閥門逸散要求在天然氣行業(yè)的應(yīng)用

王長鋒 周 璇 苑 冬 吳知謙

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

全球化工業(yè)進(jìn)程中,環(huán)境及安全問題越來越受到人們的關(guān)注。歐美國家先后頒布了相關(guān)的法規(guī)規(guī)定危險及有毒污染物向大氣排放的要求[1-3]。中國繼2013年國務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動計劃》后,逐步發(fā)布相關(guān)行業(yè)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[4-6],在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了各行業(yè)設(shè)備與管線組件外漏檢測與控制要求,如泵、壓縮機(jī)、閥門、法蘭等。揮發(fā)性有機(jī)物逸散主要來源于閥門、法蘭、泵、壓縮機(jī)和其他管件,其中幾乎一半來源于閥門,因此現(xiàn)代工業(yè)中將控制易揮發(fā)物的逸散作為衡量閥門密封性能的一個重要指標(biāo)[7]。逸散的定義為:任何未能預(yù)料或難以發(fā)覺的以各種物理形式從任何工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場泄漏出來的化學(xué)品或化學(xué)混合物[8],由定義可知,閥門逸散實際是指閥門的外漏,這種外漏肉眼不可見,靠常規(guī)水壓、氣壓密封試驗已不能判定,只能借助儀器進(jìn)行檢測。當(dāng)前,很多組織都已經(jīng)發(fā)布了針對閥門逸散相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[8-15],對閥門逸散提出具體的要求。

天然氣作為重要的能源,近年來國內(nèi)外開采大幅增加,尤其四川地區(qū)大儲量、高含H2S的氣田的逐步開發(fā),對閥門低泄漏提出了更高的要求。不論是天然氣的外漏,還是劇毒介質(zhì)H2S的外漏,當(dāng)濃度積累到一定程度,或達(dá)到爆炸極限造成爆炸起火,或造成人員不可逆?zhèn)?其潛在危害比閥門內(nèi)漏更嚴(yán)重。因此,天然氣行業(yè)中,對閥門低外漏要求已經(jīng)不可回避。

1 閥門逸散標(biāo)準(zhǔn)比較

1.1 基本信息

對閥門逸散相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的比較分析,高開科[16]已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的工作。隨著標(biāo)準(zhǔn)升版和新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,對閥門逸散提出了更多、更苛刻的要求,有必要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的對比分析,以指導(dǎo)工程設(shè)計和產(chǎn)品制造工作。國際及國內(nèi)常用的閥門逸散相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)規(guī)定主要有以下8種。

ISO 15848-1:2015《工業(yè)閥門——逸散性測量、試驗和鑒定程序第1部分:閥門型式試驗分級體系和評定方法》(以下簡稱“ISO 15848-1”)。

ISO 15848-2:2015《工業(yè)閥門——逸散性測量、試驗和鑒定程序第2部分:產(chǎn)品試驗》(以下簡稱“ISO 15848-2”)。

API STANDARD 622-2018《閥門填料逸散性型式試驗》(以下簡稱“API 622”)。

API STANDARD 624-2014《石墨填料升降桿閥門逸散性型式試驗》(以下簡稱“API 624”)。

API STANDARD 641-2016《1/4回轉(zhuǎn)閥門逸散性型式試驗》(以下簡稱“API 641”)。

MESC SPE 77/300-2018《工業(yè)閥門設(shè)計確認(rèn)試驗程序及技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱“MESC SPE 77/300”)。

MESC SPE 77/312-2017《產(chǎn)品逸散性試驗》(以下簡稱“MESC SPE 77/312”)。

GB/T 26481-2011《閥門的逸散性試驗》(以下簡稱“GB/T 26481”)。

對于上述8個標(biāo)準(zhǔn)的測試對象、試驗型式、試驗介質(zhì)及檢測方法的對比，見表1。

1.2 密封等級

在ISO 15848-1、ISO 15848-2、MESC SPE 77/300、MESC SPE 77/312、GB/T 26481標(biāo)準(zhǔn)中,對閥桿密封及閥體密封處的泄漏劃分了不同的等級,并給出了具體的量化指標(biāo)。與其他標(biāo)準(zhǔn)不同,API 624及API 641標(biāo)準(zhǔn)并沒有區(qū)分閥桿密封和閥體密封,而是將閥門作為整體進(jìn)行量化。不同標(biāo)準(zhǔn)之間密封等級的比較見表2。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)逸散試驗比較表

