截止阀的概述工作原理特点和密封

启闭件（阀瓣）由阀杆带动，沿阀座（密封面） 轴线做直线升降运动的阀门称为截止阀。

截止阀一般由驱动件（手轮）、阀杆、阀体、阀盖、阀瓣（关闭件）和填料装置等主要零件组成。手轮与阀杆相连，并借助阀杆带动阀瓣，使阀瓣沿阀座轴线方向往复运动，从而使管路接通或切断。

截止阀应用很广泛，主要用于压力较高的及口径较小的场合，一般只生产到DN400 （NPS16）,更大的口径规格仅应用于特殊道。例如，大型氧气管道，由于其他阀类存在摩擦易产生静电起火，所以采用大口径不诱钢截止阀。

尽管尺寸达到NPS48 （DN1200）的截止阀已经生产并投入使用，然而美国石油学会指导性文件API 615《阀门选用指南》对截止阀的选用是这样描述的： “虽然大口径和高压力等级也可能是合适的，但压力等级为150镑级的标准截止阀适合的公称尺寸不超过NPS 12，300磅级时不超过NPS10和600磅级时不超过NPS8。”

截止阀阀杆一般都做旋转升降运动，手轮固定在阀杆顶端。当顺时针方向旋转手轮时，阀杆螺纹下旋，阀瓣密封面与阀座密封面紧密接触，截止阀达到关闭状态；当逆时针方向旋转手轮时，阀杆螺纹上旋，阀瓣密封面与阀座密封面脱开，截止阀开启。

（1）优点和不足

①优点

a. 与闸阀比较，截止阀结构较简单，通常在阀体和阀瓣上只有一个密封面，密封面积小、节省贵重材料、成本低，因而制造工艺性比较好，便于维修。

b. 密封面磨损及擦伤较轻，密封性好。启闭时阀 瓣与阀体密封面之间无相对滑动（锥形密封面除外），而磨损与擦伤均不严重，密封性能好，使用寿命长。

c. 开启高度小，一般仅为阀座通道直径的1/4， 结构紧凑，节省安装空间。

②缺点

a. 结构长度较大。

b. 启闭力矩大，启闭费力。关闭时，因为阀瓣运动方向与介质压力作用方向相反，必须克服介质的作用力，所以启闭力矩大。

c. 流阻大。阀体内介质通道比较曲折，流动阻力大，动力消耗大，特别是在液压装置中，这种压力损失尤为明显。在各类截断阀中截止阀的流阻zui大。

d. 介质流动方向受限制。

介质流经截止阀时，在阀座通道处只能是从下向上或从上向下流动，所以介质只能单方向流动，不能改变流动方向。

e. 在阀门关闭时，密封面间可能会夹住流体介质中的固体颗粒。

f. 安装不便。

（2）操作特点

截止阀封形式为强制密封，在阀门关闭时必须向阀瓣施加足够的力，达到密封必须比压以上，才 能实现密封。由于密封力和介质压力是在同一轴线 上，当介质由阀瓣下部进人（低进高出）时，由于介质压力与密封力方向相反，阀门关闭力矩远远大于幵 启力矩，阀杆承受的zui大应力为压应力，所以必须具有足够的强度和刚性，否则阀杆会产生挠性变形。正因如此，当截止阀口径规格大于DN150 （NPS 6）时，为了减小阀门操作力矩从而减小阀杆直径，通常将介质流向改由阀瓣上部进入（高进低出），此时介质 压力与密封力方向相同，在介质压力作用下，阀门更容易实现密封，关闭力矩变小，开启力矩增大，阀杆承受的zui大应力为拉应力，此时阀杆直径可相应减小。

截止阀开启时，阀瓣的开启高度达到阀门公称尺 寸的25%〜30%时，流量即已达到zui大，即表明阀门已达到全开位置，所以截止阀的全开位置应该按阀瓣的行程来确定。

截止阀关闭时和再次开启的情况与强制密封闸阀相似，即阀门关闭后，要在密封面上施加足够操作力以实现密封。因此，阀门的关闭力矩应在操作力矩的基础上增加到规定值来确定。而阀门再次幵启时，由于要克服静摩擦和热膨胀等因素的影响，阀门开启力矩通常要比关闭力矩还要大，才能可靠地幵启阀门， 因此在设计时应予以考虑。

为了减小启闭阀门中形成的高冲击压力，截止阀操作时要缓慢，在某种意义上说，要产生与流量速度相一致的变化率。

截止阀的操作力矩呈现以下特性。①“低进高出时”，阀门由全开位置幵始关闭的阶段，操作力所需克服的阻力是阀杆和填料的摩擦阻 力和介质压力在阀瓣截面上（轴向）造成的推力，随着阀瓣的下降，流体在阀瓣前后形成压差，阻止阀瓣下降，而且这个阻力会随着阀瓣的下降而迅速增大， 随着阀门*关闭，阀杆施加强制的密封力，阀瓣前后压差达到介质工作压力的zui大值，此时阀杆承受zui大关闭力矩。在阀门开启过程中，介质压力或阀瓣前后压差形成的推力与阀门开启方向相同，但应该指出的是，在开启瞬间，因为要克服密封面间较大的静摩擦力矩，此时的开启操作力矩有可能还会超过关闭力矩。

