閥門逸散性密封等級(jí)的工程設(shè)計(jì)探討

張志祥

福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司 （上海 201103）

石油化工裝置因多含有毒有害、易燃易爆介質(zhì)而備受環(huán)保關(guān)注，在當(dāng)今環(huán)保問(wèn)題日趨嚴(yán)峻的背景下，人們?nèi)找嬷匾暿b置中介質(zhì)的泄漏問(wèn)題。如美國(guó)1990年再度修訂《凈化空氣法》的一個(gè)主要目的就是減少189種化學(xué)品總量90%的逸散，德國(guó)和歐盟其他國(guó)家也對(duì)有毒有害介質(zhì)向大氣逸散污染作出相關(guān)規(guī)定要求，我國(guó)環(huán)保部在2014年12月發(fā)布了整治方案以貫徹落實(shí)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》。石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）主要源自流體設(shè)備密封處的逸散，特別是管道法蘭和閥門密封處泄漏[1]。閥門逸散性泄漏在工程上常簡(jiǎn)稱微泄漏或低泄漏，國(guó)內(nèi)外都出臺(tái)了專門的逸散性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范檢測(cè)閥門的微泄漏。

隨著引進(jìn)裝置國(guó)外工藝包中對(duì)閥門微泄漏要求的提高及閥門制造與國(guó)際的接軌，近年來(lái)工程設(shè)計(jì)方及閥門制造廠商逐步開始使用逸散性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但如何選擇適用的密封等級(jí)在工程設(shè)計(jì)中卻成為難題，原因主要有3個(gè)方面：（1）在國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)閥門微泄漏并沒有量化要求，造成工程設(shè)計(jì)人員無(wú)據(jù)可依；（2）選擇閥門密封等級(jí)時(shí)，需要考慮多方面的指標(biāo)且很難量化，如需要考慮有毒介質(zhì)泄漏后依接觸時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)接觸人員造成的傷害、易燃易爆介質(zhì)泄漏后隨著擴(kuò)散達(dá)到介質(zhì)爆炸極限、VOCs對(duì)環(huán)保的影響具體到對(duì)閥門泄漏量的量化指標(biāo)，要綜合考慮上述各方面因素并對(duì)閥門泄漏進(jìn)行量化控制，在工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)；（3）由于在工程設(shè)計(jì)中并沒有大量采用閥門逸散性檢測(cè)，很少有習(xí)慣性做法可以參考，這也間接造成工程設(shè)計(jì)中的困難。本研究旨在為合理選擇閥門密封等級(jí)提供新的思路，供工程設(shè)計(jì)人員參考（只討論手動(dòng)切斷閥門，不包括控制閥門）。涉及的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，后為行文方便，均使用標(biāo)準(zhǔn)號(hào)簡(jiǎn)稱。

1 閥門逸散性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及密封等級(jí)

閥門閥體和閥桿填料處的微泄漏是逸散性試驗(yàn)的兩個(gè)檢測(cè)對(duì)象，目前石油化工行業(yè)普遍采用的國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范見表2，分為閥門型式試驗(yàn)（ISO 15848-1：2015，SHELL MESC SPE 77/300-2015，API 622-2018，API 624-2014，API 641-2016[2]）和閥門出廠驗(yàn)收試驗(yàn)（ISO 15848-2：2015，SHELL MESC SPE 77/312-2015，GB/T 26481—2011）， 其 中 API 624-2014已經(jīng)作為API 600閘閥出廠標(biāo)配的型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 型式試驗(yàn)相關(guān)要求

型式試驗(yàn)主要檢驗(yàn)閥門和填料在極限工況下循環(huán)后的泄漏，同時(shí)評(píng)估閥門整體設(shè)計(jì)在逸散性泄漏方面的性能，滿足相應(yīng)微泄漏密封等級(jí)的閥門在出廠驗(yàn)收試驗(yàn)前，應(yīng)首先通過(guò)型式試驗(yàn)，但目前國(guó)內(nèi)并沒有對(duì)應(yīng)型式試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具備閥門型式試驗(yàn)資質(zhì)的廠家也為數(shù)不多，ISO 15848：2015 A級(jí)的持證廠家更是鳳毛麟角。下面就閥門的密封等級(jí)、耐久等級(jí)和溫度等級(jí)3個(gè)方面作一簡(jiǎn)述。

