高速透气阀压力流量特性实验和入级型式试验

引言

《1974年国际海上人命安全公约》至后续修正的MSC/Circ.677—1994，MSC/Circ.1009—2001，MSC.1/Circ.1324—2009一系列文件，研究和规范化高速透气阀一直没有停歇，不断提高船舶及其装备的安全性是国际海事组织(IMO)及SOLAS议定书缔约国的共同要求。

船用高速透气阀是保护装有原油、石油制品和易燃化学品液货舱的装置，用于防止液货舱由于装货作业及温度变化等，导致舱内超压或负压超标，同时防止外部火焰进入液货舱。起到了保护舱体结构安全，及油气混合物可燃性气体的顺利排放等功能。真空阀上的防火网具有阻止外部火焰吸入阀腔的功能。

高速透气阀失去作用[1]会导致船体结构的变形，甚至引起油舱火灾、爆炸等事故，1988年3月13日上海海运局“大庆45”油轮在秦皇岛油港因货油舱高速透气阀严重腐蚀卡死，舱内油气混合物可燃气体无法从阀口泄出，而从舱口盖缝隙挤压泄出，因急剧摩擦产生大量静电，导致在舱口处引起爆炸。因此研究高速透气阀原理、压力-流量特性尤为重要，本研究为高速透气阀的结构设计、提高工作性能等，提供了参考依据。

DN200型高速透气阀是配套船舶液货舱最常见的一种高速透气阀，本研究以DN200型为研究对象。

1.导流器 2、7.配重块 3.手柄 4.P阀体 5.正压阀
6.真空阀 8.V阀体 9.防火网 10.顶升轴
图1 高速透气阀结构图

1 结构及工作原理

图1为高速透气阀结构图，图2为某船高速透气阀安装图，高速透气阀分为正压阀(呼气)和真空阀(吸气)两部分，呼气部分由导流器、配重块、阀杆手柄、阀壳等组成，检验阀的动作是否灵敏可通过扳动操纵手柄，使正压阀的阀门提起；吸气部分由顶升轴、压盖、防火网、配重块、阀壳等组成，可手动顶起真空阀盘，打开真空阀，松开顶升轴，真空阀关闭。

图2 某船高速透气阀安装图

透气系统通过高速透气阀作用起到防止液货舱内过压或欠压。阀口导流器开启或关闭的原理为：重力+磁力控制平衡阀腔气体的过压(即也理解为油气推力≥重力+磁场吸力)。磁力的助开启，有效消除高速透气阀的颤振现象。

在装载工况下，油舱内可燃气体的压力高于正压阀设定的开启压力pk=14 kPa时(一般油船pk=14 kPa，化学品船pk=20 kPa)，正压阀盘组件自动提升，可燃气体混合物以30～80 m/s的速度向甲板上空排出消散(可燃气体混合物不会沉降，透气口的高度设在甲板以上6 m处)；舱压下降至设定值以下，重力和磁力作用下自动复位关闭导流器。

在卸载工况下，舱内货油逐渐减少排空形成负压，当负压值达到真空阀设定开启压力pk=-3.5 kPa时，吸气阀芯组件自动打开，外界空气经防火网安全地吸入，实现舱内外的气压平衡。

在满载航行中，高速透气阀能自动调节由于昼夜温差或因大风颠簸摇晃而引起的舱内压力波动。防止火灾、爆炸等事故发生，从而保证了船舶安全的航行。如果阀口周围发生火焰，正压阀高速喷射排气，流速不低于30 m/s[2-3]，能有效地防止回燃，真空阀工作时火焰在撞击到防火网后熄灭，防燃抑爆。

高速透气阀还能限制舱内外气体的自由对换，防止液体大量挥发的损失(安全节能)和可燃气体挥发扩散后的危险。对于充惰的油舱，能避免惰气流失和防止外界空气随时进入油舱。

2 高速透气阀实验系统

高速透气阀实验系统由气源部分、气路控制系统、实验台架及测控系统组成，图3为实验系统原理图[4-9]。系统设计参数为工作压力29.4 kPa，额定流量10000 m3/h，真空度-40～0 kPa，管道通径500 mm。风机选用HSR350型三叶罗茨鼓风机，风量86.98～177.31 m3/min，升压范围9.8～58.8 kPa，电机功率55～250 kW。电动闸阀选用的型号为ZC90T-24/120BZ(Z90)整体式防爆型，闸阀直径350 mm，驱动头的输出额定转矩900 N·m，推力型接口输出转速24 r/min，电机功率2.2 kW，最大转圈数120圈，短时工作制，额定时间为10 min。NS型压力传感器量程范围0～100 kPa，输出4～20 mA的直流电信号。真空/压力传感器量程范围-100～100 kPa，输出4～40 mA的直流电信号。压力表量程为-0.05～0.1 MPa。双向流向计选用GFM200气体流量计，响应速度为50 ms，低流速可测量至0.01m/s，模拟量输出是4～20 mA。

