蒸汽疏水和疏水阀

由于不可凝性气体不能液化，会在设备内管壁产生空气绑，启机时管道内的初始空气和运行中的部分热空气，会大大降低蒸汽的传热效率，致使蒸汽和被加热介质之间的热交换能力显著降低。所以必须将管道或换热设备中冷凝水和空气及时排除以提高换热效率。

蒸汽系统运行时，高速流动的蒸汽推动大量冷凝水，使其在管壁、阀门及设备上产生猛烈的撞击和波动，这种现象称为“水锤”。当水锤到达管道拐弯处，突然由高速转向静止，就会将所有的动能以压力的形式释放到转弯处的管壁，如果水锤的速度很快，或冷凝水量很大，就会大大降低管件的寿命或者使管壁破裂，即使速度慢或质量小，也会产生很大的噪音和震荡。严重时将会造成整个系统无法安全运行。

笔者在历年工作中，也经过过蒸汽管道开始开启时，管道剧烈震动，把管道连接卡箍震松动，大量蒸汽喷射的事故，代价惨痛。务必引起高度重视。

蒸汽管道和设备内的冷凝水、空气会产生化学反应，会使蒸汽管道和设备内产生腐蚀。蒸汽管道及换热设备内积存的冷凝水与空气，是引发系统金属腐蚀的核心诱因。空气中的氧气、二氧化碳等不凝性组分溶解于冷凝水后，会形成具有腐蚀性的电解质环境，对碳钢等常用金属材质产生电化学腐蚀：其中氧气是最核心的腐蚀因子，会诱发吸氧腐蚀，在管道低洼段、换热死角等长期积水部位更易形成局部点蚀，造成管壁均匀减薄，严重时直接引发穿孔泄漏；二氧化碳溶解后会生成碳酸，拉低冷凝水 pH 值，进一步加剧酸性腐蚀进程。

不管形式如何变化，有三种基本类型的蒸汽疏水阀，这三种类型在国际标准ISO 6704:1982有详细阐述：

广泛来讲，还有固定排放口式疏水阀，实际上它只有一个固定的小孔以排放在某一条件下固定量的冷凝水，不能算是自动机械装置。

笔者观点：这个制药行业用的最多

注：生产常见疏水阀BTM7拆解示意（实拍）

优点:

• 小巧轻便，相对其尺寸来说排量较大。

• 起机阶段阀门全开，能快速排除空气和其它不凝结性气体，负荷最大时，能排除大量冷凝水。

• 这种类型的疏水阀在室外环境下不易冰冻（除非是疏水阀后管道有提升，在停用蒸汽后冷凝水倒流，浸满疏水阀）。

• 现有的压力平衡式疏水阀可随蒸汽压力的变化而自动调节，直至其最高工作压力，可耐受70℃的过热度。

• 疏水阀维护简单方便，液囊和阀座均可拆卸，更换迅速，无需从管道上拆下疏水阀。

缺点:

• 老式的压力平衡式疏水阀的感温元件为波纹管式，易受水锤破坏或冷凝水腐蚀。焊接的不锈钢液囊有的很大改进，能抵抗以上不利条件。

• 和其它热静力式疏水阀一样，压力平衡式疏水阀直到冷凝水温度降低到低于饱和蒸汽温度一定温度之下才会打开（过冷度由填充在液囊中的液体决定）。很明显，它的缺点是不能用在需及时排除冷凝水（不能积水）的应用场合，例如，蒸汽主管疏水、换热器疏水及关键伴热等。

顾名思义，双金属式疏水阀内部元件由两条膨胀系数不同的金属片焊接到一起制成的。受热后，该元件弯曲变形。

有两点要着重考虑：

• 疏水阀是固定温度疏水，无法满足蒸汽系统中压力和温度变化的需求

• 一个单一的双金属元件产生的力量很小，需要很多这样的元件， 这样在蒸汽系统中随温度变化的反应较慢

优点:

