢阀门。

    (3)金属阀体衬里阀门如衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷阀门。

    在涂装线中常用的多数是金属阀门,液体管道中常用不锈钢阀门、碳钢阀门、铸铁阀门、铜合金阀门(少量用在压缩空气管道,对压缩空气等级要求较高的仍然用不锈钢阀门)、PVC材质的隔膜阀。

    按连接方法分类:

    (1)螺纹连接阀门  阀体有内或外螺纹,与管道螺纹连接。

    (2)法兰连接阀门  阀体带有法兰,与管道法兰连接。

    (3)焊接连接阀门  阀体带有焊接坡口,与管道焊接连接。

    (4)卡箍连接阀门  阀体带有夹口,与管道夹箍连接。

    (5)卡套连接阀门  与管道采用卡套连接。
 
    (6)对夹连接阀门  用螺栓直接将阀门及两头管道穿夹在一起的连接方式。

    涂装线中的阀门主要的连接方法是:螺纹连接(小口径阀门)、法兰连接(大口径阀门)、对夹连接(主要用在蝶阀、单向阀的连接)

    二、涂装线常用的各种阀门特性比较

    1 球阀

    利用球体绕阀杆的轴线旋转。90°实现开启和关闭的目的。球阀在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动方向,设计成V形开口的球阀还具有良好的流量调节功能。

    优点:

    1)流体阻力小(实际为0)。

    2)密封可靠。绝大多数球阀的阀座都采用聚四氟乙烯弹性体制造,在较大的压力和温度范围内,能实现完全密封,工作介质在双球面上密封可靠。

    3)耐腐蚀性好,寿命长。球阀最主要的阀座密封圈材料是聚四氟乙烯,它对几乎所有的化学物质都有是惰性的,且具有摩擦因数小,性能稳定,不易老化,温度适用范围广和密封性能优良的综合性特点,在阀体采用不锈钢材料时,具有优良的耐腐蚀性。

    4)开关迅速方便,一般情况下只需要旋转手柄。90°就可实现全关闭或全打开,实现快速启闭,并且开启力矩较小。

    5)应用广泛。除一般介质外,还可输送黏性流体、浆液以及固体颗粒。
 
    6)在全开和全闭时,球体和阀座的密封面与介质隔离,因此高速通过阀门的介质不会引起密封面的侵蚀。

    7)结构紧凑,重量轻,高度方向尺寸小,便于管道排布,是用于低温介质系统的最合理的阀门结构。

    8)阀体对称,能很好地承受来自管道的应力。

    9)球形关闭件能在边界位置上自动定位,能承受关闭时的高压差。

    缺点:

    1)阀座密封圈主要材料是聚四氟乙烯,膨胀系数较高,耐温等级较低,只能在小于180c情况下使用。

    2)相比同口径的其他种类阀门成本较高,是同口径蝶阀价格的几倍甚至数十倍,口径越大,差价越大。

    3)调节性能相对于截止阀要差一些,尤其是气动阀(或电动阀)。

    2 蝶阀

    蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转90°左右来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门。

    优点:

    1)结构简单,体积小,重量轻,,特别适用于大口径阀门中。

    2)相比其他种类同口径阀门,价格最低;特别是不锈钢阀门,因流体介质不与阀体接触,所以只需要阀板采用不锈钢材质,耗材省,价格低。

    3)启闭迅速,流阻小。

    4)可用于带悬浮固体颗粒的介质,依据密封面的强度也可用于粉状和颗粒状介质。

    5)可适用于流体的双向启闭及调节,调节性能好,应用广泛。

    6)低压下可以实现良好的密封。

    缺点:

    1)流量调节范围不大,当开启达30%时,流量就能达到95%以上。

    2)由于蝶阀的结构和密封材料的限制,不宜用于高温、高压的管路系统中。一般工作温度在300°C以下,PN40以下。

    3)由于受阀门结构的限制,密封性能相对于球阀较差,故用于密封要求不是很高的地方。

    3 截止阀

    截止阀是指关闭件(阀瓣)沿阀座中心线移动的阀门。

    优点:

