阀件在船舶管系设计中的应用分析

摘要：本文对船舶舱底水吸入原理进行了表述；对管路升降启闭式截止阀、截止止回阀、止回阀结构功能进行了解析，并分析了非吸入止回阀结构障碍原因；阐述了旋启式止回阀负压（真空）工况结构原理及功能定义，并归结了该止回阀功效特性；总结了目前设计上某些误区产生之原因；纠正了对末端吸入止回阀的机械设计惯例。

关键词：负压吸入；止回阀；结构研究

中图分类号：U664.8文献标识码：A

Valve application for shipbuilding piping design

ZHANG Xijan

( Shandong Weihai shipyard,Weihai 264200 )

Abstract: In this paper, the principle of ship's bilge suction expression; For piping lifting crane type globe valve, globe check valve, check valve structure function parsing, and analyzed the reason of the suction check valve structure obstacle; Expounds the swing check valve working condition of negative pressure (vacuum) structure principle and function definitions, and the check valve five efficacy features; Summarizes to the cause of the current design error; Corrected to end suction check valve mechanical design practice; To arouse the industry authority departments, experts and relevant personage attention and correction.

Key words: Negative pressure suction; valve;structureresearch

1前言

笔者在国营船厂从事修造船管理工作多年，在多次交船试验中经历抽舱底水都要用海水引水的实例，此程序在业内已成惯例。但此方法在设计规范中是不允许的，规范规定：“舱底泵与舱底水总管之间的连接管…应装设截止止回阀”，因此泵前的截止阀都设计为截止止回阀。 同时规范还规定：“所有的动力舱底泵，均应为自吸式泵或带自吸装置的泵”。由此而来，一方面设计规范中不允许海水进入舱底水管系，而另一方面实践中却屡屡行不通。

2011年，某57 000 DWT货船舱底水管系设计将泵前止回阀设计为的截止止回阀GB/T591-93，并且将末端止回阀型号改为GB/T592-93 B（此阀原正常设计为垂直吸入止回阀CB/T3478-92，阀体直达污水井底部不接管）。笔者经过对标准中能用于舱底水管系所有的截止止回阀、止回阀结构功能进行比对后终于有了结论：是设计的止回阀型号及该类阀结构功能出现了原理性悖逆，才致使该类型止回阀无法打开，因此提出将末端止回阀型号改为旋启式止回阀；将泵前的截止止回阀也更改分解为截止阀+旋启式止回阀。

鉴于上述设计在船舶行业具有普遍性，故此次的修改被喻为行业内第一次提出，为此笔者愿将此事问题与各位同仁探讨，以求达成共识。

（1）了解排出型阀门原理，有助于理解负压吸入型阀门原理，并清晰二者间的本质区别；

（2）明晰泵前吸入型止回阀设计原理至关重要，其中旋启式止回阀至目前还不常见，舱底-消防每泵前吸入仅为2只/组，其中常用仅为1只/组，对系统具有“总闸”之效能，末端独立止回阀也仅为10只左右；

（3）清晰解读排出型止回阀在负压吸入端悖逆工况，并导致成为系统功效“瓶颈”之副作用；

（4）规范等对吸入管系截止止回阀、止回阀结构功能表述模糊，致使人们对此缺少关注；

（5）更换阀门只是满足了真空吸入条件，真空泵（装置）的量化配置标准应该出台。

2 截止阀、截止止回阀、止回阀分类及设计原理

管路阀门的启闭类型，按阀盘动作可分为旋转启闭、升降启闭和滑动启闭三种，而升降阀盘式又分为阀盘水平升降和垂直升降两种。我们通常把阀盘水平升降启闭形式的都标称为截止阀，其它类型也属截止阀功能但习惯上一般都按标称为闸阀、球阀、蝶阀和滑阀等。

（1）上述截止阀是阀盘与阀杆为一体型结构，在没有压力情况下阀盘也可以通过手动开启，但介质进口必须是经阀盘下面进入并且阀盘应始终处于自然垂落方向。此类阀门为避免将进出口方向装错，在阀体上大都标注介质箭头流向，如果装错就会出现功能性障碍（阀盘上部压力太大而无法开启及在阀杆填料函处容易造成泄漏），如船用法兰铸铁截止阀GB/T590-93等同类型阀。

（2）在船舶上能见到的管路截止阀或其他类型阀，大多安装在泵出口的压力管路上，因此阀门进口端总是有压力而另一端则无。为防止动力泵停机时管路介质的回落，在泵出口及管路适当位置都装有止回阀。在船用舱底-消防泵出口端需设置两组及以上不同管系排出功能的，在泵组出口处都要设置截止止回阀，以满足分组控制启闭和自动止回功能。由于船舶管路布置空间局限性，诞生了将升降式截止-止回两阀功能合为一体的船用截止止回阀这一结构形式（陆用工业阀门标准中无此类型截止止回阀），如已提到过的船用法兰铸铁截止止回阀GB/T591-93等。

