三合一结构抗菌阀门的创新研究与应用

马祖达 蔡海燕 陈伟杰 涂志金 王小华

（1. 温州市工业科学研究院，浙江温州 325028；2. 温州市科学技术情报研究所，浙江温州 325028；3. 温州市金鑫药机阀门制造有限公司，浙江温州 325024）

1 问题之由来

阀门作为流体输送系统的控制部件，远在4000年前就首先在我国出现，当时的阀门是一种原始的木塞阀，它用在输送盐水的竹制管路上。此后，随着生产发展的需要阀门被应用到我国最传统、古老、繁重的产业——发酵工业中，进行蒸汽、培养基的切换，以改善人的劳动条件、减轻劳动强度。以出色酿造出茅台、汾酒技术而在全世界闻名遐迩。随着时代的发展、科技的进步发酵技术的应用领域不断得到延伸和扩展，发酵制品越来越多，开始从单纯发酵做酒的酿造行业延伸到医药卫生行业的医药抗生素、氢化可的松和醋酸泼尼松等西药药品，给抗菌阀门的广泛应用拓展出一片全新的发展天地。

随着医药药品的大批量、现代化、自动化工业生产，越来越多地暴露出我国抗菌阀门制造技术与医药药品生产工艺要求的不适应性和差距。医药行业对它提出比我国发酵酿造行业的要求更科学、更合理、更高、更好操作的食品和制药行业GMP的要求。它要求阀门不仅要具有良好的密封性能，密封材料能适应较高温度、压力的工作介质对阀门密封材料的冲蚀、腐蚀和磨损，保证阀门在使用期内不渗(泄)漏；制造阀门的材料具有良好的抗腐蚀、防锈性能，不会与生产原料介质发生接触反应，生成有害于人体健康的新物质；从阀门的结构计设入手，能有效地阻止有害细菌在阀门内的衍生、繁殖，杜绝应用企业发生染菌、倒罐现象的恶果发生。

针对市场需求，温州市工业科学研究院为支持创新要素向企业集聚，解决目前酿造和医药卫生行业遇到的实际问题，提高生产制品质量，与温州阀门生产单位共同承担科技部下达的科技型中小企业技术创新基金（立项代码：09C26213301124）开发出“三合一结构抗菌阀门（简称抗菌阀门）”专利新产品（ZL200810120015.6；200820121486.4），经浙江省泵阀产品质量检验中心检测（报告编号：FM200812106），符合科技部和企业标准的要求，经华药集团维尔康新维制药有限公司、山东金翼生物制品有限公司、青海珠峰虫草药业有限公司等多家使用，很好地解决了生产的实际问题，获得好评。

2 现用几种结构的抗菌阀门性能特点

正确选用阀门，对保证装置安全生产，提高阀门使用寿命，满足装置长周期运行是至关重要的。阀门设计主要是结构和材料，好的结构能解决阀门使用中碰到的各种矛盾，为了进行结构创新，有必要分析当前制药企业现用几种抗菌阀门的结构特点：

2.1 抗菌截止阀主要是切断管道介质用，由于开闭所需力较大，因此，口径通常DN≤200。

抗菌截止阀其性能特点为：

（1）闸阀比较，调节性能较好，但因阀杆不是从手轮中升降，不易识别调节量大小；

（2）开启高度小，关闭时间比闸阀短；

（3）阻力较闸阀、球阀、旋塞阀大；

（4）密封面较闸阀小、染菌小；

（5）密封性一般比闸阀差，对含有机械杂质的介质，关闭阀门时，易损伤密封面；

（6）价格比闸阀便宜；

（7）适用于蒸汽介质；不宜用于黏度较大，带颗粒、易结焦、易沉淀的介质，也不宜作放空阀及低真空系统的阀门。

2.2 抗菌针形阀性能特点

（1）与同公称压力等级的闸阀和截止阀比较，尺寸小，重量轻；

（2）通道较小、易堵塞；

（3）适用于仪表上的阀门或用于轻质油品和油气的取样阀及放空阀。不宜用于黏度较大，易结焦、含有粒状固体的介质。

2.3 抗菌隔膜阀

抗菌隔膜阀是在阀体和阀盖内装一挠性隔膜，靠隔膜的上、下行程实现密封。其性能特点为：结构简单，易于快速拆卸和维修；由于其操纵机构与介质通路隔开，可保证介质的纯净，它适用于化学腐蚀性或悬浮颗粒的介质，甚至难以输送的危险介质。但由于衬里材料限制了其使用温度及压力不能过高。

综上所述，根据存在就是理由的原则，现在酿造和制药厂使用的截止阀主要用其性能特点之（1）、（2）、（4）、（6）和（7）；针形阀主要用其性能特点之（1）、（3）；抗菌隔膜阀主要用其操纵机构与介质通路隔开，阻止有害细菌在阀门内的衍生。我们经集成创新，优化组合，选三者之优，开发成功能解决生产问题的新产品。