图3 实验系统原理图

3 高速透气阀实验

3.1 正压阀排气实验

(1) 实验系统原理如图3所示，先将电动闸阀3、4关闭，电动闸阀1、2开启；启动风机把压缩空气输送至储气罐；观察仪器仪表和视频监控系统，随时间的变化，查看阀口导流器初开、完全开启至关闭之间的整个过程。在高速透气阀打开前，气罐内压力升高速率应不超过0.01 Pa/min；

(2) 使用计算机智能数据采集分析处理系统采集压力、流量、转速、温度、时间、气体流速、阀芯位移等数据；

(3) 选定测量区间后，由输出压力-流量曲线图。

3.2 真空阀吸气实验

吸气实验和排气实验的区别为电动闸阀1，2关闭，电动闸阀3，4开启。后面的步骤同正压阀的排气实验一致。

4 实验结果分析

4.1 正压阀压力-流量特性

正压阀压力-流量曲线如图4所示，流量Q在540.7 m3/h的临界点(运行115 s时段)，正压阀内压力p达到第一波峰值14.1 kPa，即正压阀导流器瞬间开启，处于开启排气状态，瞬间的排气速度高达42 m/s。随后在12.0 kPa的气压下停留65 s后压力上扬。停留期间风机的平均转速为229 r/min。

图4 正压阀压力-流量曲线

正压阀内压力在低于14.1 kPa，气流尚未能推起配重块的重力和磁力使阀口导流器开启，且流量为0，故该区间高速透气阀是处于关闭状态，在该区间内风机的最大转速为126 r/min。

流量在2408.2～2719.8 m3/h(运行180～677 s时段)，流量和压力相互呈3段台阶式平行上升的曲线，风机和储气罐的补给下，流量上升，压力增大，每阶段曲线间联系稳定。2408.2 m3/h流量时对应的压力为14.2 kPa，风机转速347 r/min；2459.3 m3/h流量时对应的压力为17.2 kPa，风机转速408 r/min；2681 m3/h流量时对应的压力为21.4 kPa，风机转速457 r/min。正压阀内压一直高于14.1 kPa，导流器一直处于开启排气状态，排气流量一直低于进气流量，排气速度均值在41.5 m/s。

流量由2719.8 m3/h降至0(运行时段677 s到最后)风机关闭，流量急剧下降，但压力在21.4 kPa保压4 s后开始下降，区间内的排气流量大于进气流量，内压由高于14.1 kPa向低于14.1 kPa转变，降到10 kPa 时，托不住配重块的重力和磁力时阀口关闭。这就是正压阀开启状态向关闭状态过渡的过程。

正压阀实验过程的温度差为升温3.7℃。

4.2 真空阀压力-流量特性

真空阀压力流量曲线如图5所示，流量在254 m3/h的临界点(已运行78 s时段)，阀内压力下降至-3.5 kPa，即真空阀阀芯组件打开，处于开启吸气状态，向储气罐内补充大气压力来保持平衡。风机继续加大排空，随后气压在-3.2 kPa下短暂停留7 s后继续下降，风机转速从120.6 r/min开始增大。

图5 真空阀压力-流量曲线

流量在299.9～2957.8 m3/h(运行85～811 s时段)，流量呈现4段上梯台阶式的曲线，而压力呈现4段下梯台阶式的曲线，流量上升则压力下降。对应的299.9 m3/h流量时，压力为-3.8 kPa，风机转速207 r/min；对应的1205.8 m3/h流量时，压力为-4.15 kPa，风机转速255 r/min；对应的2091.4 m3/h流量时，压力为-5.24 kPa，风机转速347 r/min；对应的2904.7 m3/h流量时，压力为-7.01 kPa，风机转速451.5 r/min。真空阀压力一直低于-3.5 kPa，阀芯组件一直处于开启吸气状态，吸气流量一直小于抽气流量。

流量由2957.8 m3/h降至0(运行时段811 s到最后)，风机关闭，流量下降，但负压在-7.01 kPa上下持续8 s后开始上升，区间内的吸气流量大于抽气流量，压力由低于-3.5 kPa向高于-3.5 kPa转变，升到-2.6 kPa时，托不住阀芯组件的重力时阀口关闭。这就是真空阀开启状态向关闭状态过渡的过程。

真空阀实验过程的温度差为降温0.8℃。

5 入级型式试验[10-11]

