呼吸閥改造實踐與維護思路

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(萬華化學(xué)集團股份有限公司，山東 煙臺 264000)

化工企業(yè)的目標是創(chuàng)建零排放無異味的工廠。但隨著企業(yè)發(fā)展，儲罐存放的化學(xué)物質(zhì)分類繁雜且往往會帶有強烈的刺激氣味。若儲罐廣泛使用的呼吸閥密封效果不佳，就會導(dǎo)致大量有毒氣體的無組織泄漏，從而造成不良影響。

在環(huán)保要求和污染控制日趨嚴格的背景下，環(huán)境保護部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2015年的4月16日共同發(fā)布了《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標準》(GB31571-2015)，以促進石油化學(xué)工業(yè)的技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展。其中在5.2條中要求新建裝置在2015年7月1日起，現(xiàn)有企業(yè)在2017年7月1日起對揮發(fā)性有機液體儲罐的污染控制必須達到相關(guān)要求。但目前國內(nèi)對于呼吸閥的設(shè)計、制造和檢驗要求相對簡單且粗放，而呼吸閥作為儲罐的重要安全附件，反而容易成為其最大的泄露點。呼吸閥的合理設(shè)計、正確選用、有效安裝、定期查修的設(shè)備管理必須更加明確和細化。

1 呼吸閥泄露原因分析

儲罐在運行過程中會存在由于溫度升降導(dǎo)致的小呼吸現(xiàn)象，也會由于進出料所產(chǎn)生的大呼吸現(xiàn)象。為了防止這兩種現(xiàn)象導(dǎo)致的儲罐超壓變形或者真空抽癟，常壓儲罐按照相關(guān)規(guī)范通常設(shè)置了呼吸閥。而按照國內(nèi)標準制造和設(shè)計選用的呼吸閥，一般為重力式呼吸閥。

重力式呼吸閥按照用途分兩類：一類是達到一定壓力時，進行呼或吸；另一類是設(shè)計成純粹只呼不吸，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力升高時，氣體便經(jīng)過呼吸閥向外放空從而保證系統(tǒng)的壓力恒定。呼吸閥工作是靠閥盤的自身重力來調(diào)節(jié)的，當(dāng)容器內(nèi)外面的氣壓差超過呼吸閥呼出設(shè)定點時，呼出端閥盤會提升打開進行卸壓，當(dāng)容器內(nèi)外面的氣壓差超過呼吸閥吸入設(shè)定點時，吸入端閥盤會提升打開往罐里補氣。利用閥盤的重量和承壓的面積，來控制罐內(nèi)的呼氣壓力和吸入的真空度。在一定壓力范圍內(nèi)，貯罐呼吸閥內(nèi)部的閥盤會保持靜止狀態(tài)。

下面圖例就是呼吸閥的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 呼吸閥結(jié)構(gòu)示意圖

通過上圖所示結(jié)構(gòu)分析，呼吸閥重要參數(shù)中的呼出和吸入開啟壓力完全取決于閥盤的重量。閥盤與閥座之間的密封為靜密封，其密封預(yù)緊力完全依靠閥盤重量與罐內(nèi)壓力值決定。例如某呼吸閥的吸入和呼出壓力值設(shè)定為-0.5KPa和2.8KPa，若罐內(nèi)壓力為2.5KPa時，其呼出端閥盤的密封預(yù)緊力僅為0.3(2.8～2.5)KPa壓力與閥座面的乘積。如此小的密封預(yù)緊力是較難實現(xiàn)密封的，從而造成了呼吸閥在正常運行工況時的無組織泄漏。特別是在呼吸閥經(jīng)常起跳的情況下，密封閥盤及閥座的磨損會導(dǎo)致密封性能的急劇降低。

2 呼吸閥產(chǎn)品分析和改造實踐

關(guān)于呼吸閥的使用和制作，國內(nèi)外均有部分標準進行描述。如下所述：

《API 2000-2008常壓儲罐和低壓儲罐的通氣》中的附件C.2.3節(jié)中要求“A soft,nonstick material is typically used on the sealing surface of the pallet. This material can prevent the pallet from sticking to the nozzle”。簡單來說就是要求在閥盤的密封表面上使用柔軟的不粘材料。但在此標準中對密封材料應(yīng)達到什么要求才能滿足密封效果，并沒有進一步的說明和規(guī)定。

《SY/T 0511.1-2011 石油儲罐附件 第一部分：呼吸閥》中的第5.3節(jié)材料中有如下說明：全天候型呼吸閥盤和閥座密封部位以及導(dǎo)向襯套和閥桿襯套應(yīng)采用聚四氟乙烯材料，其性能應(yīng)符合QB/T 3624，QB/T 3626和QB/T 3627的規(guī)定；普通型呼吸閥上述部位無需增設(shè)聚四氟乙烯材料接觸面，其閥座可采用鋁合金鑄件。在7.4節(jié)材料中有如下說明：應(yīng)采取有效措施使閥盤基體金屬與密封元件、閥座與閥體間能可靠連接，閥座與閥盤密封處不存在任何影響密封質(zhì)量的缺陷。并且在其標準中8.6節(jié)里有泄漏量試驗和泄漏量的要求。