• 双金属式疏水阀通常结构紧凑，有很大的冷凝水排量。

• 该阀在起机时完全打开，可顺利排除空气和大量的冷凝水。

• 由于冷凝水能顺利排离阀门出口，该阀门不会被冻结。即使结冰，由于阀体设计的原因，也不会被冻坏。

• 双金属式疏水阀通常能抵抗水锤、冷凝水侵蚀和蒸汽高压。

• 双金属元件工作压力范围很广。如果阀芯在阀座的下游，可以防止倒流，但是如果有倒流的可能性，还是应该在疏水阀下游装止回阀。

• 由于冷凝水在饱和温度以下排放，蒸汽空间允许积水，则冷凝水的显热可以继续被利用一部分，在冷凝水被排放之前，可以被最大限度的利用其中的热量，这也是这种疏水阀经常用在伴热管线，又不回收冷凝水场合的原因。

• 该疏水阀维护方便容易，无需从管道上拆下阀体，即可更换内部件。

• 冷凝水从高压排放到低压条件下会产生闪蒸蒸汽，这无疑会增加冷凝水管道的背压，而冷却段可以使冷凝水的温度更低，产生的闪蒸蒸汽更少，这样就降低了冷凝水管道背压。

缺点:

• 由于冷凝水低于蒸汽饱和温度排放，蒸汽空间内会产生积水，除非增加长冷却段，一般为1~3m的光管，双金属式疏水阀不适合安装在必须及时排除冷凝水的的制程设备中，尤其是一些温控设备中。

• 一些双金属式疏水阀由于内部流速较低，受管道内污垢影响容易堵塞。而一些双金属式疏水阀有特殊形状的阀芯，排放时能利用上游压力使阀门开度很大，呈间歇性排放，而不是连续的滴排，这样就起到了自洁的作用，该阀芯有时称为动力阀芯。

• 如果双金属式疏水阀的排放背压较高，那末冷凝水必须冷却到比正常工作温度更低的状态，阀门才能打开。如果排放背压增加50%，排放温度可能最大降低50℃，这显然需要更长的冷却段。因为双金属元件的反应较慢，不能对快速变化的负荷或压力作出迅速反应。

杠杆浮球式疏水阀靠感应蒸汽和冷凝水之间的密度不同来工作，如图所示，冷凝水到达疏水阀后，浮球上浮，阀芯离开阀座，排除冷凝水。从图中可以看出，阀芯和阀座始终处于水面以下，蒸汽和空气无法通过，早期这种疏水阀是在阀体顶部加一手动排气口，现在疏水阀内部装了一个热静力式排气阀，如图所示，这样可以排放启动时的空气，同时还可以排放冷凝水。 

优点：

• 该阀能在饱和蒸汽温度下持续排放冷凝水，这使得它成为那些传热率高、要求快速加热的场合的首选。

• 不管冷凝水多少，都能自如排放，并且不受压力或流量的大幅度突然变化的影响。

• 只要安装自动排气阀，疏水阀就能自动排放空气。

• 相对其口径来说，排量很大。

• 带有破汽锁装置的疏水阀是唯一种非常适合用在发生蒸汽汽锁场合的疏水阀。

• 抗水锤现象。

缺点：

• 虽然其结实牢固程度不亚于倒吊桶疏水阀，但如果暴露在外部环境中，浮球式疏水阀会被严重冰冻损坏，疏水阀应该良好保温和/或应用一个辅助的热静力式疏水阀。

• 和所有的机械型疏水阀一样，不同的内部件有不同的工作压力范围，在高压差下工作的疏水阀排放孔较小, 以平衡浮球的浮力。

倒吊桶式疏水阀如图所示，顾名思义，其机械装置包括一个倒吊桶，通过一个连杆和阀相连，该阀的一个重要部分是倒吊桶顶部的一个小排气孔。图中显示了工作过程。在(i)中，桶落下，拉动阀芯离开阀座，冷凝水从倒吊桶底部流入，充满整个阀体内部空间，从上部的出口流出；在(ii)中，蒸汽进入，倒吊桶产生浮力，上升关闭出口；在(iii)中疏水阀保持关闭，直至倒吊桶内的蒸气冷凝或通过排气小孔排放到阀体的顶部后桶下沉，阀门将再次打开，排放冷凝水。如此不断往复循环。在(ii)中，起机阶段时，到达疏水阀的空气也会使倒吊桶浮起，关闭阀门，此时倒吊桶顶部的排气小孔起了非常重要的作用，通过这个小孔空气可排放到疏水阀的顶部，最终通过主阀座排出，由于孔小及孔上下两侧压差小，所以排除空气比较慢。同时，一旦空气排完后，由于该疏水阀的工作特性，需要排出一定数量的蒸汽（造成了浪费）。和该疏水阀并联安装一排空气阀可缩短起机时间