Tab.1 Comparison of different standards about fugitive emission test

標(biāo)準(zhǔn)號測試對象試驗型式試驗介質(zhì)檢測方法ISO 15848-1閥門(閥桿密封及閥體密封)型式試驗CH4或He真空法或吸槍法ISO 15848-2閥門(閥桿密封及閥體密封)產(chǎn)品試驗He吸槍法API 622填料型式試驗CH4吸槍法API 624升降桿閥門型式試驗CH4吸槍法API 6411/4回轉(zhuǎn)閥門型式試驗CH4吸槍法MESC SPE 77/300閥門(閥桿密封及閥體密封)型式試驗He吸槍法MESC SPE 77/312閥門(閥桿密封及閥體密封)產(chǎn)品試驗He吸槍法GB/T 26481閥門(閥桿密封及閥體密封)產(chǎn)品試驗He吸槍法

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)密封等級比較表

Tab.2 Comparison of different standards about tightness classes

標(biāo)準(zhǔn)號閥桿密封/(mg·s-1 ·m-1 閥桿周長)閥體密封/(mg·s-1 ·m-1 閥桿周長)A級B級C級A級B級ISO 15848-1≤10-5≤10-4≤10-2≤50 ppmv(不區(qū)分A級或B級)ISO 15848-2≤50 ppmv≤100 ppmv≤200 ppmv≤50 ppmv(不區(qū)分A級或B級)MESC SPE 77/300≤10-5≤10-4—≤10-6≤10-5MESC SPE 77/312≤10-5≤10-4—≤10-6≤10-5GB/T 26481≤50 ppmv≤100 ppmv≤1 000 ppmv≤50 ppmv(不區(qū)分A級或B級)API 622≤500 ppmv(填料密封)API 624≤100 ppmv(不區(qū)分閥桿密封和閥體密封,也不區(qū)分具體密封等級)API 641≤100 ppmv(不區(qū)分閥桿密封和閥體密封,也不區(qū)分具體密封等級) 注:表頭單位適用于表格中不帶單位的數(shù)據(jù);1 ppmv=1 ml/m3=1 cm3/m3;ISO 15848-1采用的數(shù)據(jù)為以He作為試驗介質(zhì)時的密封要求。

由于試驗介質(zhì)和方法不同,且不同單位之間并無嚴(yán)格轉(zhuǎn)換關(guān)系,所以不同的標(biāo)準(zhǔn)體系之間難以進(jìn)行嚴(yán)格的量化比較。

對于型式試驗中閥桿密封等級要求,ISO 15848-1與MESC SPE 77/300標(biāo)準(zhǔn)要求一致,不同的是MESC標(biāo)準(zhǔn)取消了等級C。對于產(chǎn)品試驗,ISO 15848-2:2015版本將閥桿密封等級C由2006版本的 1 000 ppmv調(diào)整至200 ppmv,GB/T 26481與ISO 15848-2要求并不一致;閥體密封等級要求ISO 15848-2與GB/T 26481保持一致。

1.3 耐久等級

不同標(biāo)準(zhǔn)考慮因素不同,其耐久等級評定也不同,見表3。ISO 15848-1考慮其使用情況的不同,將閥門區(qū)分為開關(guān)閥(isolating valve)和控制閥(control valve),兩者在耐久試驗的機(jī)械循環(huán)要求上有很大區(qū)別,CO、CC分別代表開關(guān)閥和控制閥的耐久等級;MESC SPE 77/300則根據(jù)閥門口徑的不同規(guī)定了不同的機(jī)械循環(huán)次數(shù);API 622、API 624和API 641則給出了固定的機(jī)械循環(huán)要求。

