高速透氣閥壓力流量特性實驗和入級型式試驗

毛小飛，紀曉蔚，張舒樂，楊 豪，徐少華，李世泉

(1.南通中集安瑞科食品裝備有限公司，江蘇 南通 226010；2.南通科技職業(yè)學(xué)院 機電與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；3.布勒無錫商業(yè)有限公司，江蘇 無錫 214142； 4.南京理工大學(xué)，化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；5．南通恒道昇光電科技有限公司，江蘇 南通 226011；6.南通航海機械集團有限公司，江蘇 南通 226600)

引言

《1974年國際海上人命安全公約》至后續(xù)修正的MSC/Circ.677—1994，MSC/Circ.1009—2001，MSC.1/Circ.1324—2009一系列文件，研究和規(guī)范化高速透氣閥一直沒有停歇，不斷提高船舶及其裝備的安全性是國際海事組織(IMO)及SOLAS議定書締約國的共同要求。

船用高速透氣閥是保護裝有原油、石油制品和易燃化學(xué)品液貨艙的裝置，用于防止液貨艙由于裝貨作業(yè)及溫度變化等，導(dǎo)致艙內(nèi)超壓或負壓超標，同時防止外部火焰進入液貨艙。起到了保護艙體結(jié)構(gòu)安全，及油氣混合物可燃性氣體的順利排放等功能。真空閥上的防火網(wǎng)具有阻止外部火焰吸入閥腔的功能。

高速透氣閥失去作用[1]會導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的變形，甚至引起油艙火災(zāi)、爆炸等事故，1988年3月13日上海海運局“大慶45”油輪在秦皇島油港因貨油艙高速透氣閥嚴重腐蝕卡死，艙內(nèi)油氣混合物可燃氣體無法從閥口泄出，而從艙口蓋縫隙擠壓泄出，因急劇摩擦產(chǎn)生大量靜電，導(dǎo)致在艙口處引起爆炸。因此研究高速透氣閥原理、壓力-流量特性尤為重要，本研究為高速透氣閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高工作性能等，提供了參考依據(jù)。

DN200型高速透氣閥是配套船舶液貨艙最常見的一種高速透氣閥，本研究以DN200型為研究對象。

1.導(dǎo)流器 2、7.配重塊 3.手柄 4.P閥體 5.正壓閥6.真空閥 8.V閥體 9.防火網(wǎng) 10.頂升軸圖1 高速透氣閥結(jié)構(gòu)圖

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為高速透氣閥結(jié)構(gòu)圖，圖2為某船高速透氣閥安裝圖，高速透氣閥分為正壓閥(呼氣)和真空閥(吸氣)兩部分，呼氣部分由導(dǎo)流器、配重塊、閥桿手柄、閥殼等組成，檢驗閥的動作是否靈敏可通過扳動操縱手柄，使正壓閥的閥門提起；吸氣部分由頂升軸、壓蓋、防火網(wǎng)、配重塊、閥殼等組成，可手動頂起真空閥盤，打開真空閥，松開頂升軸，真空閥關(guān)閉。

圖2 某船高速透氣閥安裝圖

透氣系統(tǒng)通過高速透氣閥作用起到防止液貨艙內(nèi)過壓或欠壓。閥口導(dǎo)流器開啟或關(guān)閉的原理為：重力+磁力控制平衡閥腔氣體的過壓(即也理解為油氣推力≥重力+磁場吸力)。磁力的助開啟，有效消除高速透氣閥的顫振現(xiàn)象。

在裝載工況下，油艙內(nèi)可燃氣體的壓力高于正壓閥設(shè)定的開啟壓力pk=14 kPa時(一般油船pk=14 kPa，化學(xué)品船pk=20 kPa)，正壓閥盤組件自動提升，可燃氣體混合物以30～80 m/s的速度向甲板上空排出消散(可燃氣體混合物不會沉降，透氣口的高度設(shè)在甲板以上6 m處)；艙壓下降至設(shè)定值以下，重力和磁力作用下自動復(fù)位關(guān)閉導(dǎo)流器。

在卸載工況下，艙內(nèi)貨油逐漸減少排空形成負壓，當(dāng)負壓值達到真空閥設(shè)定開啟壓力pk=-3.5 kPa時，吸氣閥芯組件自動打開，外界空氣經(jīng)防火網(wǎng)安全地吸入，實現(xiàn)艙內(nèi)外的氣壓平衡。