优点：

• 倒吊桶式疏水阀可抵抗高压、耐水锤。加装进口加止回阀后，可用于过热蒸汽系统。

• 失效模式通常为常开，需要这种特点的应用比较安全，例如汽轮机疏水。

缺点：

• 倒吊桶顶部的小孔很小，这样排空气速度就会很慢，而孔又不能过大，否则在正常运行中蒸汽就会通过这个小孔大量逃逸掉。

• 在阀体内部必须有足够的水，在倒吊桶的下沿之上形成水封。如果失去水封，蒸汽会通过阀门出口直接排放。

• 在应用中，这样的事情经常发生：蒸汽压力突然降低，就会使阀体内部的一些冷凝水闪蒸成蒸汽，倒吊桶失去浮力下沉，通过出口泄漏蒸汽，直至充足的冷凝水进入疏水阀，重新形成水封，才能阻止蒸汽泄漏浪费。

• 如果倒吊桶式疏水阀应用在压力波动较大的设备上，需在疏水阀前面进口处安装止回阀，蒸气和水可沿所示方向自由流动，由于止回阀的作用，就不可能发生倒流了。

• 较高的过热蒸汽温度也可能会使倒吊桶式疏水阀失去水封，在这种条件下，同样也要在疏水阀的前面安装一止回阀。有些倒吊桶式疏水阀制造时，作为标准配置安装了内置止回阀。

• 倒吊桶式疏水阀暴露在外部环境中，如果温度是摄氏零度以下，可能会被冰冻损坏。和其它机械型疏水阀一样，需要保温。

• 如果环境条件不是很严酷，适当的保温即可解决问题，但如果能预料到环境温度较低，请考虑使用其它更为结实的疏水阀。如主管疏水，热动力式疏水阀将是首选。

热动力式疏水阀是一种非常结实且工作方式简单的疏水阀。这种疏水阀靠闪蒸蒸汽经过疏水阀时产生的动力作用工作。

碟片的动作频率由蒸汽温度和环境条件决定，大多数疏水阀每隔20~40s打开一次。如果疏水阀开关频繁，可能是由于风、雨或低温引起的，在疏水阀的顶部加盖隔热帽可降低频率

优点：

1. 热动力式疏水阀无需调整或改变内部件即可在整个工作范围内工作。

2. 结构紧凑、简单、重量轻，就其尺寸而言排量大。热动力式疏水阀可用于高压和过热蒸汽，抗水锤和震动，不锈钢结构可抗冷凝水腐蚀。热动力式疏水阀不会被冰冻损坏，但当碟片处于垂直方向且直排大气时碟片边缘容易磨损。由于碟片是唯一的运动部件，维护起来很方便，无需从管道上拆下疏水阀。疏水阀开关时发出清脆的“咔嗒”声，可很容易监试疏水阀的工作状态。

缺点：

• 热动力式疏水阀不能在低压差下工作，因为在这种情况下，碟片下面的流速较低，不足以产生低压。疏水阀的进口压力不能太低（一般不低于0.25 bar g），且背压不能高于进口压力的80%。

• 热动力式疏水阀在启动阶段如果进口压力增加较慢，可排放大量空气，但是，若压力增加较快，空气流速过快就会像蒸汽那样形成气阻，这样就要和其并联安装一个热静力式排气阀。现在的热动力式疏水阀，有了内置的防气阻碟片，这样碟片上部的空气就能排放掉，不会形成气阻。