    1)在开启和关闭过程中,由于阀瓣与阀体密封面间的摩擦力小,因而耐磨,阀门寿命长。

    2)开启高度一般仅为阀座通道的1/4,因此高度尺寸比闸阀小得多。

    3)通常在阀体和阀瓣上只有一个密封面,因而制造工艺性比较好,便于维修。

    4)由于其填料一般为石棉与石墨的混合物,故耐温等级较高。一般蒸汽阀门都用截止阀。

    5)由于阀座通口的变化与阀瓣的行程成正比例关系,非常适合于对流量的调节,因此,调节阀经常采用截止阀的阀体形式。
 
    缺点:

    1)由于介质通过阀门时的流动方向发生了变化,因此截止阀的流体阻力大,即使最小的流阻也高于大多数其他类型的阀门。

    2)阀门有固定的流向,即只适用于单向流体管道。

    3)由于行程较长,开启速度较球阀慢。

    4)由于阀体密封面经常采用金属密封,受阀门加工精度影响很大,在低压管道中密封可靠性不如球阀和蝶阀。

    5)不适用于带颗粒、黏度较大、易结渣的介质。

    4 闸阀

    闸阀是指关闭件(闸板)沿通道轴线的垂直方向移动的阀门。在管路上主要作为切断介质用,即全开或全闭使用,一般闸阀不可作为调节流量使用。闸阀一般不用于输送泥浆等介质的管路中。

    优点:

    1)流体阻力小(接近于0),不扰流,不降低压力。

    2)启、闭所需力矩较小。

    3)介质流向不受限制,可适用于流体的双向流动。

    4)全开时,密封面受工作介质的冲蚀比截止阀小。

    5)形体结构比较简单,结构长度比较短,制造工艺性较好。

    缺点:

    1)外形尺寸和开启高度较大,所需安装的空间亦较大。

    2)在启闭过程中,密封面与闸板相对摩擦,磨损较大,容易引起擦伤,维修比较困难。

    3)一般闸阀都有两个密封面,给加工、研磨和维修增加了一些困难。

    4)外形尺寸较大,开启需要一定时间,启闭时间长。

    5)一般只作为开闭阀使用,不能调节流量。

    6)因阀体结构的特殊性,不能用于带颗粒的介质,通常只用于清水管路。

    综合以上分析,针对涂装线的低压管道,把常用的手动阀门的各种特性进行排序见表1,以方便选择。

    以上阀门特性的排序只是针对国内阀门市场的一般性总结分析,不同制造商因产品设计及加工制作水平不同,产品质量差异可能很大,以上的排序就会发生较大变化。

    四、涂装线阀门选型的要点

    由于涂装线中的管道基本都属于低压、常温管道,并且管道口径多数在DN350以下,在综合考虑价格、使用工况、可靠性、密封性等因素之后,在阀门的选择上一般考虑以下几个方面因素。

    1 阀门类型的选择

    多数情况下阀门的选择以蝶阀为主,并且基本都是中线、软密封蝶阀。因为在小口径阀门的选择上蝶阀已经不具有价格优势,同时密封性不如球阀可靠,所以一般小口径阀门(≤DN40)都选择球阀。另外,如果全部选用国产阀门,考虑到目前国产蝶阀的可靠性还不完全过关,在槽体排放口、转移排放口等关键部位也经常选用球阀,特别是电泳槽、磷化槽的排放口、转移排放口,经常使用不锈钢球阀,以防止阀门故障时带来的较大损失。

    对加热管道,如果使用过热水加热,一般选择蝶阀+EPDN阀座,如果采用蒸汽加热,一般选择碳钢材料的截止阀+金属阀座。

    对于常温、不含杂质的清水管道也可以选择闸阀、柱塞阀等。

    2 阀门材质的选择

    因涂装线的管道存在酸、碱性质的介质,(如碱性的脱脂液、酸性的磷化液),又因为电泳漆中不允许有任何的铁锈存在,所以涂装线中所有的蝶阀都是不锈钢材质(也仅指阀板),一般选择SUS304不锈钢;因磷化液腐蚀性更强,考虑设备使用寿命要求在,10年以上,目前涂装线一般要求磷化工序的管道及阀门材质采用)SUS316不锈钢。

    3 密封材料的选择

    由于硬密封(金属密封)的阀门对阀门加工精度要求很高,相应的价格也较贵,便宜的硬密封阀门质量无保证,所以涂装线的低压管道一般都选择软密封材料的阀门。

    由于涂装线中的电泳漆对有机硅分子有很高的敏感性,少量的有机硅分子就会使电泳漆膜产生缩孔,严重影响油漆表面质量,而电泳工序又是涂装的关键工序,所以在阀门的密封材料中严禁使用有机硅类的成分,要求进行无硅化处理;常见的含有有机硅类的材料有硅油、硅橡胶、硅酮、硅胶等,都是在汽车涂装车间严禁使用的。