1.4 溫度等級

表4為不同標(biāo)準(zhǔn)溫度等級比較,ISO 15848-1及MESC SPE 77/300標(biāo)準(zhǔn)可以覆蓋更寬的溫度范圍,更大程度上滿足工程上高溫、深冷閥門的使用需求。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)耐久等級比較表

Tab.3 Comparison of different standards about endurance classes

類別ISO 15848-1MESC SPE 77/300CO1/CC1CO2/CC2CO3/CC3≤NPS 8NPS 10～NPS 16≥NPS 18API 622API 624API 641機(jī)械循環(huán)/次205/20 0001 500/60 0002 500/100 0002081831581 510310610熱循環(huán)/次234111533

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)溫度等級比較表

Tab.4 Comparison of different standards about temperature classes

標(biāo)準(zhǔn)號溫度等級ISO 15848-1-196 ℃～室溫-46 ℃～室溫室溫室溫～200 ℃室溫～400 ℃MESC SPE 77/300-196～-50 ℃-50～-29 ℃室溫室溫～200 ℃ 最大設(shè)計溫度API 622———室溫～260 ℃—API 624———室溫～260 ℃—API 641———室溫～Te— 注:API 641的溫度等級中的Te值需要依據(jù)閥門設(shè)計溫度(≥260 ℃或<260 ℃)和閥門壓力等級不同分別判斷。

1.5 總結(jié)

通過上述不同標(biāo)準(zhǔn)之間的比較分析可知,試驗條件和驗收標(biāo)準(zhǔn)不盡相同,其驗收難以做到量化比較,買方應(yīng)根據(jù)需求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)。只要選用符合上述標(biāo)準(zhǔn)的填料和閥門都將有效減少易燃、有毒介質(zhì)的排放,降低對環(huán)境的污染以及對人員的傷害。

2 閥門外漏點

閥門本身外泄漏點主要包含:閥桿填料部位;閥體與閥蓋連接處,如閥蓋與閥體連接點;閥體與閥體連接處,如三片式球閥結(jié)構(gòu);閥體輔助結(jié)構(gòu)開孔處,如注脂口、放空排液點、旁通連接點、止回閥搖臂軸穿越閥體點、固定球閥底部軸封處。

相比較其他泄漏點，閥桿填料處的密封具有以下特點:密封件在相對運動時會產(chǎn)生更大的微觀空隙;相對運動造成的磨損,會導(dǎo)致后期密封性能的下降;為了減少閥門的開啟力,并減輕填料對閥桿的磨損,施加于填料處的壓力不能太大,控制泄漏的難度更大[17]。

由此可見,閥門填料處的泄漏控制是整個閥門逸散控制的關(guān)鍵所在。

3 閥門低泄漏實現(xiàn)方式

從高開科[18]的研究可知，影響閥門填料逸散性的因素包括:溫度，壓力，閥門形位公差，閥桿及填料函表面粗糙度，填料端環(huán)形式，壓套與閥桿間隙和填料箱與壓套間隙。除上述因素外,密封結(jié)構(gòu)的選擇、填料的形式與性能也會對閥桿密封產(chǎn)生不一樣的效果。

3.1 波紋管密封

波紋管密封可以完全阻斷介質(zhì)通過閥桿填料處的泄漏,可以將閥門的外漏控制到ISO 15848-2等級A的要求,通常用于苛刻的工況。然而,波紋管的使用會面臨以下幾個問題。

1)波紋管雖然可以完全阻斷閥桿填料處的泄漏,但不能阻斷閥蓋處的泄漏。

2)波紋管不能與90°旋轉(zhuǎn)切斷閥配套使用。

3)波紋管密封閥門加工難度大,技術(shù)要求高,在一定程度上依賴國外進(jìn)口,性價比不高。

4)波紋管閥門通常具有加長閥桿結(jié)構(gòu),實際操作需要較大空間與平臺。

以上原因制約波紋管密封閥門在行業(yè)中的應(yīng)用。

3.2 填料結(jié)構(gòu)