在滿載航行中，高速透氣閥能自動調(diào)節(jié)由于晝夜溫差或因大風(fēng)顛簸搖晃而引起的艙內(nèi)壓力波動。防止火災(zāi)、爆炸等事故發(fā)生，從而保證了船舶安全的航行。如果閥口周圍發(fā)生火焰，正壓閥高速噴射排氣，流速不低于30 m/s[2-3]，能有效地防止回燃，真空閥工作時火焰在撞擊到防火網(wǎng)后熄滅，防燃抑爆。

高速透氣閥還能限制艙內(nèi)外氣體的自由對換，防止液體大量揮發(fā)的損失(安全節(jié)能)和可燃氣體揮發(fā)擴散后的危險。對于充惰的油艙，能避免惰氣流失和防止外界空氣隨時進入油艙。

2 高速透氣閥實驗系統(tǒng)

高速透氣閥實驗系統(tǒng)由氣源部分、氣路控制系統(tǒng)、實驗臺架及測控系統(tǒng)組成，圖3為實驗系統(tǒng)原理圖[4-9]。系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)為工作壓力29.4 kPa，額定流量10000 m3/h，真空度-40～0 kPa，管道通徑500 mm。風(fēng)機選用HSR350型三葉羅茨鼓風(fēng)機，風(fēng)量86.98～177.31 m3/min，升壓范圍9.8～58.8 kPa，電機功率55～250 kW。電動閘閥選用的型號為ZC90T-24/120BZ(Z90)整體式防爆型，閘閥直徑350 mm，驅(qū)動頭的輸出額定轉(zhuǎn)矩900 N·m，推力型接口輸出轉(zhuǎn)速24 r/min，電機功率2.2 kW，最大轉(zhuǎn)圈數(shù)120圈，短時工作制，額定時間為10 min。NS型壓力傳感器量程范圍0～100 kPa，輸出4～20 mA的直流電信號。真空/壓力傳感器量程范圍-100～100 kPa，輸出4～40 mA的直流電信號。壓力表量程為-0.05～0.1 MPa。雙向流向計選用GFM200氣體流量計，響應(yīng)速度為50 ms，低流速可測量至0.01m/s，模擬量輸出是4～20 mA。

圖3 實驗系統(tǒng)原理圖

3 高速透氣閥實驗

3.1 正壓閥排氣實驗

(1) 實驗系統(tǒng)原理如圖3所示，先將電動閘閥3、4關(guān)閉，電動閘閥1、2開啟；啟動風(fēng)機把壓縮空氣輸送至儲氣罐；觀察儀器儀表和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，隨時間的變化，查看閥口導(dǎo)流器初開、完全開啟至關(guān)閉之間的整個過程。在高速透氣閥打開前，氣罐內(nèi)壓力升高速率應(yīng)不超過0.01 Pa/min；

(2) 使用計算機智能數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)采集壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度、時間、氣體流速、閥芯位移等數(shù)據(jù)；

(3) 選定測量區(qū)間后，由輸出壓力-流量曲線圖。

3.2 真空閥吸氣實驗

吸氣實驗和排氣實驗的區(qū)別為電動閘閥1，2關(guān)閉，電動閘閥3，4開啟。后面的步驟同正壓閥的排氣實驗一致。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 正壓閥壓力-流量特性

正壓閥壓力-流量曲線如圖4所示，流量Q在540.7 m3/h的臨界點(運行115 s時段)，正壓閥內(nèi)壓力p達到第一波峰值14.1 kPa，即正壓閥導(dǎo)流器瞬間開啟，處于開啟排氣狀態(tài)，瞬間的排氣速度高達42 m/s。隨后在12.0 kPa的氣壓下停留65 s后壓力上揚。停留期間風(fēng)機的平均轉(zhuǎn)速為229 r/min。

圖4 正壓閥壓力-流量曲線

正壓閥內(nèi)壓力在低于14.1 kPa，氣流尚未能推起配重塊的重力和磁力使閥口導(dǎo)流器開啟，且流量為0，故該區(qū)間高速透氣閥是處于關(guān)閉狀態(tài)，在該區(qū)間內(nèi)風(fēng)機的最大轉(zhuǎn)速為126 r/min。

