出品 |《阀门》期刊作者 |周留洋，周健，何冉，项美根，肖奎军，何星灯，傅国千，何星祥

摘要：针对传统螺柱连接阀盖的闸阀存在结构复杂、重量大、制造成本高及中法兰潜在泄漏风险等问题，基于无阀盖一体化结构专利技术，本文研发了一种新型无阀盖闸阀。本文阐述了一体化阀体设计、内部组件装配方案及关键制造工艺，通过型式试验验证，样机在壳体强度、高压密封、低压密封、带压操作循环及关键部件机械性能等方面均符合API 6D、GB/T 12224等标准要求，彻底消除了中法兰泄漏点，且有效减轻了阀门重量，简化了装配与加工流程，提升了生产效率。本文的设计内容为传统闸阀向高性能、轻量化与高可靠性发展提供了新的技术方向。

关键词：无阀盖；闸阀；结构优化；密封性能

基金项目：浙江省金华市重大科技计划项目(2022-1-037)；浙江省省级新产品试制计划(2024D60SA704803)

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概述

闸阀作为管道系统中应用最为广泛的截断类阀门之一，其可靠性直接关系到整个系统的安全稳定运行。传统闸阀通常由阀体、阀盖、闸板、阀杆、填料函及驱动装置等部件组成，阀体与阀盖多采用中法兰螺栓连接结构，如图1所示。这种结构虽技术成熟，但也带来了诸多固有弊端：首先，大量的螺栓连接件使得阀门结构复杂，零件数量多，导致整体重量大，材料成本高；其次，中法兰结合面是潜在的泄漏点，其密封依赖于法兰精度、螺栓预紧力以及垫片性能，在工况波动、温度变化或介质腐蚀作用下，极易发生泄漏；再者，复杂的结构也导致了加工工序繁多、装配效率低下等问题。

1.阀体 2.阀盖 3.中法兰螺栓连接副 4.阀杆 5.手轮 6.阀杆螺母 7.填料压盖 8.填料函 9.中法兰密封垫(潜在泄漏点) 10.闸板

图1 传统螺柱连接阀盖的闸阀结构示意图

随着“碳达峰、碳中和”国家战略的深入推进，工业领域对设备的节能、节材以及可靠性提出了更高要求。同时，在石油化工、能源电力等关键领域，对阀门的零泄漏要求日益严苛。因此，开发一种结构更简洁、重量更轻、彻底无外泄漏、制造装配更高效的新型闸阀具有重要的工程应用价值和市场前景。

无阀盖设计（Bonnetless Design）是解决上述问题的根本性方案。该设计理念通过将阀体与阀盖设计为一个不可分的整体，彻底取消了传统的中法兰连接结构。某公司在此领域进行了深入研发，并获得了“无阀盖的闸阀、截止阀”发明专利（ZL 2021 1 0509635.4）以及多项关于“无螺栓连接阀盖的闸阀”的外观设计（如图2所示）和实用新型专利。本文以此系列专利技术为基础，详细论述无阀盖闸阀的结构设计、关键制造工艺，并依据国家权威检测机构出具的型式试验报告，对其综合性能进行验证与分析。

图2 无阀盖闸阀外观设计专利图

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无阀盖闸阀的整体结构设计

无阀盖闸阀的核心创新在于其一体化（Integral）的阀体设计和独特的内部组件装配方案，其结构示意如图3所示。

1.一体化阀体 2.闸板 3.阀杆 4.上密封座 5.填料函组件 6.支架 7.填料锁紧螺母 8.平面轴承 9.阀杆螺母 10.圆螺母 11.手轮 12.阀杆螺母锁紧螺母 13.双头螺柱 14.六角头螺母

图3 无阀盖闸阀结构示意图

2.1 一体化阀体设计

阀体作为阀门的承压主体和结构骨架，其设计是无阀盖技术的重中之重。本设计摒弃了分体式结构，采用整体铸造或锻造成型。

（1）结构承压性：阀体的结构长度、连接法兰尺寸、流道直径以及最小壁厚均严格遵循GB/T 12224-2015《钢制阀门 一般要求》和ASME B16.34等相关国内外标准进行设计计算，确保其具有足够的强度与刚度来承受管道介质压力与外部载荷。

（2）内部腔体与装配通道：阀体内部形成容纳闸板的全封闭腔体。为实现闸板组件的装入，通常在阀体一侧设计了一个扩大的装配通道。该通道的直径需大于闸板的外径，以便闸板能倾斜一定角度后放入阀体内部腔体。

