淺談一體式可拆卸閥芯的新型呼吸閥方案設計

馬松華，肖梟，宮兆波，邱福壽，唐洋

（1.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 833600；2.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500）

1 前言

呼吸閥是一種低壓保護裝置，在石化行業中有著廣泛的應用，它可以保證儲罐始終在正常的工作壓力范圍內，并保護儲罐在壓力波動下的安全性能。其排氣正壓和吸氣負壓分別通過壓力閥盤和真空閥盤的重量來控制。

但是，呼吸閥需要定期進行檢測、維護和保養，一般每月維護一次，冬季每月維護兩次。頻繁地檢測、維護和保養加大了工作人員的工作量，特別涉及大尺寸呼吸閥時，其重量過大，需要在地面使用吊車將呼吸閥吊裝至地面，再通過工作人員將呼吸閥運移、安裝、固定至檢測裝置上進行檢測，整個檢測過程速度慢、效率低。因此，需要設計一種便于快速檢測的新型呼吸閥，以提高呼吸閥檢測、維護和保養效率。

許多研究人員提出了呼吸閥快速檢測方案，并取得了一定的成效。常承亮等提出了呼吸閥檢測免拆除裝置技術，將油罐呼吸閥門進行改進，改進后的油罐呼吸閥門，相對傳統的模式，更加方便和高效，在實際工作中不需要拆卸呼吸閥就能進行檢測，這樣就能在某種程度上降低技術人員的工作量，從根本上提升工作效率。劉士偉等提出了一種呼吸閥在線檢測系統，無須拆除呼吸閥來檢測，大幅度降低檢測的工作量，同時，對檢測環境要求低，符合實際操作的需求，具有良好的應用前景。康衛紅等設計制作的先導式呼吸閥在線校驗儀，可以實現低壓先導式呼吸閥和真空閥的離線和在線校驗，為先導式呼吸閥的校驗提供了一定參考。

本文提出了一種新型呼吸閥方案設計，將正、負壓閥盤整合為一體式閥芯，一體式閥芯方便取出檢測；此外，擴大閥盤支架的軸向尺寸，在閥盤支架內部開通氣口，閥體阻火口處設計為變徑形式，保證了呼吸閥的通氣量；將閥盤與閥盤支架密封面處設計為斜口，當冬季閥內閥外溫差大，液體在閥盤處冷凝時，會順著斜口流入閥盤支架的槽內，能有效防止閥盤凍結。

2 呼吸閥的類型

呼吸閥的類型多種多樣，可以將其劃分為不同的類型。按結構方式可劃分為重力式和先導式呼吸閥；按材料可分為碳鋼、鑄鐵、不銹鋼以及塑料呼吸閥；按密封方式的不同可劃分為緊定式、自封式、油封式以及填料式呼吸閥；按有無阻火的功能可分為普通和阻火呼吸閥；按工作方式可分為呼吸閥、單呼閥以及單吸閥；按可適用操作溫度，可分為普通型和全天候型呼吸閥，其操作溫度和代號如表1 所示。

表1 呼吸閥類型

3 現有呼吸閥在現場使用和檢測存在的問題

要確保壓力儲罐設備的安全性和穩定性，必須確保呼吸閥門的檢測頻率，同時，有關技術人員應該將呼吸閥檢測當成為一項重要的任務。目前，國內大部分的壓力儲罐內部機械模式都是以呼吸閥門和安全保證閥門為基礎，主要采用的是重力模式、機械彈簧模式的內部構成結構，從而達到對壓力儲罐內部結構呼吸壓力的調控。一般為地面儲罐閥門和半地下的壓力儲罐閥門，大部分都是在春季和冬天內每個月進行2 次的檢測，在夏天和秋季分別每月進行1 次檢測。若壓力儲罐為洞口或庫的內部構造，要進行每半年一次的檢測頻率。現有呼吸閥在冬季（-35 ～-25℃）易結霜凍結，使閥桿等關鍵零件失效，導致呼吸閥不能正常工作。同時，由于其結構體積大，重量重，需要多次使用重型機械進行吊裝檢測作業，拆裝強度高、工作量大，導致其檢測成本高、檢測時間長等問題，且在操作時存在較大安全隱患。此外，呼吸閥檢測設備也存在許多問題，例如，設備不符合全參數檢測要求，檢測參數單一不全，集成性、一體化檢測性差等。常見的呼吸閥故障主要有漏氣、堵塞、黏結、卡死、凍結等。

3.1 呼吸閥漏氣

在呼吸閥門的日常工作中，結構體漏氣是一種常見的故障，其原因是呼吸閥在長時間的使用后，空氣中的水分會導致呼吸閥表面出現大量的腐蝕面，進而使零部件之間產生異常。此外，在日常工作中，也會出現一些誤差導致局部受損，如閥盤變形、閥桿傾斜等，從而導致呼吸閥的泄漏。

3.2 呼吸閥堵塞

堵塞是由于機械呼吸閥長期未保養，致使塵土、銹渣等雜物沉積于呼吸閥內而堵塞。另外，一些壓力儲罐的規模和占地比較大，會有蜜蜂和鳥類在呼吸閥門通道口筑巢，最后導致呼吸閥的結構堵塞。堵塞通常會與呼吸閥配合并使用的阻火器相抵觸，從而使呼吸閥的呼吸量大大降低。