流量在2408.2～2719.8 m3/h(運行180～677 s時段)，流量和壓力相互呈3段臺階式平行上升的曲線，風(fēng)機和儲氣罐的補給下，流量上升，壓力增大，每階段曲線間聯(lián)系穩(wěn)定。2408.2 m3/h流量時對應(yīng)的壓力為14.2 kPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速347 r/min；2459.3 m3/h流量時對應(yīng)的壓力為17.2 kPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速408 r/min；2681 m3/h流量時對應(yīng)的壓力為21.4 kPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速457 r/min。正壓閥內(nèi)壓一直高于14.1 kPa，導(dǎo)流器一直處于開啟排氣狀態(tài)，排氣流量一直低于進氣流量，排氣速度均值在41.5 m/s。

流量由2719.8 m3/h降至0(運行時段677 s到最后)風(fēng)機關(guān)閉，流量急劇下降，但壓力在21.4 kPa保壓4 s后開始下降，區(qū)間內(nèi)的排氣流量大于進氣流量，內(nèi)壓由高于14.1 kPa向低于14.1 kPa轉(zhuǎn)變，降到10 kPa 時，托不住配重塊的重力和磁力時閥口關(guān)閉。這就是正壓閥開啟狀態(tài)向關(guān)閉狀態(tài)過渡的過程。

正壓閥實驗過程的溫度差為升溫3.7℃。

4.2 真空閥壓力-流量特性

真空閥壓力流量曲線如圖5所示，流量在254 m3/h的臨界點(已運行78 s時段)，閥內(nèi)壓力下降至-3.5 kPa，即真空閥閥芯組件打開，處于開啟吸氣狀態(tài)，向儲氣罐內(nèi)補充大氣壓力來保持平衡。風(fēng)機繼續(xù)加大排空，隨后氣壓在-3.2 kPa下短暫停留7 s后繼續(xù)下降，風(fēng)機轉(zhuǎn)速從120.6 r/min開始增大。

圖5 真空閥壓力-流量曲線

流量在299.9～2957.8 m3/h(運行85～811 s時段)，流量呈現(xiàn)4段上梯臺階式的曲線，而壓力呈現(xiàn)4段下梯臺階式的曲線，流量上升則壓力下降。對應(yīng)的299.9 m3/h流量時，壓力為-3.8 kPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速207 r/min；對應(yīng)的1205.8 m3/h流量時，壓力為-4.15 kPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速255 r/min；對應(yīng)的2091.4 m3/h流量時，壓力為-5.24 kPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速347 r/min；對應(yīng)的2904.7 m3/h流量時，壓力為-7.01 kPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速451.5 r/min。真空閥壓力一直低于-3.5 kPa，閥芯組件一直處于開啟吸氣狀態(tài)，吸氣流量一直小于抽氣流量。

流量由2957.8 m3/h降至0(運行時段811 s到最后)，風(fēng)機關(guān)閉，流量下降，但負壓在-7.01 kPa上下持續(xù)8 s后開始上升，區(qū)間內(nèi)的吸氣流量大于抽氣流量，壓力由低于-3.5 kPa向高于-3.5 kPa轉(zhuǎn)變，升到-2.6 kPa時，托不住閥芯組件的重力時閥口關(guān)閉。這就是真空閥開啟狀態(tài)向關(guān)閉狀態(tài)過渡的過程。

真空閥實驗過程的溫度差為降溫0.8℃。

5 入級型式試驗[10-11]

5.1 液壓試驗

試驗壓力為1.5倍最大額定壓力或最小表壓345 kPa，選兩者之間的大值，持續(xù)10 min內(nèi)無破裂、滲漏或永久變形。為了達到試驗?zāi)康?，閥盤可以被關(guān)閉或阻塞。

5.2 密封試驗

將閥件浸沒水槽中或在其表面涂上肥皂水，內(nèi)腔加70 kPa壓縮空氣，持續(xù)3 min確保閥盤密封面應(yīng)無滲漏。

5.3 性能特征試驗

(1) 流量測試：正壓、負壓下的流量數(shù)據(jù)應(yīng)以曲線或表格方式給出，應(yīng)顯示出閥門初始開啟點、最終關(guān)閉點的流量，并且應(yīng)覆蓋從開啟氣壓(或真空度)到入口完全打開的氣壓(或真空度)之間整個范圍的數(shù)據(jù)；

(2) 操作靈敏性：手動操作閥開啟和關(guān)閉應(yīng)靈活可靠，扳動透氣閥手柄，透氣閥盤應(yīng)能打開；放開手柄，應(yīng)能迅速關(guān)閉，用手頂起和放下負壓閥頂桿，應(yīng)能聽到閥盤和閥座的碰撞響聲；