（3）上部结构：阀体上部直接加工出填料函腔体，用于安装填料和填料压盖，实现对阀杆的动密封。此结构与阀体为一整体，从根本上消除了阀盖与阀体间的静密封泄漏路径。

2.2 闸板与阀杆的连接与导向

闸板与阀杆采用T型槽结构，如图4所示。此设计可补偿少量加工与装配误差，确保闸板在关闭时能更好地与阀座密封面吻合。

1.T型头 2.闸板 3.T型槽 4.阀杆

图4 闸板与阀杆T型槽连接示意图

由于阀体为整体式，闸板必须从阀体的介质通道装入。具体流程为：先将闸板从装配通道放入阀体空腔，使其就位；然后将阀杆从阀体上部的填料函孔插入，并与闸板上的T型槽连接；最后安装填料、压盖等部件。这种装配方式决定了闸阀闸板为组合结构设计，且对内部空间的紧凑性要求较高。装配后的闸阀实物见图5。

图5 无阀盖闸阀装配后实物图

2.3 密封系统设计

无阀盖闸阀的密封系统主要包括两部分，其对比如图6所示。

(a)

(b)

1.中法兰 2.上密封 3.阀杆动密封

(a)传统闸阀泄漏点 (b)无阀盖闸阀泄漏点

图6 传统闸阀与无阀盖闸阀泄漏点对比图

（1）主密封（阀座密封）：即闸板与阀体阀座之间的密封。阀座可采用直接在阀体上堆焊硬质合金（如D507Mo）后加工研磨而成，也可采用将预制的硬质密封阀座以过盈配合或焊接等方式嵌入阀体。密封面硬度需达到40 HRC以上，表面粗糙度优于Ra1.6 μm，以确保优异的密封性和耐磨性。

（2）阀杆密封（填料密封）：这是阀门唯一的外部动密封点。采用高性能的柔性石墨、PTFE或复合填料，通过填料压盖施加足够的预紧力，实现阀杆处的零泄漏。相比传统闸阀的3处潜在泄漏点（中法兰静密封、阀杆动密封、上密封），无阀盖闸阀的无阀盖结构杜绝了中法兰静密封泄漏，只有阀杆动密封和上密封泄漏风险，将泄漏风险降低了1/3，安全性显著提升。

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关键制造工艺

无阀盖一体化结构在带来诸多优势的同时，也给制造工艺带来了新挑战，尤其是阀体的成型。

3.1 阀体成型工艺

传统分体式阀体铸造相对简单，而一体式的无阀盖阀体内部腔室复杂，且存在用于装配闸板的“盲腔”，采用普通砂型铸造易产生缩孔、缩松、砂眼等缺陷，且清砂极为困难。锻造件虽组织致密，但难以直接成型复杂内腔，后续机械加工量巨大，成本高昂。

经研究与实践，消失模铸造（Lost Foam Casting, LFC）是生产此类复杂一体化阀体毛坯的理想工艺。其流程如图7所示。

（1）使用泡沫塑料（EPS或STMMA）制作与阀体形状完全一致的模样（白模）。

（2）将白模组合成簇，涂覆耐火涂料并烘干。

（3）将烘干的模型簇放入砂箱，填入干砂并微振紧实。

（4）浇注金属液，高温使泡沫模型气化消失，金属液取代其位置，最终凝固形成精确的阀体铸件。

该工艺避免了传统铸造中的分型、取模、制芯等环节，特别适用于结构复杂、内腔异形的零件，铸件尺寸精度高，加工余量小，能有效保证阀体内部流道和腔体的质量。

图7 消失模铸造(LFC)工艺流程示意图

3.2 关键部件制造工艺

（1）闸板：摒弃传统铸造，采用金属板材压延成型工艺。该工艺使金属晶粒流向与受力方向更匹配，组织更致密，可在保证强度的前提下有效减薄厚度，实现轻量化。密封面堆焊硬质合金，经精车、研磨后达到设计要求。

（2）阀杆：采用20Cr13等优质不锈钢材料，经锻造成型、粗加工、调质热处理、精磨等工序，确保其具有足够的强度、硬度（HRC30~40）和耐磨性。

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性能测试与结果分析

4.1 试验样品与依据

本研究委托福建省特种设备检验研究院对试制的WZ41H-25型无阀盖闸阀进行全面的型式试验，试验样品为WZ41H-25 DN80(产品编号：LM/Z25070013)与WZ41H-25 DN150(产品编号：LM/Z2507019)，如图8所示。试验严格依据TSG D7002-2023《压力管道元件型式试验规则》与GB/T 12224-2015标准执行。主要参数包括：公称压力PN25，壳体材料WCB，适用介质为水、蒸汽、油品，适用温度-29~425 ℃。试验结果充分验证了该设计的可靠性与优越性。