3 抗菌阀门的要求

按照食品和制药行业GMP规范要求，抗菌阀门不仅要具有良好的密封性能，密封材料从材质上保证能适应较高温度、压力、工作介质对阀门密封材料的冲蚀、腐蚀和磨损，保证阀门在使用期内不渗(泄)漏，从阀门的结构计设入手，阀门流道无死角，能有效地阻止有害细菌在阀门内的衍生、繁殖，杜绝应用企业发生染菌、倒罐现象，不断提高应用单位的发酵收得率和企业的经济效益。具体有以下三点：

（1）阀门不能发生外泄（渗）漏，不能产生常见的跑、冒、滴、漏现象，否则会污染生产环境，影响文明生产；

（2）阀门材料应具有良好的抗腐蚀和防锈性能，与生产原料介质不会发生接触反应和生成新的物质；

（3）阀门内不允许存有结构死角，杜绝生产原料介质的残留和菌源污染以及物料和能量的浪费。

4 抗菌阀门的选用原则

酿造和制药厂为确保生产安全，他们经长期生产实际摸索总结出抗菌阀门选用基本原则：

（1）可靠性：即符合抗菌阀门的密封性能和抗菌要求；

（2）适用性：满足工艺生产要求；

（3）实用性：操作、安装及检（维）修方便，具有能使操作人员正确识别阀门方向、开度标志、指示信号，便于及时果断处理各种应急故障。

（4）经济性；注意节约投资，降低装置成本，今天的投资就是明天的成本。

因此，一般场合下要求，国内生产能满足使用要求的应选用国产阀门；几种不同阀门类型都能满足使用要求的，应选用价格低廉的、结构简单的阀门；普通材质能满足使用要求的，不应选用较高等级的材料。

5 主要技术参数

科技部下达的（立项代码：09C26213301124）要求。

（1）公称通径为DN10～DN150；

（2）公称压力（MPa）≤PN1.6；

（3）适用温度为-50℃～250℃；

（4）适用介质为酸、碱、氧化性、还原性、有机溶剂；

（5）密封性能为“O”泄漏；

（6）使用材料为有良好的抗腐蚀、防锈性能，不会与生产原料介质发生接触反应，生成有害与人体健康的新物质；

（7）阀体内无卫生死角，符合GMP要求。

6 抗菌阀门的设计

抗菌阀门（如图1）主要由排气阀、阀体、阀座、密封圈、双密封阀尖、隔膜片、隔膜瓣、对开环、阀杆、手轮、铭牌、垫圈、六角螺母、阀杆螺母、阀盖、阀瓣螺盖、止退垫圈、螺栓等组成。

其主要结构取由截止阀、隔膜阀、针型阀各最具典型特色零件结（组）合而成，改进了原截止阀密封性能差，隔膜阀温度和压力低，针型阀易堵塞的各自缺陷，充分发挥了集成的优势，提高了综合性能。阀体零件采用截止阀、启闭流道及控制零件（双密封阀尖）采用典型的针型阀结构，其双密封阀尖具有双锥角，用软、硬双密封确保达到零泄漏、为阻止阀杆部的染菌和外泄漏采用隔膜阀中最具代表性的零件（隔膜片）。

6.1 抗菌阀门结构主要创新点（特点）

（1）阀体流道（纵截面）呈流线形，流道端点为圆弧状，在流通过程中没有拐点和死角，流动方向和流道形状不发生急剧的变化，可以减小流体阻力，确保流道通畅，可以安全、卫生输送物料，便于清洗，因此，不易发生染菌，在阀门底部设有排放螺孔，有利于生产开始时管道残留气体排放和生产过程中消毒，完全符合制药行业相关标准要求。

（2）阀杆的螺纹部位，在阀门开启或关闭过程中，应有隔膜片阻隔（见图1），阀杆的螺纹部位均不会与阀门内任何工作介质直接接触，因此，彻底避免了物料在阀杆螺纹处粘结或滞留。

（3）在阀体与双密封阀尖的接触面，经激光熔覆强化处理，大大地提高了其表面硬度和耐磨性，延长了阀门的使用寿命。

（4）按各不同工作介质、工艺（温度、压力）、密封圈和隔膜片应选择不同的密封材料，如芳纶纤维、聚四氟乙烯等如表所述。

（5）原截止阀切断管道用阀瓣是平面对平面密封，现改为针型阀的双密封阀尖，阀体和双密封阀尖均为锥形斜面，物料通过斜面时，以喷泉状向阀体射入并形成螺旋力向外喷出的冲力很大的扇弧流，有利于工作介质的急速流动，不会使物料在阀内停留，无死角。

