楔形闸板的密封原理及其优化

１.概述

楔式闸阀的关闭件闸板是楔形的，使用楔形的目的是为了提高辅助的密封载荷，以使金属密封的楔式闸阀既能保证高的介质压力密封，也能对低的介质压力进行密封。这样，金属密封的楔式闸阀所能达到的潜在密封程度就比普通的金属密封平行闸阀高。但是，金属密封的楔式闸阀由楔入作用所产生的进口端密封载荷往往不足以达到进口端密封。

楔式闸阀的阀体上设有导向机构，可防止闸板在开启或关闭时旋转，从而保证密封面相应对准，并使闸板在未达到关闭位置之前不与阀座摩擦，从而减少密封面的磨损。

其缺点是楔式闸阀不能像带导流孔的平行式闸阀那样能设置导流孔，且阀杆的热膨胀也会使密封面过载。而且楔式闸阀的密封面比平行式闸阀更容易夹杂流动介质所带的固体颗粒。但如图３-３５所示的橡胶密封的楔式闸阀能对带微小颗粒的介质进行密封。像平行式闸阀一样，楔式闸阀也不适用于进行节流。主要是用于开关次数较少的场合。

图３-２４ 锻钢螺栓连接阀盖明杆螺纹连接和承插焊连接闸阀

与平行式闸阀相比，楔式闸阀使用的电动驱动装置较为复杂，因为电动驱动装置限制的不是行程，而是转矩。楔式闸阀必须有足够大的关闭力矩，才能在阀门关闭时，使闸板楔入阀座达到密封。为了能在全压差下开启，并允许因阀门的零部件的热膨胀而增加的启闭力矩，驱动装置必须有足够的力矩裕量。

２.楔式闸阀的类型

（１）锻钢螺栓连接阀盖明杆闸阀 如图３-２４～图３-２６所示，为螺纹连接、承插焊连接、对接焊连接和法兰连接的锻钢螺栓连接阀盖明杆闸阀（代号Ｂ.Ｂ；ＯＳ＆Ｙ）。

（２）锻钢螺纹焊接连接阀盖明杆闸阀 如图３-２７和图３-２８所示，为螺纹连接、承插焊连接和法兰连接的锻钢螺纹焊接连接阀盖明杆闸阀（代号Ｗ.Ｂ；ＯＳ＆Ｙ）。

图３-２５ 锻钢螺栓连接阀盖明杆法兰连接闸阀

图３-２６ 锻钢螺栓连接阀盖明杆对接焊连接闸阀

图３-２７ 锻钢螺纹焊接连接阀盖明杆螺纹连接和承插焊连接闸阀

图３-２８ 锻钢螺纹焊接连接阀盖明杆法兰连接闸阀

（３）锻钢螺栓连接阀盖暗杆闸阀 如图３-２９所示，为螺纹连接和承插焊连接的锻钢螺栓连接阀盖暗杆闸阀。

（４）锻钢螺纹焊接连接阀盖暗杆闸阀 如图３-３０所示，为螺纹连接和承插焊连接的锻钢螺纹焊接连接阀盖暗杆闸阀。

（５）铸钢明杆楔式单闸板闸阀 如图３-３１所示，为平法兰连接（ＲＦ）、环连接（ＲＴＪ）和焊接连接（ＢＷ）的铸钢明杆楔式单闸板闸阀。

图３-２９ 锻钢螺栓连接阀盖暗杆螺纹连接和承插焊连接闸阀

图３-３０ 锻钢螺纹焊接连接阀盖暗杆螺纹连接和承插焊连接闸阀

图３-３１ 铸钢明杆楔式单闸板平法兰连接、环连接和焊接连接的闸阀

１—阀体 ２—阀座 ３—闸板 ４—阀杆 ５—双头螺柱 ６—螺母 ７—垫片 ８—阀盖 ９—上密封座 １０—填料垫 １１—填料 １２—隔环 １３—销轴 １４—填料压套 １５—活节螺栓 １６—螺母 １７—填料压板 １８—阀杆螺母 １９—压环 ２０—手轮 ２１—锁紧螺母