1.1.1 密封等級(jí)

閥體密封等級(jí)在ISO 15848-1：2015中只規(guī)定了1個(gè)，而填料密封等級(jí)分為3個(gè)等級(jí)，SHELL公司規(guī)定的閥體密封等級(jí)和填料密封等級(jí)都為2個(gè)。API 622-2018中只有 1個(gè)填料密封等級(jí)；API 624-2014規(guī)定采用甲烷試驗(yàn)的填料密封等級(jí)與ISO 15848-1：2015的B級(jí)相同，只有1個(gè)等級(jí)且不對(duì)閥體定級(jí)。ISO 15848-1：2015將閥門和填料作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行逸散性試驗(yàn)，從而更能反映閥門安裝后的實(shí)際性能水平；API 622-2018和API 624-2014更關(guān)注填料的泄漏，填料可以進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試來(lái)完成試驗(yàn)，但同一填料在不同閥門廠家的產(chǎn)品上可能會(huì)有不同的泄漏水平。常見標(biāo)準(zhǔn)中閥門密封等級(jí)及泄漏量匯總見表3（各種標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法及計(jì)量單位經(jīng)常不一致）。

表1 文中涉及標(biāo)準(zhǔn)

表2 閥門逸散性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

各標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)介質(zhì)、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)方法及程序方面的規(guī)定各有不同，工程設(shè)計(jì)中可結(jié)合具體工況和所需閥門逸散性密封等級(jí)來(lái)選擇。

1.1.2 耐久等級(jí)

耐久等級(jí)在型式試驗(yàn)中定義為閥門機(jī)械循環(huán)的次數(shù)。CO1，CO2，CO3 三個(gè)級(jí)別是 ISO 15848-1：2015規(guī)定的耐久等級(jí)，除室溫外有兩次熱循環(huán)[3]，具體見圖1。

SHELL SPE 77/300-2017對(duì)閥門面板等級(jí)的要求為約206次機(jī)械循環(huán)，即在不同溫度下共有206次啟閉循環(huán)[4]。

API 622：2018規(guī)定的耐久等級(jí)只有一級(jí)，持續(xù)5天的機(jī)械循環(huán)要求每天不超過(guò)2 h[5]，總循環(huán)時(shí)間不超過(guò)8 h，機(jī)械循環(huán)和熱循環(huán)次數(shù)分別為1 510和5次。API 624-2014規(guī)定的型式試驗(yàn)?zāi)途玫燃?jí)同樣只有一個(gè)，機(jī)械循環(huán)和熱循環(huán)次數(shù)分別為310和3次[6]。與API 624-2014相比，API 641-2014提高到610次機(jī)械循環(huán)和3次熱循環(huán)。

1.1.3 溫度等級(jí)

按閥門的試驗(yàn)溫度進(jìn)行溫度等級(jí)分級(jí)，ISO 15848-1：2015標(biāo)準(zhǔn)2017年修訂版將室溫溫度區(qū)間修改為5～40℃，這與2015版標(biāo)準(zhǔn)中室溫溫度區(qū)間-29～+40℃有較大的差別，共分為6個(gè)溫度等級(jí)[7]（見表4）。SHELL公司要求的溫度等級(jí)為T1～T10共10個(gè)，每個(gè)等級(jí)又細(xì)分為3個(gè)級(jí)別。API 622-2018和API 624-2014均只有兩個(gè)溫度等級(jí)，包括室溫和260℃。

表3 閥門逸散性密封等級(jí)及泄漏量

圖1 ISO 15848-1：2015閥門機(jī)械循環(huán)

表4 ISO 15848-1：2015溫度等級(jí)

1.2 出廠驗(yàn)收試驗(yàn)

