石化領(lǐng)域閥門逸散泄漏測試方法應(yīng)用研究

繆克在，陳鳳兒，張 帆，李海聰

（1.浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，浙江 永嘉 325105；2.龍灣區(qū)疾病預(yù)防控制中心，浙江 溫州 325000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國內(nèi)外大型化工、煉化企業(yè)氣體泄漏事件中，因閥門導(dǎo)致的逸散泄漏超過60%。氣體逸散泄漏會(huì)造成大量的能源損失，不僅污染環(huán)境，甚至還會(huì)引起密封失效、安全事故與職業(yè)健康危害。閥門逸散泄漏測試（真空測試）是有效檢出閥門微觀泄漏的方法之一，是在規(guī)定真空條件下，利用示漏氣體（如惰性氣體氦氣或甲烷）檢測通過閥體、閥座或填料密封處的裂縫、小孔或間隙等部位的泄漏率。通過閥門逸散泄漏測試，可促進(jìn)閥門低泄漏產(chǎn)品的開發(fā)，通過檢維修實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低泄漏，有效降低泄漏率。

目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)多集中于介紹閥門逸散泄漏測試方法、應(yīng)用及相關(guān)要求［1-5］，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 26481—2011 《閥門的逸散性試驗(yàn)》［6］、ISO 15848-1—2015 “Industrial Valves—Measurement，Test and Qualification Procedures for Fugitive Emissions—Part 1：Classification System and Qualification Procedures for Type Testing of Valves”［7］、ISO 15848-2—2015 “Industrial Valves—Measurement Test and Qualification Procedures for Fugitive Emissions—Part 2：Production Acceptance Test of Valves”［8］、ASME BPVC.V—2019“Boiler and Pressure Vessel Code”［9］、BS EN 1779—1999 “Non-destructive Testing—Leak Testing—Criteria for Method and Technique Selection”［10］、VDI 2440—2021 “E-mission Control Mineral Oil Refineries”［11］等。而對(duì)于影響閥門逸散泄漏測試結(jié)果準(zhǔn)確性的泄漏形式、閥門泄漏測試方式、逸散泄漏測試中示漏氣體的泄漏率轉(zhuǎn)換等方面的研究報(bào)道較少。逸散泄漏測試過程中常用的示漏氣體甲烷具有易燃、易爆屬性，使測試過程存在極高的危險(xiǎn)性。文中對(duì)逸散泄漏形式、閥門逸散泄漏測試方法、示漏氣體泄漏率轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析研究，使采用惰性氣體替代甲烷作為示漏氣體進(jìn)行逸散泄漏測試成為可能，可極大降低測試危險(xiǎn)性，解決國際標(biāo)準(zhǔn)間的技術(shù)差異問題（如API 622—2018“Type Testing of Process Valve Packing for Fugitive Emission”［12］、API 624—2014“Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions”［13］、API 641—2016 “Type Testing of Quarter-turn Valves for Fugitive Emission”［14］等 API 系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的示漏氣體為甲烷，而ISO 15848-1—2015、GB/T 26481—2011等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定常用示漏氣體為氦氣），促進(jìn)我國閥門產(chǎn)品出口貿(mào)易。

1 影響閥門逸散泄漏測試結(jié)果準(zhǔn)確性的泄漏形式

影響閥門逸散泄漏測試結(jié)果準(zhǔn)確性的泄漏形式主要分為 3種［15］：①實(shí)漏，即氣體通過較大或宏觀可見的裂紋或空隙的泄漏。②虛漏，即由于揮發(fā)性物質(zhì)（如氣體）的放出而進(jìn)入真空系統(tǒng)或封閉容器內(nèi)的泄漏。③滲漏，即氣體從密度大的一側(cè)通過固體結(jié)構(gòu)材料（如橡膠）上的微孔向密度小的一側(cè)滲透、擴(kuò)散、通過引起的泄漏。閥門逸散泄漏測試主要研究實(shí)漏產(chǎn)生的影響，應(yīng)避免虛漏、減少滲漏對(duì)檢測結(jié)果的影響。

