船用阀门设计要点综述 *

刘兴玉，赵朋举，张 毅，原晨岩

(中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000)

0 引 言

阀门作为船用装备中的重要压力管道元件，其主要功能是根据需要对通过管路系统的介质流量、压力和流动方向进行调整和控制，调节过程要求其具有较好的可操作性和控制可靠性[1]。曾有人说：“操控船舶的关键之处是阀件”，这足以说明阀门对船舶控制的重要性[2]。阀门在船舶应用中具有种类多、用量大、要求高等特点。近年来，随着我国船舶装备性能总体要求的提升，船用阀门的技术要求也不断提高，以小型化、轻量化、模块化、信息化、智能化、高可靠性等技术为特征的新产品逐渐被广泛应用，推动着我国船用阀门的持续进步。

科学合理地设计，是保证船用阀门使用可靠性的重要前提。因此，就新型船用阀门的设计要点进行简要分析，以期对船用阀门设计者提供一定的帮助。

1 材料选用

船用阀门的铸件和锻件材料除了对强度、刚度、硬度等要求有较好的力学性能外，还要考虑耐海洋性气候、甚至耐浸泡腐蚀、电偶腐蚀等综合性能[3]。目前船用阀门按主体材料可分为铸铁阀门、钢制阀门、铜合金阀门、钛及钛合金阀门等。通常情况下，船用阀门的选材按GB/T 600-2008中附录A中的规定进行。

1.1 主体材料

近年来，随着新材料、新工艺、新技术的不断发展，新型船用阀门也提出了全寿命要求，旧的选材体系已不能满足新型船用阀门的使用要求。设计者在进行船用铜合金阀门选材时，可考虑采用铝青铜(ZCuAl9Mn2、ZCuAl9Fe4Ni4Mn2)、镍铝青铜(ASTM B148 C95800)等强度更高、耐冲刷腐蚀性能更好的材料替代传统的锡青铜(ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuSn10Zn2)、硅黄铜(ZCuZn16Si4)等材料。必要时可选用钛及钛合金材料，但必须注意钛及钛合金阀门内件材料的选择应避免导电性腐蚀介质所产生的电偶腐蚀，并防止咬合或擦伤[4]。

1.2 紧固件材料

紧固件选材除了需要考虑其强度外，还要考虑其与被连接件的材料匹配性，在选用钛合金紧固件时还必须把其刚度作为一个重要考虑因素。

选用碳素钢紧固件时一般要进行表面镀锌处理，在海水浸泡环境使用时一般采用镀镉处理；不锈钢紧固件一般选用A4-70或A4-80[5]；铜合金紧固件一般选用CU4或CU7；钛及钛合金紧固件材料一般选用TA2、TA5、TA31。钛及钛合金紧固件易发生咬死现象，为了防止螺纹咬死，一般可通过内外螺纹零件选用不同的材料牌号、不同的材料状态或对紧固件进行表面处理等措施来加以解决。

1.3 密封件材料

船用阀门密封件可分为垫片类、胶圈类和填料类等。根据设计及使用工况环境要求，垫片和胶圈类常用材料有芳纶橡胶、石棉橡胶板、聚四氟乙烯、丁腈橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、缠绕垫片、金属垫片等；填料常选用聚四氟乙烯组合填料、盘根填料、柔性石墨组合填料等。船用阀门密封件常用材料和选用可参阅本文参考文献[6]～[19]或查阅相关资料。

2 方案设计

2.1 结构紧凑性要求

对设计者来说，为了给船舶提供更大的空间和负载能力，小型化和轻量化在新型船舶阀门中显得尤为重要，即需要做到外形尺寸小、总体质量轻的紧凑型结构设计。

紧凑型结构设计的首要工作是选择合适的标准，明确各零部件的安全系数，制定科学的设计方案，对设计和计算过程进行迭代优化。

通常情况下，船用阀门的设计标准和接口标准应优先选用或参照相应的船舶行业标准；阀门结构长度按GB/T 11698-2008的规定，非标阀门结构长度应尽量采用就小原则；除非另有规定，水下阀门产品的设计安全系数应高于水上阀门产品，水下阀门承压件的安全系数一般不小于4.0。

2.2 防外漏要求

鉴于船用阀门应用领域的特殊性，对某些系统而言，阀门外漏可能会对船舶设备造成灾难性后果。因此，阀门外漏是船用阀门的重大禁忌。对于船用阀门而言，一般要求在设计上必须有防止阀门外漏的预案和措施。

与其它领域用阀一样，船用阀门的外漏主要发生在阀杆、填料和填料函组成的密封副，阀体与阀盖的连接部分或分体式阀体的连接部位。相较而言，阀杆密封副由于存在动密封，因此其外漏控制难度更大[20]。这也因此是船用阀门防外漏设计需要关注的主要因素。为了降低阀门的外漏风险，可以在以下因素中加以注意：