閥門的型式試驗(yàn)檢驗(yàn)了閥門的整體設(shè)計(jì)性能，而通過(guò)型式試驗(yàn)的閥門，在出廠前還需要按抽檢比例進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，具體驗(yàn)收比例根據(jù)使用工況來(lái)確定。下面結(jié)合3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)介紹驗(yàn)收試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容。

ISO 15848-2：2015 和 GB/T 26481—2011 規(guī)定的氦氣試驗(yàn)壓力一般為0.6 MPa，試驗(yàn)溫度為室溫，而SHELL MESC SPE 77/312-2017試驗(yàn)壓力要求更高，要達(dá)到閥門在試驗(yàn)溫度下的額定壓力。閥體和閥桿填料的密封泄漏量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以設(shè)計(jì)中要求的密封等級(jí)為準(zhǔn)，超出相應(yīng)密封等級(jí)的閥門，該批次應(yīng)拒收。需要注意的是，ISO 15848-2：2015提高了C等級(jí)的要求，這點(diǎn)與GB/T 26481—2011不同。

2 微泄漏閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造特點(diǎn)

在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)閥門的微泄漏密封等級(jí)提出較高的要求（如ISO 15848：2015中A級(jí)和B級(jí)），閥門制造廠應(yīng)在閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取特殊措施來(lái)提高其密封性能。以往的工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往直接明確閥門特殊類型或特殊結(jié)構(gòu)，包括：（1）GB 50316—2000（2008年版）針對(duì)A1類流體閥門，要求采用波紋管密封閥門或帶潤(rùn)滑劑密封的旋塞閥；（2）采用常見的歐氯認(rèn)證波紋管截止閥；（3）采用GARLOK EVSP 9000低泄漏填料及彈簧加載填料壓蓋的型式（見圖2）。彈簧加載填料壓蓋相當(dāng)于在螺栓連接中增加了彈性補(bǔ)償，可以保證長(zhǎng)時(shí)間的填料可靠密封。由于閥門的外泄漏主要存在于料和墊片處，所以制造廠可從填料結(jié)構(gòu)、加工精度、閥蓋結(jié)構(gòu)三方面優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造特點(diǎn)，提高閥門密封性能。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)填料壓蓋和彈簧加載填料壓蓋

典型的微泄漏填料可采用上下層為石墨填料、中間為模壓型石墨的結(jié)構(gòu)。上下層采用石墨可以防止填料在閥桿間隙漏出，而充分利用石墨優(yōu)良的塑性和自潤(rùn)滑性[8]是中間石墨環(huán)結(jié)構(gòu)的作用。采用彈簧加載填料壓蓋，例如加碟形彈簧墊圈，可以提高閥門長(zhǎng)時(shí)間工作后的自動(dòng)補(bǔ)償能力和密封性能。

閥桿、填料函及填料壓套加工精度和表面粗糙度直接影響閥桿與填料密封副的性能，粗糙度較低的閥桿和填料組合在裝配后更好密封。閥門制造廠可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求的密封等級(jí)來(lái)選擇閥桿和填料函的粗糙度。

屬于靜密封的閥蓋處，密封性能比較高。提高閥門中法蘭加工精度或采用榫槽面等閥蓋法蘭端面，都可以提高閥蓋的密封性能。

3 逸散性密封等級(jí)選用

石油化工行業(yè)的工程設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)有毒有害、易燃易爆介質(zhì)閥門的微泄漏均有要求。GB/T 20801.3—2006對(duì)GC1級(jí)管道閥門，要求阻止介質(zhì)在填料處的外泄漏；GB 50316—2000對(duì)A1類流體和ASME B31.3—2016對(duì)M類液體工況用閥門，都有類似要求。但上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閥門逸散性泄漏量并沒有給出明確限制，具體的密封等級(jí)需要設(shè)計(jì)人員考慮。隨著“市場(chǎng)監(jiān)管總局關(guān)于特種設(shè)備行政許可有關(guān)事項(xiàng)的公告〔2019年第3號(hào)〕”對(duì)壓力管道分級(jí)的調(diào)整，尤其是對(duì)GC1分級(jí)作出的調(diào)整，以劇毒介質(zhì)為代表的急性毒性指標(biāo)成為壓力管道安全設(shè)計(jì)及密封等級(jí)選用的主要考慮，這與GBZ 230—2010規(guī)定的考慮急性毒性、致癌性、腐蝕性等9項(xiàng)指標(biāo)后加權(quán)平均計(jì)算介質(zhì)危害級(jí)別有很大不同，與考慮長(zhǎng)期職業(yè)接觸的泄漏控制也不同。下面對(duì)不同種類介質(zhì)從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面給出密封等級(jí)選用建議。