图3-32 铸钢明杆楔式双闸板平法兰连接闸阀

图3-33 铸钢明杆楔式单闸板白压密封阀盖环连接闸阀

（６）铸钢明杆楔式双闸板闸阀 如图３-３２所示，为平法兰连接（ＲＦ）的铸钢明杆楔式双闸板闸阀。

（７）铸钢明杆楔式单闸板自压密封阀盖闸阀 如图３-３３所示，为环连接（ＲＴＪ）的铸钢明杆楔式单闸板自压密封阀盖闸阀。这种闸阀适用于高温高压的管路和装置上，作为启闭装置。

（８）铸钢制或铁制暗杆楔式单闸板闸阀 如图３-３４所示，为铸钢制或铁制暗杆楔式单闸板闸阀的结构图。这种结构唯一的优点是启闭时闸阀的高度不改变，因此安装空间较小，适用于大口径阀门和安装空间受限制的管路上，如地下管线。但这类阀门必须安装启闭指示器，以显示阀门的开度。这种结构的缺点是阀杆螺纹直接与介质接触，且容易被介质腐蚀，同时又无法润滑，因此容易损坏。

（９）软密封闸阀 如图３-３５所示，为碳钢制或铁制软密封楔式闸阀的结构图。这种闸阀的阀体通道下部圆滑，无沟槽，如同一段管道；靠闸板表面包覆的橡胶和阀体下部的圆形管道接触挤压密封。该阀具备了流道面积大、流阻系数小的优点，且阀体下部绝不藏污垢。闸板密封件整体包覆橡胶，从而有效隔绝金属与介质的直接接触，避免了介质经过阀门时阀门内件锈蚀而产生污染。该阀还可以通过改变闸板表面的包覆层、阀体内腔涂层或包覆材料，使阀门具有耐各种腐蚀性介质的能力。

（１０）低温明杆楔式单闸板闸阀 如图３-３６所示，为低温明杆楔式单闸板闸阀的结构图。该阀特点主要为长颈阀盖，保证填料部位的温度在０℃以上，阀体与阀盖的连接为法兰连接，连接端为对接焊连接和法兰连接。闸板为弹性闸板，但进口端必须开平衡孔。

３.楔式闸阀的密封原理

楔式闸阀的密封原理是靠楔形闸板上的两密封面和阀体上的两密封面楔入时的紧密结合来达密封的。使用楔形闸板的目的是为了提高辅助的密封载荷，以使金属密封的楔式闸阀既能对高介质压力，也能对低介质压力进行密封。关闭时顺时针旋转阀杆，使闸板密封面和阀体密封面密合而达到密封。但是，金属密封的楔式闸阀由楔入作用所产生的进口端密封比压受到介质的作用力往往不足以达到进口端密封。所以说金属密封楔式闸阀属单面强制密封。

图３-３４ 铸钢制或铁制暗杆楔式单闸板闸阀

图３-３５ 碳钢制或铁制楔式软密封闸阀

１—阀体 ２—闸板 ３—阀杆 ４—中法兰垫片 ５—阀盖 ６—填料 ７—阀杆螺母 ８、１０—螺栓 ９、１１—螺母 １２—垫圈 １３—标牌 １４—支架 １５—导轮

４.楔式闸阀所适用的场合

在各种类型的阀门中，闸阀是应用最广泛的一种。它一般只适用于全开或全闭，不能做调节和节流使用。

楔式闸阀一般用在对阀门的外形尺寸没有严格要求，而且使用条件又比较苛刻的场合。如高温高压的工作介质，要求关闭件要保证长期密封的情况下等。

通常，使用条件或要求密封性能可靠，高压、高压截止（压差大）、低压截止（压差小）、低噪声、有气穴和汽化现象、高温介质、低温（深冷）时，推荐使用楔式闸阀。如电力工业、石油炼制、石油化工、海洋石油、城市建设中的自来水工程和污水处理工程，化工等领域中应用较多。