• 该疏水阀排放时，有噪声，不能用于某些场合，如医院的病房或手术室。但可以在疏水阀上安装消音器，能大大降低噪声。

• 应该注意，热动力式疏水阀选型不能过大，否则会动作过频，增加磨损，主管疏水要安装低排量的疏水阀，并要正确安装集水槽

所有疏水阀的排放口均较小，如管道中的杂质、焊渣等进入疏水阀，就很容易引起堵塞，从而导致疏水阀的泄漏或损害，因此需要在疏水阀上游安装Y形过滤器

当排水管中存在背压，为防止疏水阀进口压力降低或停机时蒸汽空间积水 ， 应在疏水阀下游安装止回阀。

旁通忘记关闭会导致蒸汽泄漏或疏水阀故障，并增加冷凝水管道的压力，从而影响其它疏水阀的工作，因此我们不建议安装旁通。

疏水阀的安装位置应低于用汽设备的出口，在疏水阀的进口和设备出口之间 应 有 150 mm 左 右 的 下降管。

应确保疏水阀正确的安装方向，尤其对于有垂直升降机构的机械式疏 水 阀 （如浮球式和倒吊桶疏水阀），如安装方向不正确会导致疏水阀的磨损、失效及泄漏蒸汽 .（下图为设备资料截取）

热动力蒸汽疏水阀虽然能在任何安装方位工作，但安装于水平管道能获取得最大的使用寿命。

有些用户为节约费用，使用一个疏水阀来排放多个设备的冷凝水，这被称为群组疏水。但实际上由于各设备不同的工作情况，会导致系统积水现象，因此应避免群组疏水

对带温度控制的换热设备，应尽量避免冷凝水排放管向上的提升，因为在系统负荷降低时换热器内的压力降低而不足于把冷凝水排放出去，从而使设备产生积水、水锤等现象。

疏水阀应尽可能接近被疏水设备的出口以防止出现蒸汽汽锁。当冷凝水出口和疏水阀之间的管道中充满蒸汽时，冷凝水将无法到达疏水阀，从而造成汽锁，设备积水，影响工作效率。

如果热静力疏水阀用于蒸汽空间不允许积水的场合，需要在疏水阀上游加装一段冷却段，一般为2米左右

倒吊桶疏水阀应用于过热蒸汽或系统压力波动很大的系统时，应在进口安装止回阀以避免失去水封而泄漏蒸汽。

在一些应用中，倒吊桶疏水阀因为不能迅速排除空气会导致预热时间加长，设备积水，应安装一单独的排空阀可保证设备有效的运行 。

如果双金属疏水阀安装于有背压的系统中，背压的变化会影响冷凝水的排放温度，背压增大，排放温度下降，会增加设备积水的可能.

机械式疏水阀安装于室外低温环境应加予保温。

疏水阀的工作状态主要就三种

一个主要问题就是如何对疏水阀工作状态进行准确的判断，错误的分析会使故障疏水阀继续工作，或工作完好的疏水阀被更换掉。因此对于维护来说准确的判断是非常重要。

听到的声音等级会受临近疏水阀噪声和冷凝水负荷的影响，即使是经验丰富的操作员仍然很难判断。

观视镜提供了一个部份的解决方案，尤其是把观视镜和止回阀结合到了一起。虽然能够看清里面流体的流动状况，但是观视镜有时需要更换。

但是蒸汽和冷凝水在同一系统中很可能温度是一样的，所以仅仅检测温度是很难判断的。

可以检测到疏水阀泄漏时产生的超声波，但是它不能区分经过疏水阀的直接蒸汽和闪蒸蒸汽，它也不能检测出上面所提到的细微差别。

来源斯派莎克仅仅参考

大概的原理是给出了一检测装置，检测电导率，它能检测出介质的物理状态不会受闪蒸蒸汽的影响。

感应腔内的内置热电偶能检测到并且有助于预知疏水阀是否堵塞，这在需要制程连续的烃类和制造工业上特别有用。

就不展开讲了，实际很多显然是很少会配置这个，至少在生物制造行业笔者是没见过，因此重点应该转到4.4 疏水阀维护。

日常维护由疏水阀的形式和应用场合决定（类似于质量风险评估）。

例如压力平衡式疏水阀有一个液囊元件，设计上易于更换，大概每三年就要更换一次，好像是浪费了时间和材料，但是这样减少了对疏水阀的检测，保证系统无缺陷运行，减少了由于疏水阀故障而引起的损失。仅仅清理并重新利用内部件这种日常维护使用了大量的人工劳动，而维护过的疏水阀并不可靠，需要不时地对疏水阀进行检查，同时该疏水阀更易于机械疲劳。日常维护中，要及时更换可疑部件，这样才能达到良好的效果。