图1 三合一结构抗菌阀门

（6）一般阀门阀杆与阀盖之间的密封是靠压紧外部填料压盖来实现的。从密封机理上讲，这种密封属于强制密封，换言之是一种堵漏式被动密封。众所皆知，填料装入阀门填料函孔内后，经压盖对其施加轴向压力。由于填料的塑性，使其产生径向力，并于阀杆紧密接触，但这种接触并不是非常均匀的，有些部位接触得紧，有些部位接触得松，还有些部位没接触上。接触部位同非接触部位交替出现，形成了“迷宫”，起到阻止压力介质外泄的作用。填料密封的机理就是“迷宫效应”。阀门在使用过程中，阀杆同填料之间存在相对（转动）运动，随着开启次数的增加，转动的次数也随之增多，填料接触压力逐渐减弱，加上填料的自身老化等原因，在高温、高压和渗透性强的流体介质影响下，就会造成外泄漏。现用隔膜片彻底阻隔了阀门的外泄漏现象。并取消了填料和填料压盖，减小阀杆的转动阻力，使抗生阀门启闭轻松和灵敏。

6.2 阀体设计

阀体作为工作介质的流动通道和控制咽喉要道，承受工作介质的压力、温度并受到介质流的冲蚀和腐蚀。阀门设计关键是阀体设计。阀体的结构虽然千变万化、各种各样，但二个截面明确的功能分工始终是一样的，阀体的纵截面确定流体的流向，阀体的横截面确定流体流过该截面流体的面积。结合制药行业要求，根据流体力学原理将阀体的纵截面设计成流线形，整个流通过程线路上没有拐点和死角，流动方向和通道形状不发生急剧的变化，以实现最小的流体阻力。阀体的横截面形状由三个光滑圆弧组成（图2），截面积经计算约为2567 mm2。截面周边上圆弧的结合处与右图均为光滑过渡。右边圆形图形的面积约为1964 mm2，即左边心脏形面积是右边圆形面积的1.3倍，有利于工作介质的流动。在阀体的底部增设了安装螺孔，既利于生产开始时管道中的放气，又利于生产过程中的消毒。对有些不使用该螺孔的企业，为了避免又产生死角，发生染菌，我们还专门为上述企业设计了螺塞（图3）。

图2 阀体横截面新旧对比

6.3 密封面的激光熔覆处理

阀门密封面长期在较高的温度和压力下承受工作介质的各种腐蚀和冲蚀，有的还承受密封面之间的擦伤磨损。采用高科技激光机（HGL–90型5KW）聚焦后的激光束来对阀体与阀座密封层面进行单道激光扫描（工艺参数为：激光功率W = 3～4 kW，扫描速度U= 8～20 mm/s，光斑尺寸=φ5～φ10 mm），控制能量密度与扫描速度，可使熔层与基体不但牢固结合，互熔区小，而且对阀体热应力影响小。激光一次熔覆Co基或Ni基合金层厚度可达3 mm，涂层表面光滑平整，可提高硬度20%～40%。测试与生产应用表明，经激光熔覆处理的阀门密封面在恶劣工况下具有良好的耐磨损、抗冲蚀气蚀、抗腐蚀疲劳和抗高温冲击疲劳等性能优点，提高了阀门使用的可靠性、安全性和使用寿命。

图3 螺塞

6.4 密封材料的选择

密封材料及其性能同阀门的质量密切相关。密封材料应依据流体工况确定，在不同的流体工况条件下，同一密封材料会有不同的使用效果。根据使用工况要求，按耐热性、耐磨耗性、耐碱性和耐酸性等常用的工况条件对密封材料的性能给出了比较（见下表）。

表 密封材料性能比较

7 展望未来

综上所述，创新成功的抗菌阀门解决了当前发酵行业的实际问题，但发酵行业要做的事情还很多。Perlman总结工业发酵经验时曾经指出：“在大多数工业发酵中，微生物污染是令人关切的主要难题，如能把许多工程技术用于培养基和设备灭菌，则发酵染菌的机率可以低于2%。”民族工业的振兴、阀门行业的发展，就是要依靠技术创新。我们决心加强合作、加强信息沟通、加强新产品开发力度，用高科技、先进工艺在成功开发出三合一结构抗菌阀门的基础上，瞄准“三通抗生素阀门”、“膨胀聚四氟乙烯密封材料的应用”、“球面密封结构在抗生素阀门中应用研究”等新产品、新工艺。

[1] 刘根节，张清双. 超音速喷涂技术在硬密封球阀中的应用[J]. 阀门, 2008(3): 13.

[2] 许文清, 符明海. SKEG型生阀抗菌隔膜阀[J]. 阀门, 2008(3): 27.

[3] 宋虎堂等. 阀门选用手册[M]. 北京：化学工业出版, 2007.