５.楔式闸阀的选用原则

选择楔式闸阀一般依据下面的原则：

１）对阀门流体特性的要求。流阻小、流通能力强、流量特性好、密封要求严的工况选用闸阀。

２）高温、高压介质，如高压蒸汽、高温高压油品

３）低温（深冷）介质，如液氮、液氢、液氧等介质。

４）低压大口径，如自来水工程、污水处理工程。

５）安装位置。当高度受限制时用暗杆楔式闸阀；当安装高度不受限制时用明杆楔式闸阀。

６）只能作开启、关闭用，不能做调节或节流用的场合，才选用楔式闸阀。

７）在开启和关闭频率较低的场合下，宜选用楔式闸阀。

６.楔式闸阀产品介绍

（１）螺纹连接和承插焊连接锻钢闸阀 如图３-３７所示。

１）型号规格见表３-３２。

２）应用规范：①设计制造按ＡＳＭＥ Ｂ１６.３４、ＡＰＩ ６０２；②连接端尺寸：承插孔尺寸按ＡＳＭＥ Ｂ１６.１１、ＪＩＳＢ ２３０６，螺纹端尺寸按ＡＳＭＥ Ｂ１.２０.１、ＢＳ２１、ＩＳＯ ７-１、ＪＩＳＢ０２０３；③阀门检验和试验按ＡＰＩ５９８；④结构特征为Ｂ.Ｂ、ＯＳ＆.Ｙ或Ｗ.Ｂ，ＯＳ＆.Ｙ、Ｂ.Ｂ、Ｉ.Ｓ或Ｗ.ＢＩ.Ｓ；⑤材料按ＡＳＴＭ的规定；⑥主体材料为Ａ１０５、Ｆ５、Ｆ１１、Ｆ２２、Ｆ３０４、Ｆ３０４Ｌ、Ｆ３１６、Ｆ３１６Ｌ、Ｆ３０４Ｈ、Ｆ３１６Ｈ等。

图３-３６ 低温明杆楔式单闸板闸阀

图３-３７ 螺纹连接和承插焊连接锻钢闸阀产品结构

ａ）Ｚ８ ｂ）ＨＺ８ ｃ）ＩＺ８ ｄ）ＨＩＺ８

表３-３２ 螺纹连接和承插焊连接锻钢闸阀产品型号规格表

（续）

注：∗表示有此规格。

３）主要外形尺寸和连接尺寸见表３-３３。

表３-３３ 螺纹连接和承插焊连接锻钢闸阀主要外形尺寸、连接尺寸和重量

（２）对接焊连接锻钢闸阀 如图３-３８所示。

１）型号规格见表３-３４。

表３-３４ 对接焊连接锻钢闸阀产品型号规格表

注：∗表示有此规格。

２）应用规范：①设计制造按ＡＳＭＥ Ｂ１６.３４、ＡＰＩ ６０２；②结构长度按ＡＳＭＥ Ｂ１６.１０；③连接端尺寸按ＡＳＭＥ Ｂ１６.２５（Ｂ.Ｗ）；④阀门检验和试验按ＡＰＩ ５９８；⑤结构特征为Ｂ.Ｂ、ＯＳ＆Ｙ；⑥主体材料为Ａ１０５、Ｆ５、Ｆ１１、Ｆ２２、３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌ、Ｆ３０４Ｈ、Ｆ３１６Ｈ等。

３）主要外形尺寸与连接尺寸见表３-３５。

（３）法兰连接锻钢闸阀 如图３-３９所示。

１）型号规格见表３-３６。

２）应用规范：①设计制造按ＡＳＭＥ Ｂ１６.３４、ＡＰＩ ６０２；②结构长度按ＡＳＭＥ Ｂ１６.１０、ＪＩＳ Ｂ２００２；③连接端法兰尺寸：ａ.ＣＬ１５０、ＣＬ３００和ＣＬ６００按ＡＳＭＥ Ｂ１６.５（ＲＦ），ｂ.１０Ｋ按ＪＩＳ Ｂ２２１４，２０Ｋ按ＪＩＳ Ｂ２２１４，３０Ｋ和４０Ｋ按ＪＩＳ Ｂ２２１５；④阀门检验和试验按ＡＰＩ ５９８；⑤结构特征：ａ.Ｂ.Ｂ；ＯＳ＆Ｙ或Ｗ.Ｂ；ＯＳ＆Ｙ，ｂ.缩径（Ｒ.Ｐ）或全径（Ｆ.Ｐ）；⑥材料按ＡＳＴＭ的规定；⑦主体材料为Ａ１０５、Ｆ５、Ｆ１１、Ｆ２２、３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌ、Ｆ３０４Ｈ、Ｆ３１６Ｈ等。