通過密封原理得知，氣體的密封性由氣體的粘度和氣體分子量的大小決定。而泄露量與泄露通道的大小相關(guān)。即使是兩個非常平滑的接觸面之間，其表面粗糙構(gòu)成的距離也會比分子尺寸要大，依舊能夠產(chǎn)生類似毛細管般的泄露通道，從而出現(xiàn)泄漏。但如果兩個配合面之中有一個為軟性材料且有足夠的彈性變形，就可以關(guān)閉這些泄漏通道，如法蘭密封中的常規(guī)纏繞墊片等。或是兩個加工光滑的金屬接觸面間，若存在足夠的預(yù)緊力時促使其發(fā)生變形，也可以補償兩面之間的間隙從而關(guān)閉泄漏通道，如法蘭密封中的八角墊片等。所以我們可知控制泄露通道的關(guān)鍵就是材料與密封預(yù)緊力，但因呼吸閥中閥盤重力固定的特殊性，密封預(yù)緊力無法調(diào)整，所以需要選用合適的材料或者通過結(jié)構(gòu)上去解決泄漏通道的問題。

從實際調(diào)研情況來看，目前各呼吸閥制造商設(shè)計和制造水平良莠不齊，也導(dǎo)致了實際使用效果差異較大。筆者通過拆檢從事工作使用中的呼吸閥，其制造廠家包含了不同國家不同檔次的產(chǎn)品，如PROTEGO、航天11所和東吳石化等。發(fā)現(xiàn)其整體結(jié)構(gòu)形式是一致的，但是其密封材料和結(jié)構(gòu)的選擇上有著明顯區(qū)別。

在材質(zhì)上，不同廠家不同呼吸閥針對不同介質(zhì)均采用了耐蝕性優(yōu)良的四氟乙烯做密封材料，使其能夠滿足介質(zhì)適應(yīng)性要求。但在超低的密封預(yù)緊力下，四氟材料的低彈性和易被劃傷變形特點，導(dǎo)致其密封效果很差。而且隨著使用時間和起跳累積，密封效果會越來越差。其原因在于每一次起跳后的回座都不會絕對回到原來位置，而上一次的壓痕就是這一次密封的泄漏點。第二個原因就是四氟包覆的閥盤和閥座本身加工粗糙和四氟包覆加工變形等，導(dǎo)致兩者本身的機械貼合度不好，微小缺陷無法補償。

在密封結(jié)構(gòu)上，有的產(chǎn)品密封閥盤利用了聚四氟乙烯薄膜形成“AIR CUSSION”的密封結(jié)構(gòu)，有的產(chǎn)品密封閥盤密封面采用的是軟質(zhì)石棉墊片加四氟乙烯薄膜包覆的形式，而部分產(chǎn)品的密封閥盤就直接采用硬質(zhì)四氟乙烯材料制作。

從現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果來看，不同密封結(jié)構(gòu)的呼吸閥產(chǎn)品在密封性能和長期維護需求上各有其優(yōu)劣性。從密封性能上來看， 國外產(chǎn)品密封性能最佳，但其產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)容易磨損而導(dǎo)致其維護困難。并且呼吸閥的制造精度、運輸保護和安裝要求較高，即便是同一家公司同一批產(chǎn)品，其實際情況中的密封性能與標準規(guī)范要求也會有較大差距。筆者通過實際改造密封效果不良的呼吸閥，如使用發(fā)泡橡膠和模擬實現(xiàn)氣囊密封結(jié)構(gòu)等方式，認識到了密封材料和結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的密封性能差異，也取得了預(yù)期的密封改造效果。

3 應(yīng)用維護及相關(guān)建議

依據(jù)國家規(guī)范和相應(yīng)工藝設(shè)計要求，儲罐上必須設(shè)置有事故泄壓設(shè)備。

通過對工業(yè)園各裝置的呼吸閥使用情況進行調(diào)研，拆檢分析各類廠家的呼吸閥產(chǎn)品，改造現(xiàn)場呼吸閥并實際應(yīng)用，研究常壓儲罐的工藝設(shè)計和操作維護過程。有如下呼吸閥的維護建議可供參考。

3.1 選擇合理的密封結(jié)構(gòu)

針對儲罐的介質(zhì)工況，選擇合理的呼吸閥密封結(jié)構(gòu)。設(shè)計人員和裝置工藝及設(shè)備人員應(yīng)對儲罐運行情況進行分析，辨別儲罐介質(zhì)和工藝操作條件對呼吸閥盤密封結(jié)構(gòu)的影響，例如儲罐內(nèi)介質(zhì)是否潔凈、是否會有溫度變化引發(fā)的物料狀態(tài)變化、是否有使用過程中的頻繁起跳等等，從而在采購規(guī)格書和采購技術(shù)協(xié)議中明確呼吸閥中閥盤應(yīng)當(dāng)采取的密封結(jié)構(gòu)，使其能夠達到相應(yīng)使用要求。

