管道、阀门与管件

管道系统

产品通过管道系统在工厂各组件间流动。

乳品厂还设有用于其他介质（如水、蒸汽、清洗溶液、冷却剂和压缩空气）的管道系统，还需配置废水排水系统。这些系统基本结构类似，差异体现在选用的材质、组件的设计以及管道的尺寸。

接触产品的所有组件均采用不锈钢制造，其他系统则使用铸铁、钢、铜、铝等多种材料。水管和气管采用塑料材质，排水排污管道则使用陶瓷。

本章节仅介绍产品管线及其组件，辅助介质的管道系统将在公用设施章节（第8.3章）详述。

产品的管道系统包含以下类型的管件：

• 直管、弯头、三通、变径与活接
• 视镜、仪表弯头等特殊管件
• 截止阀和换向阀
• 压力与流量调节阀
• 管道支架

连接方式

永久性连接采用焊接（图7.9.1）。需拆卸的管道连接则采用螺纹式活接头（由公螺纹、固定螺母，以及夹在两者之间的密封环组成），或带密封的卡箍式连接（图7.9.2）。

图7.9.1 永久焊接配件示例

1. 三通
2. 变径
3. 弯头

活接头可在不影响其他管道工程的情况下断开连接，故常用于连接需定期拆卸清洗、维修或更换的工艺设备及仪表等。

不同国家有不同的活接头标准：包括国际通用的SMS（瑞典乳品标准）、DIN（德国标准）、BS（英国标准）、IDF/ISO*及美国广泛使用的ISO卡箍标准。

弯头、三通等类似管件可用于焊接，也可配备焊接式活接头。若选用后者，订购管件时可选择带螺母端、公螺纹，或卡箍接头。

所有活接头必须紧固到位，以防液体泄漏或空气吸入系统，导致下游出现问题。

图7.9.2 不同标准的乳制品活接头

特殊管件

视镜安装在需对产品进行目视检查的管段。

带仪表接口的弯头用于安装温度计和压力表等仪器。传感器应逆流安装，以确保读数准确。连接凸台也可用于安装取样阀。在安装过程中，还可在管路上直接焊接专用凸台，为管道配置仪表接口。

取样装置

需在工厂关键工艺点安装取样装置，以采集产品样本进行分析。用于质量控制（如测定乳脂肪含量、发酵产品pH值）的样品可通过取样阀获取（图7.9.3）。

图7.9.3 取样阀

进行卫生质量检测时，取样方法必须杜绝管道外部污染风险，因此可采用取样塞。如图7.9.4所示，取样塞底部有一个橡胶塞。取样时先取下塞子，对所有可能污染样品的部件进行灭菌（通常在取样前用氯溶液浸润棉片擦拭），随后将皮下注射器针头穿透橡胶塞插入产品内部抽取样品。

图7.9.4 用于细菌分析的取样阀

无菌取样阀（图7.9.5）由阀体、阀头与膜片三部分组成。橡胶膜片置于阀头的阀杆上，作为可伸缩的密封塞使用。无菌取样阀专为每次取样前后的灭菌操作而设计。

手动阀通过旋转手轮或拨动杠杆开启，随后阀杆与膜片回缩，让液体通过。

反向操作时，内置弹簧会关闭阀门，同时保持软管之间的流道畅通以便灭菌。

无菌产品（经高温热处理的无菌产品）必须通过无菌取样阀取样以避免二次污染。

图7.9.5 无菌取样塞

阀门

防混阀系统

管道系统中有许多连接点，产品通常从一条管线流向另一条管线，但有时必须切断连接，以使两种不同介质流经这两条管线而不会混合。当管线相互隔离时，任何泄漏都必须排入泄漏腔，不得出现介质互混的情况。