針對(duì)上述3種泄漏形式，閥門逸散泄漏測試中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：①優(yōu)化閥門設(shè)計(jì)和零部件材料選擇，盡量減少虛漏的發(fā)生。②在閥門內(nèi)部充氣到檢漏過程中，閥門泄漏率是不斷變化的，檢漏時(shí)間的選擇對(duì)于測試結(jié)果的影響很大。檢漏時(shí)間取決于示漏氣體對(duì)閥門密封材料的滲漏率和閥門的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)盡可能在滲漏對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生影響前對(duì)實(shí)際泄漏率進(jìn)行測試，一般從閥門充氣到檢漏時(shí)間不宜大于30 s，超過30 s可能會(huì)導(dǎo)致某些閥門的泄漏無法檢出。

2 閥門逸散泄漏測試方法

2.1 閥座逸散泄漏測試

閥座逸散泄漏測試系統(tǒng)的真空度一般要求小于等于1 kPa，也可按用戶的要求設(shè)置。示漏氣體一般選擇氦氣或甲烷，當(dāng)示漏氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于100%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正。示漏氣體壓力為100 kPa或被測閥的設(shè)計(jì)最大允許工作壓力，壓力允許偏差為±5%。檢漏時(shí)間一般小于30 s。

閥座逸散泄漏測試原理及裝置組成見圖1。測試時(shí)將部分開啟的被測閥固定安裝且兩端用盲板封閉，一端連接檢漏儀，另一端連接示漏氣體。若閥門口徑大于DN200 mm，宜增加真空泵。用檢漏儀或真空泵將被測閥抽真空后關(guān)閉被測閥，在連接示漏氣體的一端通入示漏氣體，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，通過檢漏儀測出閥座泄漏率。也可采用噴吹法［3］進(jìn)行閥座逸散泄漏測試，該測試較易實(shí)施，但定量性差，一般用于定性或比對(duì)測試。

圖1 閥座逸散泄漏測試原理及裝置組成

2.2 閥體逸散泄漏測試

閥體（含閥桿填料部位）逸散泄漏測試系統(tǒng)的真空度一般要求小于等于1 kPa，也可按用戶的要求設(shè)置。示漏氣體一般選擇氦氣或甲烷，當(dāng)示漏氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于100%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正。示漏氣體壓力為100 kPa，壓力允許偏差為±5%。檢漏時(shí)間一般小于30 s。

閥體逸散泄漏測試原理及裝置組成見圖2。測試時(shí)將部分開啟的被測閥置于1個(gè)封閉容器內(nèi)固定安裝，兩端用盲板封閉，一端盲板上需開通孔并連接檢漏儀，密閉容器與示漏氣體、真空泵相連接。真空泵用于將容器抽真空，可有效保證測試時(shí)示漏氣體的純度。用檢漏儀或真空泵將被測閥抽真空后，向容器內(nèi)通入示漏氣體，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過檢漏儀測出閥體整體（含閥桿密封部位）的動(dòng)態(tài)泄漏率，動(dòng)態(tài)指測試時(shí)閥門處于啟閉動(dòng)作狀態(tài)。

圖2 閥體逸散泄漏測試原理及裝置組成

若需對(duì)體蓋連接、閥桿密封等零部件的裂縫、小孔或漏孔等泄漏部位進(jìn)行定位分析，可采用真空罩法［3］對(duì)閥體局部進(jìn)行定位測試，或采用噴吹法進(jìn)行測試。部分閥門可能因結(jié)構(gòu)、尺寸等原因無法整體置于密閉容器內(nèi)，或置于密閉容器內(nèi)無法啟閉操作閥門，此時(shí)可采用噴吹法或局部真空罩法對(duì)閥體外表面進(jìn)行測試。