疏水阀内部件的更换很有意义，阀体一般使用寿命都很长，无需更换。只有内部件经常会磨损，磨损程度取决于系统工况，时常更换内部件可以带来明显效果，这就看更换新部件是不是容易，维修后的疏水阀是不是可靠实用。

热静力式疏水阀的元件一般拧开阀座内的螺纹后就可以更换了

如果热动力式疏水阀的阀座或圆盘损坏后，圆盘可容易更换, 阀座表面需要轻轻磨平。

更换某些高压热动力式疏水阀的阀座更为复杂，因为可能需要两垫片或者一个垫片上有两个或多个孔空蒸汽和冷凝水通过。最容易出故障的结合点是阀体和阀座的连接处，尤其是此处有蒸汽经过时。

有时，更换整个疏水阀比维修更方便、便宜，这种情况下更换疏水阀是否方便是很重要的。虽然法兰

连接的疏水阀需要匹配法兰，比螺纹连接的更贵些，但更容易更换。

旋转接头使得密封的疏水阀更容易迅速的更换，如图

它包含一个管道单元或称管道连器，维修时留在管道上，只要拧下两个连接螺栓就能更换疏水阀了。这种形式的疏水阀安装在相同的管道连接器上，使得选择灵活、备件合理。管道连接器可以和柱塞式截止阀做成一体，保证停机时间最短。

工业蒸汽和洁净蒸汽的差异主要在于洁净度。洁净蒸汽冷凝水须达到纯化水等级，而更高等级的纯净蒸汽其冷凝水须达到注射用水等级。

对于洁净蒸汽系统，为了防止腐蚀及预防微生物的滋生，选型疏水器有具体的洁净要求：材质、表面光洁度、自排放、无死角、连接方式、设计规范、文件认证等。

依据洁净蒸汽的等级，可以选择合适的疏水阀。

洁净蒸汽 - 无化学添加剂

• 常见用途：食品饮料、空调加湿、灭菌。

• 疏水阀：能抗侵蚀,无特殊抗菌要求。可使用任何不锈钢材质。

洁净蒸汽 - 无化学添加剂(药厂用)

• 常见用途：蒸汽与产品有直接接触，管道与产品有直接接触的灭菌或制程。

• 疏水阀：能抗侵蚀,抗菌设计与纯化水系统的考虑相当。SS304等级以上, 感温或热动力类型。

纯净蒸汽 - 无化学添加剂, 严格限制内毒素等生物/化学含量

• 常见用途： 针剂等无菌药品工艺的管道,容器与设备灭菌。

• 疏水阀：能抗侵蚀，抗菌设计与注射水系统的考虑相当。SS316L等级, 感温或热动力类型。

选用疏水阀时，须按设备每小时的耗汽量乘以选用倍率2-3倍为最大冷凝水量，来选择疏水阀的排水量。只有这样，才能保证疏水阀在起机时能尽快排出冷凝水，迅速提高加热设备的温度。否则，会造成冷凝水不能及时排出，降低加热设备的热效率。（当蒸汽加热设备刚开始送汽时，设备是冷的，内部充满空气，需要疏水阀把空气迅速排出，再排除大量低温冷凝水，使设备逐渐热起来，然后设备进入正常工作状态。由于起机时，大量空气、低温冷凝水及较低的入口压力，使疏水阀超负荷运行，此时疏水阀要求比正常工作时的排水量大，所以一般按照2-3倍的疏水量来选择疏水阀。