3.2 定期檢查和校驗

呼吸閥在常壓儲罐上的應(yīng)用十分普遍，但不同的介質(zhì)、使用工況和操作條件使得呼吸閥存在各種不可預(yù)知的缺陷，需要有定期檢查和維護過程。

呼吸閥的常見故障有：漏氣、卡死、粘結(jié)、堵塞、凍結(jié)等。大致總結(jié)如下：

漏氣：一般是由于閥盤與閥座的接觸面被硬物劃傷、閥盤或閥座變形以及閥盤導(dǎo)桿傾斜等原因造成。

卡死：多發(fā)生在由于呼吸閥安裝不正確導(dǎo)致的閥盤導(dǎo)桿卡澀，不能自由活動等。

粘結(jié)：是因為有物料揮發(fā)性蒸汽及水分與沉積于閥盤、閥座、導(dǎo)桿上的塵土等雜物混合發(fā)生化學(xué)物理變化，使得閥盤與閥座或?qū)U粘結(jié)在一起。

堵塞：主要是由于呼吸閥長期未保養(yǎng)使用，致使塵土、銹渣等雜物沉積于呼吸閥內(nèi)呼吸管內(nèi)。

凍結(jié)：是因為氣溫變化，空氣中的水分在呼吸閥的閥體、閥盤、閥座和導(dǎo)桿等部位凝結(jié)進而結(jié)冰，使呼吸閥難以開啟從而失去功能。

呼吸閥失去效用時會導(dǎo)致儲罐憋壓、物料揮發(fā)損失及引發(fā)次生環(huán)保事故等。對儲存有易結(jié)晶的揮發(fā)性物料儲罐、易粘結(jié)物料的儲罐呼吸閥和冬季等特殊工況時，應(yīng)提高檢查頻次，降低設(shè)備失效風(fēng)險。

通過定期的查驗和檢修，摸清環(huán)境和工藝操作過程中對呼吸閥使用的影響，逐步優(yōu)化設(shè)備管理過程中的檢修周期，提升呼吸閥使用水平。

3.3 工藝設(shè)計和操作維護

正常的晝夜溫差變化或大幅度液位變化時，會導(dǎo)致儲罐的壓力波動。而在罐頂呼吸閥設(shè)定壓力的條件下，儲罐壓力過低和過高以致接近呼吸閥設(shè)定點時，均會導(dǎo)致呼吸閥的閥盤密封預(yù)緊力降低從而引發(fā)呼吸閥密封性能的急劇降低。

工藝設(shè)計主要體現(xiàn)在兩個方面，首先是儲罐系統(tǒng)的工藝設(shè)計，要求合理設(shè)計儲罐容積或相應(yīng)系統(tǒng)，如在工藝設(shè)計中建立氮氣補壓和真空抽取系統(tǒng)等。其次是優(yōu)化選取呼吸閥的呼吸量和設(shè)定點，根據(jù)具體工況優(yōu)化設(shè)計儲罐所需呼吸量，從而合理設(shè)計呼吸閥起跳的設(shè)定點。

常規(guī)工藝設(shè)計儲罐上的呼吸閥會采用雙閥，兩個呼出閥的呼出壓力采用差異化設(shè)計。當(dāng)儲罐壓力較低時，罐頂氣相打開壓力較低的呼出閥，采用連接密閉真空系統(tǒng)引至園區(qū)統(tǒng)一的廢氣鍋爐焚燒。而當(dāng)儲罐壓力較高的危險工況時，會同時打開罐頂?shù)暮粑y直排大氣。一旦儲罐出現(xiàn)壓力極低或真空情況時，

儲罐系統(tǒng)往往有氮氣補充管網(wǎng)，來實現(xiàn)工藝系統(tǒng)控制上的安全管理。這時候可以通過細化工藝操作，將儲罐壓力維持在一個合理的范圍內(nèi)(建議在設(shè)定壓力點的0.25～0.75倍)，從而降低呼吸閥的泄漏。

4 綜述

儲罐頂安裝的呼吸閥結(jié)構(gòu)簡單且價值不高，所以在工藝操作和設(shè)備管理層面上往往重視程度不夠。但是通過呼吸閥泄漏的揮發(fā)性物料，日積月累下也蘊含著重大的經(jīng)濟效益。隨著化工精細化生產(chǎn)需要及國家對環(huán)保要求的日益嚴苛，碳排放管理工作的日益推進，對現(xiàn)有呼吸閥的管理、使用及維護有急迫的提升需求。結(jié)合設(shè)備全壽命周期管理的理念，針對呼吸閥的設(shè)計、制造、安裝、使用和維護均應(yīng)該有重點的去分析和解決問題，以提升設(shè)備管理的水平。