3.1 密封等級(jí)定性選擇

針對(duì)有毒有害介質(zhì)，工程設(shè)計(jì)中很難定量判定介質(zhì)毒性指標(biāo)與泄漏量，從而選用合理的密封等級(jí)。按照2019年3號(hào)公告，GC1管道中急性毒性為I級(jí)，可以選用A級(jí)密封閥門；GC1管道中急性毒性為II級(jí)，可以選用B級(jí)密封閥門。GC2管道中急性毒性為II級(jí)，如業(yè)主或?qū)＠虩o(wú)特殊要求，從成本控制角度出發(fā)，工程設(shè)計(jì)中建議不作密封等級(jí)要求。某國(guó)外業(yè)主項(xiàng)目中，對(duì)純氫氰酸管道閥門，業(yè)主原設(shè)計(jì)采用歐氯標(biāo)準(zhǔn)沖刷型波紋管截止閥，但對(duì)混合物中氫氰酸濃度較低的管道閥門，只要求采用一些特殊填料以提高密封性能。考慮到建設(shè)地為長(zhǎng)三角地區(qū)，實(shí)際設(shè)計(jì)中增加了B級(jí)密封等級(jí)的要求，同時(shí)結(jié)合氫氰酸濃度范圍、GB管道分級(jí)以及ASME B31.3-2016，作出了工程規(guī)定，既滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求，又在成本可控的范圍內(nèi)增強(qiáng)了閥門密封可靠性。

3.2 密封等級(jí)定量選擇

針對(duì)可燃介質(zhì)和VOCs，工程設(shè)計(jì)中可以采用擴(kuò)散理論，定量計(jì)算氣體泄漏擴(kuò)散過(guò)程中遵循運(yùn)動(dòng)普遍適用的守恒定律，即三大守恒定律[9]，具體可以采用安全評(píng)價(jià)中常用的擴(kuò)散模型和量化分析軟件。SAFETI系列軟件由挪威船級(jí)社開發(fā)，主要應(yīng)用于石化行業(yè)量化風(fēng)險(xiǎn)分析且應(yīng)用廣泛。PHAST，LEAK和SAFETI是SAFETI下屬3個(gè)軟件，其中PHAST能模擬計(jì)算介質(zhì)泄漏擴(kuò)散過(guò)程，定量計(jì)算燃燒熱輻射、有毒云團(tuán)和爆炸沖擊波的影響程度和范圍。設(shè)計(jì)中可以根據(jù)定量計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合成本控制來(lái)合理選擇閥門密封等級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

在環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格的大背景下，不論是政策性規(guī)定和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂方，還是閥門制造企業(yè)、工廠運(yùn)維管理以及工程設(shè)計(jì)人員，所有市場(chǎng)參與方對(duì)閥門逸散性的認(rèn)知都是一個(gè)動(dòng)態(tài)完善提高的過(guò)程。本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外最新閥門逸散性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜述并提出閥門逸散密封等級(jí)的選用建議，可供各方參考，尤其是石油化工工程設(shè)計(jì)人員。在我國(guó)逸散性標(biāo)準(zhǔn)制定及制造取證與國(guó)際接軌的同時(shí)，廣大工程設(shè)計(jì)人員要積極探索，廣泛推廣應(yīng)用逸散性閥門，打造健康、安全和環(huán)保的升級(jí)版綠色石油化工產(chǎn)業(yè)。