此外，还有单一止回功能的阀，如船用法兰铸铁止回阀GB/T592-93等。

上述阀的特点为：只起升阀杆阀盘就会依靠阀盘下部介质压力自动起升开启，反之就会回落自动关闭。其进口更只能是在阀盘的下面并保证阀盘垂直回落的有效性，反之将导致功能性堵塞（自动止回关闭使介质无法流通）和阀盘不能有效关闭。

（3）上述截止阀、截止止回阀、止回阀工作原理都是针对安装在压力管路而言，我们称之为排出型阀门。此类阀的重要特点是阀盘开启方向与阀盘下部介质作用力方向必须一致，至于介质出阀盘后折角90°改变了方向与阀盘的开启原理无关。这一特点与下述吸入阀的原理恰好相反，因此将排出型功能的止回阀设在了反向功能需求的吸入止回阀位置导致“被掯”窘况，这完全是设计将阀门用错所造成的“隐病”。

3吸入型止回阀设计原理

吸入型止回阀的工况是负压吸入（俗称为“抽真空”），它是指动力泵对舱底水系统吸入工况的通称。负压吸入是指被抽液面低于动力泵吸入端、需通过泵本身自带或附加的真空泵将工作泵出口止回阀至吸入液面间管内及泵腔内空气排除达到既定真空度，使被吸液体在外界大气压力作用下被压至泵吸入口的过程。根据真空吸入原理，属于此类型阀在标准中只有垂直吸入式止回阀CB/T3478-92、水平吸入式的旋启式止回阀CB/T4019-2005和垂直水平都可使用的板式止回阀CB/T3819-1999三种。

（1）法兰吸入止回阀CB/T3478-92为垂直吸入式末端阀门。该止回阀开启原理为：由于管内负压（真空）的作用，对止回阀阀盘上部产生吸力。由于阀盘上部垂直管路部分的吸力与阀盘开启方向是一致的，并且同方向的真空度对阀盘周边产生的吸力是均匀的，使阀盘下部气体作用力也能按上部吸力方向将阀盘均匀的起升微量开度，被吸气体就经阀盘密封线并随真空管路上行，随着真空度加大低位液面就会在外界大气压力作用下上升，随即将阀盘托起并经阀盘开度间隙继续向吸口高度上升，待液位达到泵吸口处时开度也呈最大值，此时抽真空过程结束，工作泵启动。

该吸入式止回阀存在以下缺陷：①装于末端污水中功效不理想；②下部不能接管且没有耐压参数，只能装在末端；③只能垂直安装。这也是被设计部门摈弃而改选用排出型止回阀的原因。

（2）旋启式止回阀CB/T4019-2005为中间水平吸入式止回阀。所谓中间是针对末端而言，是可以在管路中间且水平安装的止回阀，因此可以避免安装于污水井处易腐蚀工况以及受垂直管路限制问题。该阀开启特点为：①弥补了上述垂直式吸入止回阀不能在水平方向工作的缺陷，使阀盘开启方向侧转了90o，由上升开启变为了横向摆动开启，并继续保持了真空吸力方向与阀盘开启方向的一致性；②由于阀盘是以铰链为旋转中心、呈挂坠体形式摆动，使真空度对阀盘垂直开启自重吸力的负担力消除；③同挂坠原理使阀盘在横向开启时真空对其的作用力达最小值；④由于阀盘、阀座的安装方向是近乎垂直工作面（6°倾斜角），使泥沙颗粒在阀盘上因重力搁置而被卡住磨损工况呈最小值。⑤由于阀盘是铰链连接形式，因此只要将铰链套孔与轴间的间隙值把定正确，该阀抗堵塞能力优势也会达到最大值。因此，旋启式止回阀是安装在负压吸入管路中唯一从原理到功能都能胜任真空吸入原理的阀门。由于安装在泵前吸口处无截止功能，因此须与截止阀连起来用，将泵前截止止回阀修改为截止阀+旋启式止回阀。由于该阀设计压力为0.5 MPa，因此和下述板式止回阀（1.0 MPa）一样也可以使用在恰当的排出管路上。

