大型储罐呼吸阀基础知识.docx

大型储罐呼吸阀简介
煤化工联盟 2023-08-28 08:30 发表于天津
功能
呼吸阀在正常状态下只是保证储罐安全密闭，尽量减少储罐内介质的蒸发损耗。只有在下列非正常状态下呼吸阀才开始工作：①当储罐进行介质收发作业时，罐内气体体积变化引起气体压力发生变化，呼吸阀即开始较大流量呼吸；②由于外界环境影响，储罐内气体温度发生变化，引起罐内介质蒸汽压增高或降低(通称热效应)，呼吸阀开始小流量的呼吸；
③天气骤变或发生火灾等情况时，罐内温度短时间内迅速变化，引起储罐内气体压力急剧升高或降低，造成呼吸阀大流量呼吸。呼吸阀在各种工况下都应满足储罐呼吸所需的通气量，以确保储罐的安全。
工作原理

呼吸阀是一种广泛应用在储罐顶部的通风装置，用来维持罐内外的气压平衡，通过控制储罐的呼出压力和真空度，防止由于真空度、压力超过允许值(负压和超压)而造成的储罐凹瘪与翘底，同时由于压力的控制，在一定程度上也减少了罐内介质的蒸发损耗。因此呼吸阀应该具有泄放正压和负压两方面功能，由正负压力决定或呼或吸，呼吸阀的具体原理如下图所示。

当储罐承受正压时，呼吸阀打开呼出气体泄放正压；当储罐承受负压时，呼吸阀打开吸入气体泄放负压。由此在一定的压力范围内确保储罐安全。
按工作原理可将呼吸阀分为重力式、弹簧式和先导式3种。
1.重力式呼吸阀
重力式呼吸阀是靠阀盘本身的重量与罐内外压差产生的上举力相平衡而工作的，具体结构形式如下图所示。重力式呼吸阀具体工作原理如下图所示。

阀盘所受的总外力为△F，F为阀盘本身的重力G，上举力为πD2(P2-P1)／4。
1)当阀盘本身的重力与上举力相等，呼吸阀呼出阀盘与呼出口阀座严密配合，吸入阀盘与吸入口阀座严密配合，此时阀盘所受总外力△F=G-πD2(P2-P1)／4。
2)当储罐内产生大于设定压力的超压时，罐内高压直接作用于呼出口阀盘下方，并克服阀盘重力以及作用于阀盘上的大气压力，从而打开呼出口阀盘排出罐内过高气压，使罐内压力与大气压力保持平衡。此时阀盘所受的总外力△F=G-πD2(P2-P1)／4>0。
3)当储罐内产生小于设定压力的负压时，大气压力直接作用于吸入口阀盘下方，并克服阀盘重力以及作用于阀盘上方的罐内压力，从而打开吸入口阀盘向储罐内补充压力，使罐内压力与大气压力保持平衡。此时阀盘所受总外力△F=G-πD2(P2-P1)／4<0。
2.弹簧式呼吸阀
弹簧式呼吸阀是依靠弹簧的形变力与罐内外的压力差产生的推力相平衡而工作的，具体结构形式如下图所示。

弹簧式呼吸阀具体工作原理与重力式呼吸阀类似，阀盘所受的总外力和上举力仍为△F和πD2(P2-P1)／4，但此时控制力F变为弹簧的形变力，并且可以通过改变弹簧的预压长度来调节控制力F。
 3.先导式呼吸阀
先导式呼吸阀是用导阀来控制主阀的，该导阀采用薄膜式结构，薄膜面积大，故在很低的工作压力下仍可达到一定的作用力来控制主阀的动作。此外在导阀开启前，主阀不受控制流的作用，关闭严密，故先导式呼吸阀可以达到气泡级密封。先导式呼吸阀具体结构如下图所示。