合理的填料結(jié)構(gòu)形式可以幫助閥門取得良好的低逸散效果,如上下編織石墨填料中間成型石墨填料的矩形或錐形填料形式或者壓力自密封結(jié)構(gòu)、活載填料結(jié)構(gòu)設(shè)計[19]。

3.3 低泄漏填料及墊片

為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)要求的閥門密封等級,國內(nèi)外諸多公司相繼開發(fā)閥桿用低泄漏填料,如美國SLADE公司3300系列碳纖維增強(qiáng)石墨編制盤根、美國Garlock公司EVSP低泄漏組合填料等,上述低泄漏盤根及組合填料均已經(jīng)通過TA-Luft-2002 Technical Guidelines for Air Pollution Control、API 622、ISO 15848等法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的考核,并在實際工程中取得良好的應(yīng)用效果[17]。

3.4 產(chǎn)品試驗

近來,經(jīng)過國內(nèi)外項目的推動,越來越多的制造商已經(jīng)取得了ISO 15848-1或者API 624、API 641的型式試驗認(rèn)證證書。筆者認(rèn)為影響閥門低泄漏的因素眾多,且閥門一旦隨管線投產(chǎn)以后,長期處于承壓、受力、反復(fù)開啟狀態(tài),必須確保產(chǎn)品低泄漏性能滿足要求。因此對于有逸散性要求的閥門應(yīng)對產(chǎn)品按協(xié)定比例進(jìn)行試驗,同時進(jìn)行資料復(fù)查,看廠家是否按照技術(shù)要求完成閥門制造與檢驗。如果發(fā)現(xiàn)問題,應(yīng)及時提出,甚至拒收。

4 逸散要求在天然氣行業(yè)應(yīng)用

與常規(guī)閥門相比,低泄漏閥門在原材料、設(shè)計、加工精度、試驗要求上都有較大不同,勢必會帶來成本的增加,但與波紋管閥門相比,結(jié)構(gòu)簡單,加工制造容易,其成本與常規(guī)閥門相比高約10%～20%[20]。鑒于波紋管閥門在制造、使用、價格上的諸多限制,低泄漏閥門在較大程度上可以替代波紋管閥門達(dá)到工程上對于低泄漏的要求。

結(jié)合天然氣行業(yè)實際情況與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對閥門外漏的要求,密封等級為ISO 15848-2等級B的閥門可以滿足多數(shù)工況的要求,該等級要求在制造難度上并不會對國內(nèi)制造商帶來困難,因此建議在實際工程設(shè)計過程中對普通介質(zhì)視情況做ISO 15848-2等級C要求或不做要求;對易燃、易爆及有毒介質(zhì)考慮ISO 15848-2等級B的要求;對于高含H2S的介質(zhì)根據(jù)實際情況可考慮ISO 15848-2等級B甚至等級A密封要求;對深冷工況介質(zhì)如LNG等,可做ISO 15848-2等級B要求,試驗溫度應(yīng)為-196 ℃。在提出具體密封等級要求的基礎(chǔ)上,同時應(yīng)視工況對型式試驗過程中的耐久等級和溫度等級做出明確要求。

5 結(jié)論

各國對環(huán)境及安全越來越重視,法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)也逐步完善閥門逸散性的要求。隨著中國與國外工程公司合作逐漸深入,低逸散要求也越來越多地應(yīng)用到天然氣工程項目中。設(shè)計人員應(yīng)熟悉標(biāo)準(zhǔn)要求,從而提出更為合理的設(shè)計要求。同時,閥門制造商應(yīng)逐步提升自己的技術(shù)實力,以應(yīng)對嚴(yán)苛技術(shù)要求。相對于波紋管密封閥門,采用低逸散性填料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的閥門,由于價格上的優(yōu)勢以及對需求的滿足也必將使其得到越來越廣泛的應(yīng)用。