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.南通科技職業學院 機電與交通工程學院，江蘇 南通 226007；3.布勒無錫商業有限公司，江蘇 無錫 214142； 4.南京理工大學，化工學院，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品液貨艙的裝置，用于防止液貨艙由于裝貨作業及溫度變化等，導致艙內超壓或負壓超標，同時防止外部火焰進入液貨艙。起到了保護艙體結構安全，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]會導致船體結構的變形，甚至引起油艙火災、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，因急劇摩擦產生大量靜電，導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構設計、提高工作性能等，提供了參考依據。

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 10.頂升軸圖1 高速透氣閥結構圖

1 結構及工作原理

圖1為高速透氣閥結構圖，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、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，真空閥關閉。

圖2 某船高速透氣閥安裝圖

透氣系統通過高速透氣閥作用起到防止液貨艙內過壓或欠壓。閥口導流器開啟或關閉的原理為：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象。

在裝載工況下，油艙內可燃氣體的壓力高于正壓閥設定的開啟壓力pk=14 kPa時(一般油船pk=14 kPa，化學品船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，透氣口的高度設在甲板以上6 m處)；艙壓下降至設定值以下，重力和磁力作用下自動復位關閉導流器。

在卸載工況下，艙內貨油逐漸減少排空形成負壓，當負壓值達到真空閥設定開啟壓力pk=-3.5 kPa時，吸氣閥芯組件自動打開，外界空氣經防火網安全地吸入，實現艙內外的氣壓平衡。

在滿載航行中，高速透氣閥能自動調節由于晝夜溫差或因大風顛簸搖晃而引起的艙內壓力波動。防止火災、爆炸等事故發生，從而保證了船舶安全的航行。如果閥口周圍發生火焰，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后熄滅，防燃抑爆。

高速透氣閥還能限制艙內外氣體的自由對換，防止液體大量揮發的損失(安全節能)和可燃氣體揮發擴散后的危險。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

高速透氣閥實驗系統由氣源部分、氣路控制系統、實驗臺架及測控系統組成，圖3為實驗系統原理圖[4-9]。系統設計參數為工作壓力29.4 kPa，額定流量10000 m3/h，真空度-40～0 kPa，管道通徑500 mm。風機選用HSR350型三葉羅茨鼓風機，風量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，驅動頭的輸出額定轉矩900 N·m，推力型接口輸出轉速24 r/min，電機功率2.2 kW，最大轉圈數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) 實驗系統原理如圖3所示，先將電動閘閥3、4關閉，電動閘閥1、2開啟；啟動風機把壓縮空氣輸送至儲氣罐；觀察儀器儀表和視頻監控系統，隨時間的變化，查看閥口導流器初開、完全開啟至關閉之間的整個過程。在高速透氣閥打開前，氣罐內壓力升高速率應不超過0.01 Pa/min；

(2) 使用計算機智能數據采集分析處理系統采集壓力、流量、轉速、溫度、時間、氣體流速、閥芯位移等數據；

(3) 選定測量區間后，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別為電動閘閥1，2關閉，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)，正壓閥內壓力p達到第一波峰值14.1 kPa，即正壓閥導流器瞬間開啟，處于開啟排氣狀態，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。停留期間風機的平均轉速為229 r/min。

圖4 正壓閥壓力-流量曲線

正壓閥內壓力在低于14.1 kPa，氣流尚未能推起配重塊的重力和磁力使閥口導流器開啟，且流量為0，故該區間高速透氣閥是處于關閉狀態，在該區間內風機的最大轉速為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，風機和儲氣罐的補給下，流量上升，壓力增大，每階段曲線間聯系穩定。2408.2 m3/h流量時對應的壓力為14.2 kPa，風機轉速347 r/min；2459.3 m3/h流量時對應的壓力為17.2 kPa，風機轉速408 r/min；2681 m3/h流量時對應的壓力為21.4 kPa，風機轉速457 r/min。正壓閥內壓一直高于14.1 kPa，導流器一直處于開啟排氣狀態，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)風機關閉，流量急劇下降，但壓力在21.4 kPa保壓4 s后開始下降，區間內的排氣流量大于進氣流量，內壓由高于14.1 kPa向低于14.1 kPa轉變，降到10 kPa 時，托不住配重塊的重力和磁力時閥口關閉。這就是正壓閥開啟狀態向關閉狀態過渡的過程。