旋启式止回阀也是船用标准。自上世纪八十年代初，船舶行业就在外贸标准中引进了日标法兰旋启式止回阀CBM1127-82（青铜DN40以下)，本世纪被部标取代为旋启式止回阀CB/T4019-2005。因该船阀（球铁DN50以上）目前还没有被部标收入，因此在该船修改中采用的仍是日标准号JIS-F7373（铸铁10K DN50-250）。自进入本世纪后，以J打头的日标阀门在现在的部标中也逐步在采用（详见《船舶工业标准目录》2009版CB/T4001~4033-2005），因此，设计部门以该阀为非船用标准而不采用是无道理的。

（3）板式止回阀CB/T3819-1999从原理上也是旋启式止回阀的一种，因为该阀进出口无法兰属对夹式结构，故而阀体长度大大缩短，常安装于弯路较短的管路上，笔者所监造船也因为泵前空间位置不足，而将此旋启式止回阀阀改为了板式止回阀。

4排出型止回阀在负压吸入端悖逆工况

由上所述，足以证明将排出型止回阀安装在负压吸入管路上是悖逆真空吸入原理的，具体表现为：

（1）由于泵吸口的截止止回阀为排出型结构，使液体经阀盘后折角90°出口变为了进口，使被吸气体进入阀盘上部后，不是像吸入止回阀那样经一段垂直管路向上继续上升而是立即折角90°向侧部流动，产生了向上和横向两个方向的分力，二者分力的合成点近似为45°斜线以下，导致阀盘向上垂直吸力被消耗掉一大部分。与此同时，由于下部的升举力仍然均匀的作用于整个发盘下部，这样对应于阀盘上部折角至出口约90°范围内无垂直吸力区域就产生了失偶力矩，该力矩就会传递于阀盘导杆外侧面并作用于导管侧壁上，使导杆在套管内在做上升运动时同时对侧壁产生摩擦力。这种与阀盘开启方向不一致的分力和同时产生的失偶力矩导致阀盘升力不足和升力方向产生偏移，使阀盘在上升开启时极易被“掯住”。这是造成阀盘开启困难或无法开启的主要原因。

（2）由于升降式止回阀本身是有自重的，按照真空吸入高度原理，吸入管路中所被吸起的重物=增加同重量液体在垂直管内的体积高度，也就是说增加了自重式止回阀盘就等于提高了离心泵吸入高度，这也是阀盘开启困难或无法开启的第二个原因。

（3）由于阀盘导杆与套管间隙内，因海水产生的盐化污物或颗粒污物堵塞滑动间隙，使滑动阻力进一步加大是阀盘开启困难或无法开启的第三个原因。

（4）货舱污水井末端的吸入止回阀开启原理，与上述截止止回阀类同，故不赘述。而机舱污水井末端的吸入止回阀，因手控因素多设计为截止止回阀。与货舱污水井相比，机舱末端的止回阀工况泥沙是少了但多了些油污，因为末端阀吸入管达污水井底部，尽管机舱油污水不用此吸口抽取（有日用舱底泵），但垂直吸管在油污水中常年浸泡及应急工况下的使用使止回阀难免会染上油污，又因为日常不用使阀内油污一旦干涸后将固化在阀盘密封带及导杆间隙中，加之截止止回阀手动关闭时对阀盘环形密封带压力产生的真空密闭功效，使该止回阀在手控压力解除后阀盘起升打开难度再次加大，这是机舱末端截止止回阀增加打开难度的第四个原因。

（5）上述分析是针对单一止回阀，而系统设计上是两道同类型止回阀。本来一道门槛就很难逾越而又增加了一道门槛，因此两道阀盘的开启综合阻力将大于1+1，这是吸入系统两道阀盘根本无法同时开启的第五个原因。

（6）因为用专用真空泵装置抽取真空度的极限值仅为0.08 MPa，一般离心式立式泵自带或附带真空泵吸真空能力会远远低于该值，而卧式自吸离心泵的自真空能力则更差，加之阀盘上述四条开启困难原因是叠加在一起的，真空度的产生又是一个逐渐加大的过程，中间既没有负压脉冲也没有瞬间的喘息抖动，因此阀盘在初动力时一旦被掯住，即使后期真空度加大也不会轻易打开。

5结束语

综上所述，由于旋启式止回阀只是在泵前舱底水吸入和机舱-货舱污水井等末端设置，因此共计全船数量不会超过20只，但功效非凡，尤其是两泵前4只（常用仅为2只）有“一剑封喉”之功效。

旋启式止回阀结构原理、实际应用及效果应引起业内人士、设计师和船东足够的重视。

参考文献

[1] 中国船级社. 钢质海船入级规范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[2] 中国船舶工 业集团公司. 船舶标准全文系统[M]. 2004.

[3] 船舶工业标准目录[M]. 2009.

作者简介：张晰见（1956-），男，助理经济师。主要从事船舶监造及造船技术管理工作。

收稿日期：2014-01-13