3.3 呼吸閥黏連

呼吸閥黏接是因為油蒸氣、水分與沉積于閥盤、閥座、導桿上的塵土等雜物混合發生化學或者物理變化，使閥盤與閥座或導桿黏結在一起，最終引起閥盤重量超重，使得閥盤無法正常開啟，嚴重影響呼吸閥的正常工作狀態。

3.4 呼吸閥卡死

卡死是由于呼吸閥安裝不正確或油罐變形，使閥盤導桿發生傾斜或者銹蝕，在導桿上下活動中不能到位，將閥盤卡于導桿一定位置，最后使引導桿在上下進行活動時不能完全實現彈性。

3.5 呼吸閥凍結

凍結一般發生在冬季或早晚溫差較大的地區，因為溫度的變化導致空氣中的水分在呼吸閥的閥體、閥盤、閥座和導桿等部位凝結，進而結冰，使閥難以開啟。

以上這些故障，有的使呼吸閥達到控制壓力時不能動作，造成油罐超壓，危及油罐安全；有的則使呼吸閥失去作用，造成大小呼吸失控，從而增加進料的蒸發損耗，使介質質量下降，加重區域大氣污染，影響操作人員的身體健康，增加區域危險因素。

4 一體式可拆卸閥芯呼吸閥方案設計

針對現場應用等問題，結合實踐生產經驗和現場實際應用環境，詳細設計了一種新型呼吸閥，該呼吸閥在進行檢測時，只需取出一體式閥芯進行檢測，提高了檢測效率。擴大了閥盤支架的軸向尺寸，并在閥盤支架內部開通氣口，保證了呼吸閥的通氣量要求，此外，閥體阻火口處設計為變徑形式，進一步增大了通氣量。在閥盤與閥盤支架密封面處增設了斜口設計，能有效防止閥盤凍結，如圖1 所示。

圖1 一體式可拆卸閥芯呼吸閥

4.1 結構描述

設計的一體式可拆卸閥芯呼吸閥，將傳統呼吸閥改為可快速拆裝閥芯的一體式閥芯呼吸閥，無須整體拆裝，只需拆卸出一體式閥芯進行檢測，且無須進行重型裝備吊裝作業，解決了在對大尺寸呼吸閥進行拆裝時成本高、效率低、安全系數低等問題。一體式閥芯包括手提式握把、閥盤支架上蓋、負壓閥盤、正壓閥盤、閥桿、FEP膜片及閥盤支架，如圖2 所示。

圖2 一體化可拆卸閥芯

為了增大呼吸閥的通氣量，擴大了閥盤支架的軸向尺寸，并在閥盤支架內部開通氣口，保證了呼吸閥的通氣量要求，此外，將閥體阻火口處設計為變徑形式，進一步增大了呼吸閥的通氣量，如圖3 所示。

圖3 閥盤支架和閥體

針對現有呼吸閥在冬季易結霜凍結，使閥盤等關鍵零件失效等難題，在閥盤與閥盤支架密封面處增設了斜口設計，當冬季閥體內外溫差較大，液體在閥盤處冷凝時，會順著斜口流入閥盤支架的槽內，防止閥盤凍結。如圖4 所示。

圖4 密封面斜口

4.2 技術參數

一體式可拆卸閥芯呼吸閥如圖5 所示。內置阻火器，采用波紋型，阻爆燃型，且阻火器應符合GB5908-2005《石油儲罐阻火器》規定的要求。阻火呼吸閥應按SY/T0511.1-2010《石油儲罐附件第1 部分：呼吸閥》及API2000 標準進行制造和驗收。法蘭標準按HG/T20592-2009PN6RF。ISO28300/API2000 的要求進行泄漏量試驗，即在設定壓力的75%時測定閥門的泄漏量，最大允許的泄漏量值為：＜0.2m3/h；阻火器應位于呼吸閥外側（大氣側），阻火元件應便于檢查和清洗。閥體符合GB/T1301《表面粗糙度參數及其數值》。去除邊緣毛刺，棱邊倒鈍角；螺紋表面不允許有磕碰、黑皮、亂扣和毛刺等缺陷。

圖5 一體式可拆卸閥芯呼吸閥

5 結語

針對現場呼吸閥檢測頻率高、整體拆卸呼吸閥后吊裝運移工作量大、呼吸閥冬季易結霜凍等問題，從呼吸閥結構優化改進的角度出發，提出一種一體化可拆卸閥芯的呼吸閥方案設計，該方案設計主要結論如下：（1）拆裝和運輸時對需要檢測的部件影響小，可靠性高；（2）閥蓋設計為翻蓋式、閥蓋上設置有握把、閥芯上設有提手，使呼吸閥有更加人性化的拆裝方式，拆裝的過程更加方便快捷；（3）相比普通呼吸閥的檢測時，僅需拆卸一體式閥芯，其重量僅為8kg，避免了繁瑣的吊裝作業，極大地提高了工作效率。