(1) 提高相关零件的加工精度。经验表明，阀门和填料函的加工精度和表面质量对阀杆密封副的影响非常明显。一般要求阀杆填料函处的表面粗糙度要达到Ra0.8，圆柱度达到8级要求，填料函处的表面粗糙度达到Ra3.2。同时应选择合理的填料函底部与阀杆的配合间隙以及填料压盖与阀杆的配合间隙，因为合理的配合间隙既可以减小阀杆的偏移，有可有效防止填料的流失。

(2) 提高阀杆的表面耐磨性。阀门启闭过程会造成其表面磨损，不均匀的磨损后会造成密封处的配合间隙过大，进而造成外漏风险增大。常用的提高阀杆耐磨性的措施有热处理、渗氮、镀合金等。一般应根据工况条件选择合理的表面耐磨处理工艺。

(3) 选择合适的填料形式和组合。填料的选择视使用工况而定，但改变填料的组合形式或形状可以提高填料的密封性能。例如，对于石墨填料，上下层常用编织石墨，中间层则用模压石墨环的组合结构；上下层采用编织石墨可以防止填料通过阀杆与填料函的间隙漏出，而中间采用模压石墨环则可以充分利用石墨良好的塑性和自润滑性。当采用聚四氟乙烯填料时，可采用倒V形组合填料，借助其结构上的密封力，使得密封更可靠。

(4) 采取其它方面的措施。除了上述措施外，其它方面的防外漏措施有，在设计中尽量减少外漏点；在阀杆处增加辅助密封设计或者采取泄漏预案及措施；在填料中增设灯笼环结构；双阀座阀门尽量采用上游密封；阀门在关闭状态时尽量把阀杆设计在密封副的下游，以减低介质对填料函消极影响及载荷等。

2.3 防差错要求

产品差错主要包括设计差错、制造差错和操作差错，文中所述主要是设计中需要考虑的防操作差错要求。

船用阀门不同于其它领域用阀，设计者在进行产品设计时应充分考虑船舶的各种紧急和恶劣工况及相应工况环境下操作阀门的船舶及人员状态。比如，在照明条件不好时应考虑盲操阀门的可能性。CB/T 3530-93中规定了应用于船舶管路阀件不同系统中的手轮结构型式，有部分原因就是基于此方面的因素考虑。特别是水下工况，有些系统阀门的误操作可能会对船舶和人员造成不可估量的后果。因此，重要系统阀门的防差错设计必须要引起设计者足够的重视。

2.4 结构可靠性要求

为了保证船用阀门的结构可靠性要求，设计者应在以下方面加以注意。

(1) 精简结构。一般情况下，产品零部件种类和数量越多，产品出现故障的概率也随之增大。因此，在保证阀门产品功能和性能的条件下，应尽量简化结构，减少零部件数量。只有精炼的、简单的才是设计的进步，这也理应作为设计者追求的目标。

(2) 考虑环境适应性要求。船用阀门的环境适应性一般应满足相关环境工况标准中的规定。比如，在进行船用阀门强度计算时，应考虑产品的抗冲击性能；为满足船舶环境的抗振要求，船用阀门一般应注意防松结构设计，且通常情况下应优先采用机械防松结构。另外，有些系统用阀还要考虑防火设计等。

(3) 特殊工况要求。船舶管路系统的关键部位用阀，尽量选用截止类阀门，而不推荐采用球阀类结构。为了保证阀门关闭件的密封可靠性，高压侧介质流入方向尽量与阀门关闭件的关闭方向一致，文献[21]-[22]中所述舌阀和CB 587-2004中的阀门结构即是此类阀门的典型案例。另外，有些船用阀门在设计时还要考虑火灾或事故工况下的正常动作等。

2.5 安装及维修工艺性要求

船用阀门的安装及维修工艺性是设计者应考虑的重要方面，良好的安装及维护工艺性通常要考虑以下两个方面。

(1) 可达性要求。可达性是指手容易接近维修处，并易于观察到维修部位[23]。鉴于船舶空间有限，一般情况下不可能给船用设备留出太好的安装和维修位置。因此，在进行船用阀门设计时应使阀门外部接口尽量集中并布置在同一个方位上，外部接口和检修部位应具有较好的安装及维修可达性。

(2) 便于调整或更换。一些零件在使用过程中常会发生一些性能改变或损坏，进而影响产品整体性能。例如，阀杆密封采用O形圈密封出现因O形圈失效而发生泄漏情况则一般需要更换O形圈，阀杆密封若采用填料密封，出现填料磨损泄漏时一般对填料进行再次压紧即可快速解决泄漏问题。为了便于维修，一是要尽可能采用标准件，二是要尽量采用模块化设计，即将某一部分很容易整体拆卸，然后再换上备用单元，节省维修时间。

3 结 语

基于新型船用阀门的使用要求，对船用阀门的选材要求和设计原则进行了简述，重点介绍了船用阀门的选材和结构设计要求，并给出了设计建议。

船用阀门在设计上有别于一般行业用阀，主要是由其特殊使用要求所决定的。因此，设计者在进行船用阀门设计前就应考虑到这一点并具有充分的认识。而不是盲目地套用一般阀门的设计规定，更不能直接采用一般阀门的结构设计，否则将可能产生极大的质量风险和安全隐患。