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，向儲氣罐內補充大氣壓力來保持平衡。風機繼續加大排空，隨后氣壓在-3.2 kPa下短暫停留7 s后繼續下降，風機轉速從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4段上梯臺階式的曲線，而壓力呈現4段下梯臺階式的曲線，流量上升則壓力下降。對應的299.9 m3/h流量時，壓力為-3.8 kPa，風機轉速207 r/min；對應的1205.8 m3/h流量時，壓力為-4.15 kPa，風機轉速255 r/min；對應的2091.4 m3/h流量時，壓力為-5.24 kPa，風機轉速347 r/min；對應的2904.7 m3/h流量時，壓力為-7.01 kPa，風機轉速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，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)，風機關閉，流量下降，但負壓在-7.01 kPa上下持續8 s后開始上升，區間內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轉變，升到-2.6 kPa時，托不住閥芯組件的重力時閥口關閉。這就是真空閥開啟狀態向關閉狀態過渡的過程。

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10 min內無破裂、滲漏或永久變形。為了達到試驗目的，閥盤可以被關閉或阻塞。

5.2 密封試驗

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

5.3 性能特征試驗

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

(2) 操作靈敏性：手動操作閥開啟和關閉應靈活可靠，扳動透氣閥手柄，透氣閥盤應能打開；放開手柄，應能迅速關閉，用手頂起和放下負壓閥頂桿，應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) 開啟壓力和關閉壓力測定：高速透氣閥設定開啟壓力為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《經修訂的阻止火焰進入油船液貨艙的裝置設計、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《經修訂的阻止火焰進入油船液貨艙的裝置設計、試驗及安裝的修訂標準》第3.2.2條要求進行，并驗證防火網的性能。

5.4 腐蝕試驗

將整個設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能正常工作并應沒有沖洗不掉的腐蝕沉淀物。

5.5 冰凍試驗

外部結冰試驗：將閥件包括相配合的管系部件暴露在-10 ℃溫度環境中24 h后，再用不超過2 ℃的水噴灑設備外表面，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能正常工作。將閥件置于試驗臺架上，檢查閥門的開啟和關閉壓力是否均正常。

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能正常工作，閥桿手動操作閥盤開啟和關閉靈活可靠。

6 結論

本研究設計了高速透氣閥實驗系統、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品設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品證書。

(1) 正壓閥開啟壓力為14.1 kPa，正壓閥關閉壓力為10.0 kPa。真空閥開啟壓力為-3.5 kPa，真空閥關閉壓力為-2.6 kPa。滿足CCS 《鋼質海船入級規范2018》第3篇5.6.2.5條：(“壓力真空閥應能調整艙內的壓力，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，且閥在達到開啟設定壓力至隨后關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。體現了閥排氣高效、迅速的特點，符合MSC/Circ.677 《經修訂的阻止火焰進入油船液貨艙的裝置設計、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：“壓載的透氣出口應使蒸氣混合物的排泄節流速度達到不小于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傳播速度，不需要額外增加阻火部件，如阻火網等；

(4) 真空閥在達到開啟設定的真空壓力時開啟閥芯，當真空壓力減小至一定值時關閉閥芯，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置的阻火部件，如阻火網；

(5) 實驗過程中顯示出了高速透氣閥初始開啟點、最終關閉點的流量；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)，再到閥口關閉的氣壓(或真空度)之間整個范圍的數據。