②“高进低出”时，阀门由全幵位置开始关闭的阶段，操作力所需克服阻力仍是上述两个力，随着阀瓣的下降，流体在阀瓣前后的压差直到阀门关闭时都是有利于阀门关闭的。阀门开启时的情况恰好相反， 由于介质压力和阀瓣前后压差所造成的推力都与阀门开启方向相反，所以阀门开启过程所需的操作力矩比关闭力矩要大得多。根据截止阀密封副的材料不同，截止阀可使用金 属密封和非金属密封。使用金属密封及非金属陶瓷密封时，不但需要密封比压高，而且需要四周均勻，以达到所需的密封性。根据以上要求，密封副的结构设计有很多种，其密封原理及密封力的计算也不尽相同。

（1）平面密封

平面密封的优点是阀瓣在装配时有一定的晃量， 阀瓣可以自动找正并和阀座密封面吻合，因而对阀瓣的导向要求并不重要；阀瓣是在没有被旋转时落在阀座上的，密封副之间就不会产生摩擦，因此对密封面材料抗擦伤的要求也不严格。同时，由于管道应力导致阀座的内孔圆度变形时，也不会影响密封性能。缺点是介质中的固体颗粒和沉淀物易损伤密封面，其密封原理是当介质从阀瓣下方流入时，所施加的密封力必须等于或大于密封面上所产生的必需比压和介质向上的作用力之和。见图5-1和式（5-1）〜式（5-3）。

QMZ^QMF+QVU （5-1）

QMF = 7t（DMN+^M）^MC?MF （5_2）

QMJ （5-3）

式中Qmz——施加于密封面上的总作用力，N;

Qmf——密封面上的密封力，N;

Qmj——密封面上的介质作用力，N;

DMN 密封面内径，mm;

密封面宽度，mm;

9mf 密封面必需比压，MPa;

P计算压力，通常取公称压力MPa。 当介质从阀瓣上方流入时，所施加的密封力只需要等于或大于密封面上所产生的必需比压和介质的作用力之差，即锥面密封是把密封面做成锥形，使接触面变窄， 这种密封在一定的密封力作用下，其密封比压大大增力口，更容易实现密封，与平面密封结构相比较，所施加的密封力较小。由于密封面狭窄，关闭时不易使阀瓣正确地压向阀座面，为了提高密封性能，必须对阀瓣进行导向。阀瓣在阀体中导向时，阀瓣受到流体的 侧向推力由阀体承受，而不是由阀杆来承受，这就进 一步增强了密封性能和填料密封的可靠性。锥形阀瓣用于大口径阀门时，因为管道应力的作用，使阀座孔的圆度产生一定的变形量，不容易实现密封。

另一方面，锥形密封是在两密封面有摩擦的情况下吻合，所以密封材料必须能耐擦伤。锥面密封和平面密封相比，受固体颗粒和介质沉淀物的损伤相对较小，但也不宜在含有固体颗粒和介质沉淀物的介质中使用。其密封原理是当介质从阀瓣下方流入时，所施 加的密封力必须等于或略大于密封面上所产生的必需比压和介质向上的作用力之和，见图5-2和式 （5-5）~式（5-7）0QMZ^QMF+QMJ （5-5）

QMF = f （DMW2-AMN2）（I+^）9MF （5-6）

Qmj =^（DMN~^~bMsina）2 p （5-7）

式中QMZ——施加于密封面上的总作用力，N;

QMF——密封面上的密封力，N;

Qmj——密封面上的介质作用力，N;

Dmw 密封面外径，mm;

DMN 密封面内径，mm;

/m——密封面摩擦因数； a~密封面锥半角，（°）;

9mf 密封面必需比压，MPa;

bM 密封面宽度，mm;

P^计算压力，通常取公称压力，MPa。

当介质从阀瓣上方流入时，所施加的密封力等于或大于密封面上所产生的必需比压和介质的作用力之差。

为了改善锥形密封的强度而又不致牺牲其密封应力，把密封面锥半角做成15°，这就提供了较宽的密封面，使阀瓣能更容易地与阀座吻合。为了达到较高的密封应力，阀座密封面开始与阀瓣接触部分较窄， 约3mm,其余留有的锥度部分可稍长些。当密封负 荷增大时，阀瓣滑人阀座的程度加深，因而增加了密封面宽度。这种密封面的设计不像窄密封面那样容易受冲蚀损坏。此外，由于锥形面较长，使阀门的节流特性得到改善。

（3）球面密封

把阀瓣做成球形（图5-3），阀座做成锥形。阀瓣的球体在阀杆的孔内能自由转动。因此阀瓣能在阀座上做一定范围的转动而进行调整。由于两密封面的接触几乎成一线，即线密封，故密封应力很高，更容易实现密封。阀瓣球体还可以使用硬质合金或陶瓷材 料，硬度可达到40〜60HRC，而且能耐很高的温度， 因此可以应用于高温截止阀。缺点是密封面线型接触容易受冲蚀而损坏，所以阀座应选择耐冲蚀材料。球面密封的截止阀可适用于介质中带有微小固体颗粒的气体或液体。其密封原理是当介质从阀瓣下方流入时，所施加的密封力必须等于或略大于密封面上所产生的必需比压和介质上的作用力之和。

QMZ^QMF+QMI （5-8）

Qmf = 7tjDmn <?mf （5-9）

Qmj =~^DMN2 P （5-10）

式中Qmz——施加于密封面上的总作用力，N;

Qmf——密封面上的密封力，N;

Qmj——密封面上的介质作用力，N;

DMN 密封面内径，mm;

<?iMF 密封面必需比压，MPa;

P~计算压力，通常取公称压力，MPa。 当介质从阀瓣上方流入时，所施加的密封力必须等于或略大于密封面上所产生的必需比压和介质向下的作用力之差。

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