工作原理如下图所示。

1)在正常工作情况下，作用在主阀膜片上的压力P2与作用在导阀膜片上的压力P1是相同的，主阀处于关闭状态，而导阀弹簧载荷大于导阀膜片上向上的作用力，使导阀也处于关闭状态。由于导阀的膜片面积S1大于主阀的膜片面积S2，因此阀门的关闭力F=P1S1-P2S2。而且随着阀前压力的增大，阀门关闭力增加，阀的密封性更佳。
2)当储罐内压力大于设定压力时，作用在导阀膜片上向上的作用力刚好超过导阀弹簧载荷。此时，导阀阀座稍微开启，封闭在主阀内的气体通过导阀迅速排出，使主阀气室内的压力P1降低。此时作用在主阀膜片上的压力P2>P1，使主阀打开，储罐内的超压得到泄放。
3)通过主阀的流体继续流动，直到罐内压力小于设定压力时，作用在导阀膜片上的作用力小于导阀的弹簧载荷，导阀被关闭。储罐内的气体通过导管进入主阀气室，使压力P2=P1，主阀关闭，重新回到正常状态。
4)当储罐内压力处于负压状态时，操作原理基本与正压泄压相同。在关闭情况下，P1为大气压力存在于主阀气室内，而作用在主阀膜片上的压力P2为负压，阀门的关闭力F=P1S1-P2S2，使主阀关闭。在设定点上，导阀开启，把主阀气室内的压力通过导管送到进口负压处。当部分负压在气室内形成时，外部的大气压力致使主阀开启，并在阀内形成气流，从而消除储罐的负压状态。最后大气压力通过导管进入主阀气室使主阀关闭。
性能比较
1.重力式呼吸阀结构简单，价格低廉，在国内应用非常广泛。但其也存在着不足之处，在小流量呼吸过程中，当罐内气体压力在临界状态点出现微增量时，阀盘被推开排气，首先使阀盘内侧局部区域(约5～7倍管径范围)气体压力迅速下降，导致阀盘很快回落到阀座上，阀关闭。然后，阀盘内侧压力迅速与罐内压力平衡，又略大于临界压力，将阀盘推开排气，而后阀盘再关闭。如此反复，就出现一种跳动现象，不能保证良好的密封。阀门反复开关还容易产生磨损造成泄漏。低温下，阀盘还容易冻结在阀座上。
2.弹簧式呼吸阀结构紧凑、体积小、重量轻，价格也相对低廉，还可以调节其设定压力。但弹簧式呼吸阀随着阀门开启度增大，弹簧形变增大，作用在阀盘上的弹簧力也增大，导致阀无法开足，使呼吸阀难以达到设计能力。弹簧式呼吸阀在长期使用后，弹簧易锈蚀和老化。冬季使用时，弹簧易结霜而影响弹簧的压缩性，使阀盘不能正常地在设定点开启。
3.先导式呼吸阀尺寸小、重量轻(高压、大口径)，泄放前阀座密封极佳，且不易受背压影响。但先导式呼吸阀机构复杂，单阀制造成本高，仅适用于技术要求较高的储罐。
目前，在国内的大型储罐中，传统的重力式和弹簧式呼吸阀应用比较多。由于低压储罐呼吸阀的阀前压力很低，有时只有几百帕，作用在阀盘下部向上的作用力有限，使阀不容易准确地在定压下开启。即使阀盘打开了，也会由于作用力太小，导致阀被卡住；先导式呼吸阀的膜片式结构保证了在很低的工作压力下仍可准确控制主阀的动作。重力式和弹簧式呼吸阀在定压下工作时，由于工作压力非常接近定压，阀门很容易泄露，一般在阀前压力达到定压的90～95％时就会有泄漏，且随着阀前压力的继续升高，阀门的泄漏量增大。当阀前压力达到定压时，阀门开启；阀前压力升高达到定压的时，阀门全开。随着压力的泄放，阀前压力回降，直到降到定压的时，阀芯回座，阀门关闭。先导式呼吸阀，当阀前压力达到定压的时才开始泄漏，阀前压力达到定压时(无需超压)，阀门即可全开；当阀前压力降到定压的98%～99%时，阀门关闭。可见，先导式呼吸阀在阀前压力达到定压前，开始泄漏较晚，泄漏量少；而阀前压力降到定压以下时，又能较早地关闭，从而减少了泄漏及过量排放。这样既减少了储罐内物料的损失，又有利于环境保护。
传统的重力式和弹簧式呼吸阀都属于微启动式，在设计压力下开启时，开启高度在1／40～1／20流道直径的范围内，因此流通系数较小，在0.2～0.4之间。阀门动作特性为比例作用式，开启高度随压力升高而逐渐增大，这种特性的呼吸阀流通面积比较小，容易发生储罐超压；先导式呼吸阀是一种全启式阀，动作特性为两段式。全启式是指阀门的开启高度大于等于1／4流道直径。两段式是指阀门的开启过程分为两个阶段，起初阀门随压力升高而比例开启，在压力升高一个不大的数值后，阀门即在压力几乎不再升高的情况下急剧开启到规定高度。