5.1 液压试验

试验压力为1.5倍最大额定压力或最小表压345 kPa，选两者之间的大值，持续10 min内无破裂、渗漏或永久变形。为了达到试验目的，阀盘可以被关闭或阻塞。

5.2 密封试验

将阀件浸没水槽中或在其表面涂上肥皂水，内腔加70 kPa压缩空气，持续3 min确保阀盘密封面应无渗漏。

5.3 性能特征试验

(1) 流量测试：正压、负压下的流量数据应以曲线或表格方式给出，应显示出阀门初始开启点、最终关闭点的流量，并且应覆盖从开启气压(或真空度)到入口完全打开的气压(或真空度)之间整个范围的数据；

(2) 操作灵敏性：手动操作阀开启和关闭应灵活可靠，扳动透气阀手柄，透气阀盘应能打开；放开手柄，应能迅速关闭，用手顶起和放下负压阀顶杆，应能听到阀盘和阀座的碰撞响声；

(3) 流动阻力：在阀的进口接管上和阀的出口处连接“U”形管，测出在阀体内进、出口的压降；

(4) 流速：正压阀开启后，喷出的气流速度任何时候不小于30 m/s；

(5) 开启压力和关闭压力测定：高速透气阀设定开启压力为14 kPa，允许不均匀度为±10%，最大排气压力为21 kPa。真空阀设定开启压力为-3.5 kPa，允许不均匀度为±20%，最低为-7 kPa；

(6) 耐火试验：按MSC/Circ.677《经修订的阻止火焰进入油船液货舱的装置设计、试验及安装的修订标准》[12]第3.2.3条要求进行；

(7) 回燃试验：按MSC/Circ.677《经修订的阻止火焰进入油船液货舱的装置设计、试验及安装的修订标准》第3.2.2条要求进行，并验证防火网的性能。

5.4 腐蚀试验

将整个设备包括相配合的管系部件暴露于温度为25 ℃的5%NaCl溶液喷雾中240 h，然后干燥48 h。试验后所有的活动部件应能正常工作并应没有冲洗不掉的腐蚀沉淀物。

5.5 冰冻试验

外部结冰试验：将阀件包括相配合的管系部件暴露在-10 ℃温度环境中24 h后，再用不超过2 ℃的水喷洒设备外表面，喷洒间隔时间10 min，每次用水量1 L，冰层厚度至少达到5 mm后，检验阀件应能正常工作。

将阀件置于-30 ℃下24 h，取出后立即检查各部件应能正常工作。将阀件置于试验台架上，检查阀门的开启和关闭压力是否均正常。

5.6 高温试验

将阀件置于65 ℃下24 h，取出后立即检查各部件应能正常工作，阀杆手动操作阀盘开启和关闭灵活可靠。

6 结论

本研究设计了高速透气阀实验系统、对DN200型高速透气阀排气和吸气进行了压力-流量特性分析，且满足气体在达到产品设定的压力下充分释放要求，最后整理出“入级型式试验”要求，便于获取各船级社图纸审批和产品证书。

(1) 正压阀开启压力为14.1 kPa，正压阀关闭压力为10.0 kPa。真空阀开启压力为-3.5 kPa，真空阀关闭压力为-2.6 kPa。满足CCS 《钢质海船入级规范2018》第3篇5.6.2.5条：(“压力真空阀应能调整舱内的压力，以防止货油舱承受高于该舱试验压力的正压(一般不大于21 kPa)和低于7 kPa的负压”要求)[13]；

(2) 正压阀瞬间的排气速度高达42 m/s，且阀在达到开启设定压力至随后关闭的整个排放气体的过程中在阀口部位气体喷出的速度始终在41.5 m/s上下。体现了阀排气高效、迅速的特点，符合MSC/Circ.677 《经修订的阻止火焰进入油船液货舱的装置设计、试验及安装的修订标准》第3.3.2.5条(“无论何时开启阀，在出口处的气流速度不得小于30 m/s”。符合《1974年国际海上人命安全公约SOLAS》及其修正案，II-2章第4条5.3.4.1款：“压载的透气出口应使蒸气混合物的排泄节流速度达到不小于30 m/s)[14]；

(3) 正压阀的阻火能力主要依靠气流速度大于火焰传播速度，不需要额外增加阻火部件，如阻火网等；

(4) 真空阀在达到开启设定的真空压力时开启阀芯，当真空压力减小至一定值时关闭阀芯，对阀口部位气体吸入的速度没有要求。真空阀的阻火能力主要依靠特别设置的阻火部件，如阻火网；

(5) 实验过程中显示出了高速透气阀初始开启点、最终关闭点的流量；并且覆盖从开启气压(或真空度)，到入口完全打开的气压(或真空度)，再到阀口关闭的气压(或真空度)之间整个范围的数据。