注意：

为使排量显得较高，一些厂商提供冷水排量值来代替热水排量值， 而实际上，热水排量通常低于冷水排量的60-70%

随着空气的排除，系统进入到升温的阶段，大量的蒸汽换热变成冷凝水，此时，需要疏水阀能够快速排除冷凝水，防止冷凝水在系统及排放管道内积聚。

排水是蒸汽系统的重要考量点之一，尤其在纯净系统，水的存在不仅会造成热阻降低传热效率，而且带来污染风险。因此，在疏水阀的选型上，应能及时排除系统中的冷凝水。我们知道，热静力疏水阀是唯一合适使用在纯净系统的疏水阀类型，而其开关依赖于冷凝水的排放温差，即低于饱和蒸汽温度排水，我们把饱和温度和排放温度之间的温差称之为过冷度(sub-cooling)。过冷度越小，则疏水阀性能越佳。例如，在121℃的SIP系统上，疏水阀的过冷度为2℃，则其排放温度为119℃，如果疏水阀的过冷度为4℃，则疏水阀的排放温度为117℃，由此带来的是更长的降温时间和阀门排放时间，即等到疏水阀前的冷凝水降到117℃时，才能排水。因此，过冷度越小，则疏水阀前端所需要的冷却管段越短，越能接近系统最低点进行安装，即疏水阀前不需要较长的管段来使饱和冷凝水降温，节省安装空间，尤其考虑到容器底空间有限时，选择过冷度小的疏水阀起到很好的作用。此外，过冷度小，冷凝水排放速度越快，降低系统积水及温度干扰的风险，从而提高了安装在疏水阀前端的温度监控的准确性，减少SIP温度故障，提高SIP效率，增加生产时间，提高系统效能

在SIP的保温阶段，温度的控制同样关键，倘若出现监测点的温度下降，显示的就是灭菌失败。此时，取决于具体的过程控制及验证要求，有可能须重新计时延长SIP过程时间，或直接中止过程重新起机;但无论如何都将是损耗时间及运行成本。温度的下降，其可能原因是系统排气不干净，但最常见的还是由于冷凝水排放不畅所导致。这是因为，温度监测点通常都设置在系统的最低点，也就是疏水阀前端，因此，疏水阀能够迅速有效的排除冷凝水对于SIP从加热到保温的全过程都有影响。疏水阀的快速排水性，是SIP的温度控制的关键。

图 常见疏水阀技术资料排水曲线

选用疏水阀时，不能以公称压力选择疏水阀，因为公称压力只能表示疏水阀壳体承受压力等级，疏水阀公称压力与工作压力的差别很大。因此要根据工作压差来选择疏水阀的排水量。工作压差是指疏水阀前的工作压力减去疏水阀出口背压的差值。疏水阀后背压计算方式是：（当疏水阀后凝结水排入大气时，疏水阀的出口背压为零。如果把疏水阀排出的冷凝水集中回收，此时，疏水阀的出口背压是回水管的阻力、回水管抬升高度、二次蒸发器（回水箱）内压力三者之和。）

对于同一型号和内部控制件的疏水阀来说，是随着压差的增大排水量持续增大的。

当然疏水阀的选型有很多种情况，还要考虑其他的一些因素，比如：排空气性能，过滤器，止回阀，比如材质等等；比如小压差大排量的工况，比如间隙排水的解决方案等等。这需要根据每一个现场的实际情况来出具方案。

在很多朋友眼中疏水阀是一个小部件，不太重要。但是，在蒸汽系统的节能改造过程中，疏水阀是其中节能潜力最大的改造点。运行不良的疏水阀会造成能源的巨大浪费，一般疏水阀在蒸汽系统节能改造的投资大概为总投资的5％-15％，但改造后节约蒸汽量可达30％-50％。这也是为什么越来越多的企业重视疏水阀节能改造的原因。

疏水阀的工艺条件决定以后，根据疏水阀前后的工作压差、疏水量，按疏水阀制造厂家的技术参数来选择疏水阀的型号及口径（不能按设备连接尺寸随便选配同样尺寸的疏水阀，疏水阀的连接口径不能代表疏水量的大小，同一种口径的疏水阀，疏水能力可能差别很大）。所以选用疏水阀时必须根据设备的工艺条件，参照疏水阀制造厂家提供的参数来选配疏水阀才是正确的选择。