3 示漏氣體泄漏率轉(zhuǎn)換

用于閥門逸散泄漏測試的常見示漏氣體為氦氣和甲烷，其純度一般要求大于97%。當(dāng)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)泄漏率進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，對(duì)于氦氣與甲烷之間的泄漏率相關(guān)性，主要考慮氣體分子量、氣體黏度、氣體壓差、測試系統(tǒng)中絕對(duì)壓力、泄漏路徑的截面尺寸與長度以及氣體溫度這6個(gè)因素。在閥門逸散泄漏檢測過程中，可認(rèn)為上述后4種因素為常量，因此根據(jù)氣體分子量和氣體黏度這2個(gè)影響因素，可將真空條件下的泄漏形式劃分為分子泄漏、過渡性泄漏和黏性泄漏。

分子泄漏是指2種氣體的平均自由程大于泄漏通道的橫截面尺寸，多發(fā)生于試驗(yàn)氣體流量極小的真空系統(tǒng)中。當(dāng)發(fā)生分子泄漏時(shí)，氦氣與甲烷的泄漏率換算公式如下：

式中，LM為甲烷等效泄漏率，LH為氦氣測量泄漏率，mL/m3；MM為甲烷分子量；MH為氦氣分子量。

過渡性泄漏是指2種氣體的平均自由程約等于泄漏通道的橫截面尺寸，多發(fā)生于分子泄漏與黏性泄漏（層流）的中間段，且分子泄漏與過渡性泄漏的過渡是呈梯度變化的。當(dāng)發(fā)生過渡性泄漏時(shí)，氦氣與甲烷的泄漏率換算公式如下：

式中，TM為甲烷絕對(duì)溫度，TH為氦氣絕對(duì)溫度，K。

黏性泄漏是指2種氣體的平均自由程小于泄漏通道的橫截面尺寸，多發(fā)生于高壓系統(tǒng)和采用嗅探法（或吸槍法）測量泄漏時(shí)，且隨著流動(dòng)氣體介質(zhì)黏度的增加，泄漏會(huì)從層流向紊流轉(zhuǎn)變。層流時(shí)氣體流動(dòng)呈直線路徑，紊流時(shí)氣體流動(dòng)呈雜亂不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生黏性泄漏時(shí)，氦氣與甲烷的泄漏率換算公式如下：

式中，υM為甲烷的運(yùn)動(dòng)黏度，υH為氦氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

綜上分析，采用真空法進(jìn)行閥門逸散泄漏測試時(shí)，閥門泄漏與分子泄漏最為相近，主要應(yīng)考慮分子泄漏，示漏氣體間泄漏率的轉(zhuǎn)換可按式（1）進(jìn)行；采用吸槍法進(jìn)行閥門逸散泄漏測試時(shí)，可認(rèn)為閥門泄漏是黏性泄漏，示漏氣體間泄漏率的轉(zhuǎn)換可按式（3）進(jìn)行。因此，在設(shè)計(jì)閥門逸散泄漏測試試驗(yàn)時(shí)，可考慮采用較為安全的氦氣替代甲烷作為示漏氣體，測出結(jié)果后，再通過泄漏率轉(zhuǎn)換關(guān)系式，計(jì)算出相同條件下的甲烷作為示漏氣體時(shí)的泄漏率。在準(zhǔn)確性滿足要求的前提下，此方法可減少試驗(yàn)數(shù)量、節(jié)約成本，同時(shí)大幅提高試驗(yàn)安全性，避免測試過程中燃爆事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

閥門逸散泄漏測試可同時(shí)評(píng)定閥座（內(nèi)漏）和閥體（外漏）的逸散泄漏性能。隨著石化領(lǐng)域閥門逸散泄漏與密封結(jié)構(gòu)研究的深入，以及逸散泄漏測試的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外大型化工、煉化企業(yè)的氣體泄漏得到了有效控制。隨著用戶對(duì)閥門泄漏等級(jí)要求的日益嚴(yán)格，閥門（含閥座和閥體）的逸散泄漏性能要求已被列入產(chǎn)品采購時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。閥門逸散泄漏測試方法與裝置的提出，為提高閥門逸散泄漏檢測結(jié)果準(zhǔn)確性、降低逸散泄漏率、改善產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠性依據(jù)。提出的示漏氣體間的泄漏率轉(zhuǎn)換原理及公式，為合理選擇示漏氣體、提高測試安全提供了解決方案。