(3) 流動阻力：在閥的進口接管上和閥的出口處連接“U”形管，測出在閥體內(nèi)進、出口的壓降；

(4) 流速：正壓閥開啟后，噴出的氣流速度任何時候不小于30 m/s；

(5) 開啟壓力和關(guān)閉壓力測定：高速透氣閥設(shè)定開啟壓力為14 kPa，允許不均勻度為±10%，最大排氣壓力為21 kPa。真空閥設(shè)定開啟壓力為-3.5 kPa，允許不均勻度為±20%，最低為-7 kPa；

(6) 耐火試驗：按MSC/Circ.677《經(jīng)修訂的阻止火焰進入油船液貨艙的裝置設(shè)計、試驗及安裝的修訂標準》[12]第3.2.3條要求進行；

(7) 回燃試驗：按MSC/Circ.677《經(jīng)修訂的阻止火焰進入油船液貨艙的裝置設(shè)計、試驗及安裝的修訂標準》第3.2.2條要求進行，并驗證防火網(wǎng)的性能。

5.4 腐蝕試驗

將整個設(shè)備包括相配合的管系部件暴露于溫度為25 ℃的5%NaCl溶液噴霧中240 h，然后干燥48 h。試驗后所有的活動部件應(yīng)能正常工作并應(yīng)沒有沖洗不掉的腐蝕沉淀物。

5.5 冰凍試驗

外部結(jié)冰試驗：將閥件包括相配合的管系部件暴露在-10 ℃溫度環(huán)境中24 h后，再用不超過2 ℃的水噴灑設(shè)備外表面，噴灑間隔時間10 min，每次用水量1 L，冰層厚度至少達到5 mm后，檢驗閥件應(yīng)能正常工作。

將閥件置于-30 ℃下24 h，取出后立即檢查各部件應(yīng)能正常工作。將閥件置于試驗臺架上，檢查閥門的開啟和關(guān)閉壓力是否均正常。

5.6 高溫試驗

將閥件置于65 ℃下24 h，取出后立即檢查各部件應(yīng)能正常工作，閥桿手動操作閥盤開啟和關(guān)閉靈活可靠。

6 結(jié)論

本研究設(shè)計了高速透氣閥實驗系統(tǒng)、對DN200型高速透氣閥排氣和吸氣進行了壓力-流量特性分析，且滿足氣體在達到產(chǎn)品設(shè)定的壓力下充分釋放要求，最后整理出“入級型式試驗”要求，便于獲取各船級社圖紙審批和產(chǎn)品證書。

(1) 正壓閥開啟壓力為14.1 kPa，正壓閥關(guān)閉壓力為10.0 kPa。真空閥開啟壓力為-3.5 kPa，真空閥關(guān)閉壓力為-2.6 kPa。滿足CCS 《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2018》第3篇5.6.2.5條：(“壓力真空閥應(yīng)能調(diào)整艙內(nèi)的壓力，以防止貨油艙承受高于該艙試驗壓力的正壓(一般不大于21 kPa)和低于7 kPa的負壓”要求)[13]；

(2) 正壓閥瞬間的排氣速度高達42 m/s，且閥在達到開啟設(shè)定壓力至隨后關(guān)閉的整個排放氣體的過程中在閥口部位氣體噴出的速度始終在41.5 m/s上下。體現(xiàn)了閥排氣高效、迅速的特點，符合MSC/Circ.677 《經(jīng)修訂的阻止火焰進入油船液貨艙的裝置設(shè)計、試驗及安裝的修訂標準》第3.3.2.5條(“無論何時開啟閥，在出口處的氣流速度不得小于30 m/s”。符合《1974年國際海上人命安全公約SOLAS》及其修正案，II-2章第4條5.3.4.1款：“壓載的透氣出口應(yīng)使蒸氣混合物的排泄節(jié)流速度達到不小于30 m/s)[14]；

(3) 正壓閥的阻火能力主要依靠氣流速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋恍枰~外增加阻火部件，如阻火網(wǎng)等；

(4) 真空閥在達到開啟設(shè)定的真空壓力時開啟閥芯，當(dāng)真空壓力減小至一定值時關(guān)閉閥芯，對閥口部位氣體吸入的速度沒有要求。真空閥的阻火能力主要依靠特別設(shè)置的阻火部件，如阻火網(wǎng)；

(5) 實驗過程中顯示出了高速透氣閥初始開啟點、最終關(guān)閉點的流量；并且覆蓋從開啟氣壓(或真空度)，到入口完全打開的氣壓(或真空度)，再到閥口關(guān)閉的氣壓(或真空度)之間整個范圍的數(shù)據(jù)。