图３-３８ 对接焊连接锻钢闸阀

３）主要外形尺寸与连接尺寸见表３-３７、表３-３８。

表３-３５ 对接焊连接锻钢闸阀主要外形尺寸、连接尺寸和重量

图３-３９ 法兰连接锻钢闸阀

ａ）Ｚ３Ｆ ｂ）ＨＺ３Ｆ

表３-３６ 法兰连接锻钢闸阀产品型号规格表

注：∗表示有此规格。

表３-３７ 法兰连接锻钢闸阀主要外形尺寸、连接尺寸和重量（一） （单位：ｍｍ）

表３-３８ 法兰连接锻钢闸阀主要外形尺寸、连接尺寸和重量（二） （单位：ｍｍ）

４）主要零件材料见表３-３９。

表３-３９ 法兰连接锻钢闸阀主要零件材料

（续）

注：１.ＳＴＬ为司太立特ｓｔｅｌｌｉｔｅ硬质合金。

２.密封副构成：闸阀（闸板/密封圈）、截止阀、节流阀、止回阀（阀瓣/阀座）。

３.特别含硫油气管路专用阀门（抗硫阀）阀体与内件均经严格监控硬度，完全符合美国防腐工程学会ＮＡＣＥＭＲ-０１-７５规范。

５）主要生产厂家：超达阀门集团股份有限公司、北京首高高压阀门制造有限公司。

（４）钢制楔式闸阀 如图３-４０所示及见表３-４０～表３-４３。

表３-４０ 钢制楔式闸阀主要性能规范

图３-４０ 钢制楔式闸阀

表３-４１ 钢制楔式闸阀主要尺寸及重量

（续）

表３-４２ 钢制楔式闸阀主要零件材料

表３-４３ 钢制楔式闸阀产品主要生产厂家

图３-４１ 低温楔式闸阀

（５）低温楔式闸阀 如图３-４１所示及见表３-４４～表３-４７。

表３-４４ 低温楔式闸阀主要性能规范

表３-４５ 低温楔式闸阀主要尺寸及重量

① 产品型号中的Ｃ_３表示阀体材料为ＡＳＴＭ Ａ３５２/Ａ３５２Ｍ ＬＣＢ。

② 产品型号中的Ｃ_１０表示阀体材料为ＡＳＴＭ Ａ３５２/Ａ３５２Ｍ ＬＣ３。

表３-４６ 低温楔式闸阀主要零件材料

表３-４７ 低温楔式闸阀低温壳体材料及最低使用温度

（６）美标弹性闸板楔式闸阀 如图３-４２所示及见表３-４８、表３-４９。

（７）国标弹性闸板楔式闸阀 如图３-４３所示及见表３-５０～表３-５２。

图３-４２ 美标弹性闸板楔式闸阀

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图３-４３ 国标弹性闸板楔式闸阀

表３-４８ 美标弹性闸板楔式闸阀主要性能规范

（续）

表３-４９ 美标弹性闸板楔式闸阀主要尺寸及重量

表３-５０ 国标弹性闸板楔式闸阀主要性能规范

表３-５１ 国标弹性闸板楔式闸阀主要尺寸及重量

（续）

表３-５２ 国标弹性闸板楔式闸阀主要零件材料

（８）中压国标弹性闸板楔式闸阀 如图３-４４所示及见表３-５３～表３-５５。

表３-５３ 中压国标弹性闸板楔式闸阀主要性能规范

图３-４４ 中压国标弹性闸板楔式闸阀

表３-５４ 中压国标弹性闸板楔式闸阀主要尺寸及重量

表３-５５ 中压国标弹性闸板楔式闸阀主要零件材料

（９）高压国标弹性闸板楔式闸阀 如图３-４５所示及见表３-５６～表３-５８。

图３-４５ 高压国标弹性闸板楔式闸阀

表３-５６ 高压国标弹性闸板楔式闸阀主要性能规范

表３-５７ 高压国标弹性闸板楔式闸阀主要尺寸及重量

（续）

表３-５８ 高压国标弹性闸板楔式闸阀主要零件材料

（１０）高压硬质合金密封弹性闸板楔式闸阀 如图３-４６所示及见表３-５９～表３-６１。