这是乳品厂工程设计中的常见难题——乳品和清洗溶液需在独立管线中输送并严格隔离。图7.9.6展示了针对这一需求的四种解决方案。

图7.9.6 卫生级防混阀系统

1. 通过活动弯头手动切换管线。
2. 三个截止阀可实现相同功能。
3. 一个截止阀加一个换向阀可完成相同的工作。
4. 一个防混阀即可实现流体隔离与流向切换。

截止阀与换向阀

管道系统中存在众多需截流或切换管线的节点，这些操作均通过阀门实现。

通常采用座阀（手动或气动控制）或蝶阀来完成此类操作。

座阀

阀体内部设有与阀杆末端密封塞配合的阀座。通过曲柄或气动执行器驱动阀杆，可使密封塞脱离或压紧阀座（图7.9.7）。

图7.9.7 手动截止座阀和气动换向座阀

截止座阀和换向座阀的操作机构可以互换。

座阀也有换向型，配备3至5个接口：当密封塞下压时，液体从入口2流向出口1；当密封塞提升至上阀座时，流体改经出口3流出，如图7.9.8所示。

此类阀门最多可配置五个接口，具体数量根据工艺需求确定。

图7.9.8 密封塞处于不同位置的截止阀和换向阀以及相应的流动图符号

图7.9.8-2 密封塞处于不同位置的截止阀和换向阀以及相应的流动图符号

另有一种座阀，其阀塞启闭方向与标准阀门相反，该设计可用于消除产品管线中的压力冲击。此类阀门既可制成换向阀也可作为截止阀使用。

并有多种遥控执行器可供选择：例如，采用压缩空气开启+弹簧关闭，或弹簧开启+压缩空气关闭；亦可完全由压缩空气实现启闭（图7.9.9）。

图7.9.9 气动执行器示例

1. 弹簧开启+压缩空气关闭。
2. 压缩空气开启+弹簧关闭。

也有适用于中间阀塞位置控制以及两级式启闭的执行器。

阀门控制单元（图7.9.10）安装在执行器顶部，包括一个指示单元、触发杆、传感器系统及电磁阀，用于控制和监控各类气动工艺阀门。该单元从PLC接收信号以控制阀门，并向PLC发送反馈信号以指示阀门何时处于特定位置。

图7.9.10 阀塞位置指示器和控制单元安装在执行器顶部

该顶部单元可通过遥控器轻松设置，并指示防混阀的阀座升程，还包括一个维护程序，可指示单个阀座的阀塞密封件的磨损状态。

现代化顶部单元兼容IO-Link、硬线及总线通信系统，基础型则仅支持数字系统进行简单的开/关阀位控制与指示。

顶部单元装有电磁阀，电信号触发电磁阀后，压缩空气进入执行器，驱动阀门按需启闭。压缩空气在途中会经过一个过滤器，以去除可能影响阀门正常工作的油和其他异物。电磁阀断电后，气源被切断，产品阀中的空气通过电磁阀的排气口排出。

蝶阀

蝶阀（图7.9.11）是一种截止阀，须两个阀门配合才能实现换向功能。.

蝶阀常用于酸奶及其他发酵乳制品等敏感产品，因为通过阀门的阻力极小，导致压降很低且无紊流。该阀型同样适用于高黏度产品，且作为直通阀，可安装在直管中。该阀门通常由两个完全相同的半阀体组成，中间夹有密封环。阀体中心装有一个流线型蝶板，通常采用轴套支撑，以防止阀杆卡在阀体上。当蝶板处于开启状态时，阀门流阻极小；关闭时，蝶板则与密封环形成紧密密封。

图7.9.11 手动控制蝶阀的开启状态（左）与关闭状态（右）

手动控制

蝶阀配有手柄，通常用于两个位置——开启和关闭。

虽不太适合用作调节阀，但当配合可无限定位的特殊手柄时，可用于粗调工况。

自动控制

图7.9.12 蝶阀气动执行器的工作原理

采用气动执行器（图7.9.12）可实现对蝶阀的自动控制。

其功能包括：

• 弹簧关闭/气源开启（常闭型）
• 气源关闭/弹簧开启（常开型）
• 气源开启和关闭（A/A）

蝶板在接触密封环前转动阻力较小，但压缩橡胶密封环时需要更多动力。普通的弹簧驱动执行器在初始阶段最强所需动力较少，在最后阶段力量变弱反而需要更多动力。

因此宜选用能按需分配动力的专用执行器。

另一种法兰式蝶阀如图7.9.13所示，该阀型与上述蝶阀相同，但装配在焊接于管路上的两个法兰之间。其功能与普通蝶阀一致，操作过程中由螺栓紧固在法兰之间，检修时松开螺栓即可拉出阀体部分以便于维修。

图7.9.13 专为便捷维护设计的气动操作法兰式蝶阀

图7.9.14 带平衡阀塞及内置阀座提升装置的双座双密封防混阀

1. 执行器
2. 上端口
3. 上阀塞
4. 泄漏室
5. 检漏管
6. 下端口
7. 带平衡装置的下阀塞

防混阀

防混阀（图7.9.15）可分为双座双密封与单座双密封结构，但在讨论防混阀时，通常指的是双座双密封（图7.9.14）。

该阀采用两个独立阀塞密封件，用于分隔两种液体，并在所有工况下形成常压泄露室。若产品发生罕见的意外泄漏，泄漏物将流入泄露室并通过检漏管排出。

阀门开启时泄露室处于封闭状态，产品可在两条管线间流动。

清洗过程中，上下阀塞之一抬起，以便清洁阀座和阀塞，清洗液经泄露室排出。该阀还可实现上下阀塞及泄露室的外部清洗，并支持无菌操作。

防混阀的优势包括可清洁性、降低水锤风险以及操作时避免产品溢出。

双阀座结构亦可应用于罐底双座双密封阀，专为罐底防混出料设计，适用于需要将管路一直清洗至罐底的工况。

其下阀塞具备独立阀座提升功能，可实现便捷清洁，无需外部清洗。

罐底双座双密封阀结构紧凑，阀体可任意角度旋转以适应管道布置。

图7.9.15 三种防混阀类型

1. 带阀座提升清洗功能的双座双密封阀
2. 具备外部清洗与泄漏指示功能的单座双密封阀
3. 罐底双座双密封阀

阀位指示与控制

图7.9.16 阀位指示系统

1. 仅指示
2. 通过顶部单元指示
3. 指示和控制系统

仅指示阀位

根据工厂控制系统的不同需求，阀门可安装多种阀位指示装置（图7.9.16）。可采用微动开关、电感式接近开关或霍尔元件等不同类型的开关。这些开关用于向控制系统反馈信号。