    球阀的阀座一般都选择聚四氟乙烯,可以适用于任何酸碱性介质。

    考虑密封材料的耐酸碱性,同时考虑加热管道的工作温度,蝶阀阀座一般选用三元乙丙橡胶(EPDM)和丁腈橡胶(NPB),由于丁腈橡胶的耐温性不佳,又以三元乙丙橡胶使用得较多。

    但是对热水洗、预脱脂、脱脂工位来说,由于在正常生产中槽液内会不断积累许多的油脂,三元乙丙橡胶在60∼140°C下耐油性不好,正常使用1∼2年左右密封面会老化开裂,所以热水洗、预脱脂、脱脂工位阀门的阀座一般选择聚四氟乙烯或Viton氟橡胶材料,常用阀座材料、化学特性、使用温度及价格见表2。


    4 特殊工况阀门的选择

    在汽车涂装线前处理的前两个工序(热水洗、预脱脂)在正常生产中槽液内会留下许多铁粉、小铁片、焊渣、泥沙等固体颗粒,同时工艺又要求必须及时把铁粉除去,一般设置有离心旋液分离装置,对铁粉进行离心分离,含渣的槽液需要自动间歇排放到过滤机中进行脱水过滤,所以需要设置一个自动阀门来达到自动控制。由于排放的液体中含有许多的铁粉,常用的球阀、蝶阀在开闭过程中会立即划伤软性密封圈,不适合此种工况,其他截止阀、柱塞阀等由于流道弯曲,容易堵塞阀门,也不适合;其他闸阀、隔膜阀同样不合适。

    在多方咨询和查找资料后,发现目前只有一种自动控制阀门适合此种工况,即气动夹管阀,其基本结构如图。

    气动夹管阀的基本工作原理是:在金属外壳和橡胶管的夹腔内充入压缩空气,将橡胶管压扁,胶管两侧紧紧贴合,阻止橡胶管内流体的通过;由于橡胶管内流体也是有压力的,所以压缩空气压力与流体压力必须保持一定的压差才能保证管内液体的完全封闭。经实际测试,压缩空气与流体的压差至少要达到0.2MPa,才能保持液体完全关闭,因除渣管道压力一般在0.2∼0.3MPa,所以使用涂装车间常用的0.6MPa的压缩空气配电磁换向阀进行控制,已经完全可以达到自动控制的要求。但是,此种配置存在一个缺点,在设备停机之后,压缩空气不能停气,否则阀门会自动打开,槽液将会意外流失,所以在气动夹管阀上端必须配备一个手动阀门,在渣排净之后关闭,正常生产要求完全打开。

    5 在阀门选型和订货时需要注意的其他问题

    1)国产蝶阀的阀板与阀轴一般采用销钉固定,少部分国产蝶阀采用无销钉设计,在蝶阀使用中销钉经常成为泄漏点,液体经销钉孔沿阀轴泄漏,在阀门选用时尽量选用无销钉的蝶阀,以减少泄漏的可能性。

    2)蝶阀作为调节流量使用时,(主要是喷淋压力调节、槽体搅拌压力调节)需要比较多的中间锁定位置,而在蝶阀的设计标准《通用阀门法兰和对夹连接蝶阀》GB/T12238-1989中规定“扳手操作的蝶阀应带有三个以上不同开度的锁定机构”,目前国产蝶阀多数有8个中间锁定位置,实际使用证明这是不够的,对压力调节,一般要求至少有11个中间锁定位置,或直接采用蜗轮蜗杆的蝶阀,在这方面进口蝶阀明显优于国产蝶阀。

    3)球阀在选择上尽可能选择浮动球体结构的球阀,对低压管道来说浮动球体的密封效果要好于固定球体,同时浮动球体球阀的开启力矩较小。

    4)在阀门选型和采购时尽量与阀门生产厂家或供应商进行充分的交流,与厂家协调取得共识,并制订比较详尽的技术要求,对选择合适的阀门是有帮助的。

    五、结束语

    正确的阀门选型是设备长期稳定运行的保证,是管道设计中的一项重要工作,不同情况下需要考虑很多种不同的影响因素。