表３-５９ 高压硬质合金密封弹性闸板楔式闸阀主要性能规范

图３-４６ 高压硬质合金密封弹性闸板楔式闸阀

表３-６０ 高压硬质合金密封弹性闸板楔式闸阀主要尺寸及重量

表３-６１ 高压硬质合金密封弹性闸板楔式闸阀主要零件材料

（１１）Ｚ４０Ｙ-２００、Ｚ４０Ｙ-２５０型楔式闸阀 如图３-４７所示及见表３-６２～表３-６４。

表３-６２ 弹性闸板楔式闸阀主要性能规范

图３-４７ 弹性闸板楔式闸阀

表３-６３ 弹性闸板楔式闸阀主要尺寸及重量

表３-６４ 弹性闸板楔式闸阀主要零件材料

注：主要阀门生产厂家：超达阀门集团股份有限公司、浙江褔瑞科流控机械有限公司。

（１２）ＣＬ１５０～ＣＬ２５００铸钢楔式闸阀 如图３-４８所示及见表３-６５～表３-６８。

表３-６５ ＡＰＩ标准铸钢楔式闸阀执行标准

表３-６６ ＡＰＩ标准铸钢楔式闸阀试验压力（壳体材料ＷＣＢ）

图３-４８ ＡＰＩ标准铸钢楔式闸阀

表３-６７ ＡＰＩ标准铸钢楔式闸阀主要尺寸及重量

（续）

（续）

（续）

①采用环连接面法兰。②采用环连接面法兰和焊接连接端。③采用环连接面法兰（ＲＴＪ）和焊接连接端。

表３-６８ ＡＰＩ标准铸钢楔式闸阀主要零件材料及适用温度与介质

注：主要阀门生产厂家为超达阀门集团股份有限公司。

（１３）ＡＰＩ标准低温楔式闸阀

如图３-４９所示，见表３-６９～表３-７２。

表３-６９ ＡＰＩ标准低温楔式闸阀主要性能规范

表３-７０ ＡＰＩ标准低温楔式闸阀执行标准

图３-４９ ＡＰＩ标准低温楔式闸阀

表３-７１ ＡＰＩ标准低温楔式闸阀主要尺寸

表３-７２ ＡＰＩ标准低温楔式闸阀主要零件材料

注：主要生产厂家为圣博莱阀门有限公司。

（１４）ＡＰＩ标准楔式闸阀 如图３-５０所示及见表３-７３～表３-７６。

（１５）ＪＩＳＫ级铸钢楔式闸阀 如图３-５１所示及见表３-７７～表３-８０。

图３-５０ ＡＰＩ标准楔式闸阀

图３-５１ ＪＩＳＫ级铸钢楔式闸阀

表３-７３ ＡＰＩ标准楔式闸阀执行标准

表３-７４ ＡＰＩ标准楔式闸阀主要性能规范

表３-７５ ＡＰＩ标准楔式闸阀主要尺寸

（续）

表３-７６ ＡＰＩ标准楔式闸阀主要零件材料

注：主要生产厂家：超达阀门集团股份有限公司、浙江福瑞科流控机械有限公司。

表３-７７ ＪＩＳＫ级铸钢楔式闸阀执行标准

表３-７８ ＪＩＳＫ级铸钢楔式闸阀试验压力

表３-７９ ＪＩＳＫ级铸钢楔式闸阀主要尺寸及重量

表3-80 JIS K级铸钢楔式闸阀主要零件材料及适用温度与介质

（１６）ＡＰＩ标准压力级压力密封高压闸阀 如图３-５２所示及见表３-８１～表３-８４。

图３-５２ ＡＰＩ标准压力密封高压闸阀

表３-８１ ＡＰＩ标准压力密封高压闸阀执行标准

表３-８２ ＡＰＩ标准压力密封高压闸阀试验压力 （单位：ＭＰａ）

表３-８３ ＡＰＩ标准压力密封高压闸阀主要尺寸

（续）

表３-８４ ＡＰＩ标准压力密封高压闸阀主要零件材料

（１７）法兰连接波纹管闸阀

法兰连接波纹管闸阀如图３-５３所示及见表３-８５～表３-８７。

表３-８５ 设计、制造、检验标准

图３-５３ 法兰连接波纹管闸阀

表３-８６ 主要外形尺寸与连接尺寸

（续）

表３-８７ 主要零件材料

波纹管闸阀生产厂家：浙江（杭州）万龙机械有限公司。