当阀门仅配置开关时，需在电磁阀柜中为每个阀门单独配置电磁阀。电磁阀在接收到信号时会向产品阀供应压缩空气，信号消失时释放气压。

该系统（1）要求每个阀门配备一根电缆和一根空气软管。组合单元（2）是一个基础的顶部单元，安装在阀门执行器的顶部，包含触发杆、传感系统及电磁阀。

一根空气软管可以向多个阀门供气，但每个阀门仍然需要一根电缆。

终极控制

终极控制通过图7.9.10所示的顶部单元实现，该单元专为计算机控制设计。顶部单元包括指示单元、触发杆、传感系统及电磁阀。

可用于总线通信系统，仅需一根空气软管和一根电缆即可实现对大量阀门的控制与通信。顶部单元支持中央编程，安装成本低廉。

具备多项功能，例如防混阀的远程设置、控制和阀座升降指示、单座阀的维护程序以及阀塞位置的控制与指示。部分顶部单元还配备软件功能，在原位清洗（CIP）时翻转清洗可节约清洗液.。

止回阀与调节阀

止回阀

当需要防止产品流向错误方向时，可安装止回阀（图7.9.17）。液体流向正确方向时，阀门保持开启状态。流动停止时，弹簧即驱动阀塞压紧阀座。从而有效阻断逆向流动。

图7.9.17 止回阀

调节阀

截止阀与换向阀具有明确的开、关工位，而调节阀则可渐进改变流道通径。调节阀用于精确调控系统各个点的流量与压力。

带流量可变阀塞的手动调节阀（图7.9.18）。该阀门的阀杆上装有特殊形状的阀塞。转动调节手柄时，阀塞会上下移动，改变流道面积，实现流量或压力的调节。阀门上的刻度可显示当前设定值。

图7.9.18 带流量可变阀塞的手动调节阀

带流量可变阀塞的气动调节阀（图7.9.19）的工作原理与前述阀门类似，其阀塞-阀座结构与手动阀相同。当阀塞向阀座方向下降时，流量会逐渐减小。此类阀门用于工艺过程中压力、流量及液位的自动控制。加工生产线上安装有变送器，会持续将测量值
传送至控制器，控制器随即调节阀门开度以维持预设值。

图7.9.19 带流量可变阀塞的气动调节阀

恒压阀（图7.9.20）是一种常用的调节阀。压缩空气经减压阀输送至隔膜上部空间，气压通过减压阀调节，直至产品压力表显示所需压力。此后无论操作条件如何变化，预设压力都会保持不变。图7.9.21展示了恒压阀的功能。

图7.9.20 恒压阀

该阀对产品压力变化响应迅速：当产品压力降低时，保持恒定的气压会对隔膜产生更大的作用力。然后阀塞会随隔膜向下移动，减少流量，使产品压力回升至预设值。

当产品压力升高时，隔膜所受作用力超过压缩空气向下的作用力，阀塞随之抬升，增大产品流道，流量随之增加，直至产品压力回落至预设值。该阀提供两种配置：维持阀前恒压或阀后恒压。

如果可用空气压力低于所需的产品压力，则阀门无法控制产品压力。在这种情况下，可以在阀门顶部安装增压器。由此可将产品压力提升至可用空气压力的两倍左右。

入口恒压阀常安装在分离机和巴氏杀菌机之后，出口恒压阀则用于灌装机之前。

图7.9.21 恒压阀在调节阀前压力时的作用

1. 空气/产品压力平衡状态。
2. 产品压力下降，阀门关闭，产品压力回升至预设值。
3. 产品压力增加，阀门打开，产品压力回落至预设值。

溢流阀

溢流阀是一种为保障安全而实现压力旁通的阀门，可保护管道、泵及附属设备的安全。当输送压力超过设定值时，阀门立即开启，溢出的介质可向外排放或受控回流。

图7.9.23 标准管道支架示例

阀门系统

阀门采用集群布置，以尽量减少死角，并实现产品在乳品厂不同区域或模块间的分配。阀门还用于隔离各条管线，确保在安全清洗其中一条管线时，其他管线可保持产品流通。

管道支架

乳品厂管道通常架设在距车间地面2-3米的高度，所有组件均须预留便于检测和维护的操作空间。管线应保持适度倾斜（坡度1:200至1:1000），以实现自排空，且沿线任何点均不得存在可能积聚产品或清洗液的死角。

管道支架必须牢固可靠，但同时需避免过度约束，而应预留一定的活动空间。当产品温度较高或进行清洗时，管道会大幅膨胀，由此产生的弯头和设备的长度和扭力增加量必须得到吸收。加之各类组件使管道系统重量大增，这些因素都对系统设计的精确度和设计人员的经验提出了极高要求。

图7.9.22 实现产品与清洗溶液独立进出罐体的罐区阀门布置