(a)

(b)

(a)WZ41H-25 DN80 (b)WZ41H-25 DN150

图8 无阀盖闸阀实物图

4.2 试验项目与结果

型式试验涵盖了外观、标志、材料、强度、密封及操作性能等全方位检测，关键数据如表1所示。壳体压力试验场景如图9所示。

表1 无阀盖闸阀型式试验关键数据结果

图9 阀门壳体压力试验示意图

4.3 结果分析

（1）结构完整性与承压能力：壳体试验一次性通过，且实测壁厚均优于标准要求的最小值，证明一体化阀体结构设计合理，具有卓越的承压能力和结构完整性，完全满足PN25的压力等级要求。

（2）密封性能好：高压水密封和低压气密封试验均达到“无可见泄漏”的最高要求，远超标准允许的微量泄漏指标。这证实了阀门主密封副（闸板-阀座）具有极高的加工精度、吻合度以及阀杆填料密封的可靠性，实现了“零泄漏”的设计目标。

（3）高可靠性与耐久性：经过20次带压启闭循环后，阀门操作依然灵活，无任何卡阻或异常磨损，且密封性能未发生衰减。这表明阀杆与填料的配合、闸板与导轨的配合以及各部件的耐磨设计均较为成功，保证了阀门长期使用的可靠性。

（4）关键部件机械性能达标：阀杆在拉力试验中均在承压边界外的螺纹处断裂，且破坏载荷高于设计要求，证明了“弱强度”设计理念的成功，确保任何超载情况下失效发生在非危险区域。密封面硬度均超过40 HRC，保证了其抗擦伤和耐磨损性能。

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无阀盖闸阀的优势分析

基于上述设计与试验，无阀盖闸阀相较于传统闸阀展现出了显著优势，具体为：

（1）零外泄漏风险：取消中法兰连接，从根本上消除了该静密封点，将潜在外部泄漏点从3处减为2处（仅阀杆填料），安全性发生质的飞跃，特别适用于有毒、有害、易燃易爆及苛刻工况。

（2）轻量化与节材：省去了阀盖、螺栓、螺母、垫片等数十个零件，阀体结构更紧凑。实测同规格产品重量减轻约33%，符合节能减排的国家政策。

（3）生产效率提升：在加工方面，省去了阀盖及法兰的所有加工工序（如铣法兰面、钻螺栓孔、攻丝等），加工流程缩短约30%。在装配方面，装配步骤极大简化（省去安装垫片、阀盖、紧固螺栓等环节），装配效率可提升40%以上。生命周期成本得到降低，更少的零件意味着更低的采购、仓储和管理成本；更轻的重量降低了运输和安装成本；更高的可靠性减少了维护需求和停机损失，全生命周期的综合经济效益显著。

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实际应用效果

无阀盖阀门自2024年初上线以来，已应用于石油化工、热电厂及城市管网等关键领域。截至目前，最长运行时间超一年，现场反馈稳定可靠，零异常记录。现场应用情况见图10。

图10 无阀盖闸阀应用现场

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结语

本文介绍了一种基于一体化结构设计的无阀盖闸阀。利用消失模铸造等先进工艺解决了整体阀体的制造难题，通过科学的优化设计保证了阀门的结构强度和功能完整性。经国家权威机构型式试验验证，该阀门各项性能指标均达到或优于相关标准要求，尤其在密封可靠性方面实现了“零外泄漏”的突破。

无阀盖闸阀代表了闸阀技术向高可靠性、轻量化、高效率发展的重要方向，其成功研发不仅为阀门用户提供了更安全、更经济的选择，也对推动整个阀门行业的技术进步和产业升级具有积极意义。未来的研究工作可围绕以下几个方面展开：

（1）材料拓展：将无阀盖设计应用于奥氏体不锈钢、双相钢、高温合金等更多材料，以满足腐蚀、高温等极端工况需求。

（2）压力等级与口径扩展：开展更高压力等级（如Class600、Class900）、更大口径（如DN500以上）的无阀盖闸阀设计与验证。

（3）智能化集成：开发与之配套的电动、气动执行机构及智能阀门定位器，集成压力、温度传感器，实现阀门的在线状态监测和预测性维护。

（4）标准建立：推动无阀盖阀门相关设计、制造与检验标准的制定与完善，规范并推广该技术的应用。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第3期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。