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    石化领域阀门逸散泄漏测试方法应用研究

    时间：2023-03-24 11:50:01来源：百花范文网本文已影响人

    缪克在，陈凤儿，张 帆，李海聪

    （1.浙江省泵阀产品质量检验中心，浙江 永嘉 325105；
    2.龙湾区疾病预防控制中心，浙江 温州 325000）

    据统计，在国内外大型化工、炼化企业气体泄漏事件中，因阀门导致的逸散泄漏超过60%。气体逸散泄漏会造成大量的能源损失，不仅污染环境，甚至还会引起密封失效、安全事故与职业健康危害。阀门逸散泄漏测试（真空测试）是有效检出阀门微观泄漏的方法之一，是在规定真空条件下，利用示漏气体（如惰性气体氦气或甲烷）检测通过阀体、阀座或填料密封处的裂缝、小孔或间隙等部位的泄漏率。通过阀门逸散泄漏测试，可促进阀门低泄漏产品的开发，通过检维修实现产品的低泄漏，有效降低泄漏率。

    目前，国内外文献多集中于介绍阀门逸散泄漏测试方法、应用及相关要求［1-5］，相关标准包括GB/T 26481—2011 《阀门的逸散性试验》［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。而对于影响阀门逸散泄漏测试结果准确性的泄漏形式、阀门泄漏测试方式、逸散泄漏测试中示漏气体的泄漏率转换等方面的研究报道较少。逸散泄漏测试过程中常用的示漏气体甲烷具有易燃、易爆属性，使测试过程存在极高的危险性。文中对逸散泄漏形式、阀门逸散泄漏测试方法、示漏气体泄漏率转换进行了分析研究，使采用惰性气体替代甲烷作为示漏气体进行逸散泄漏测试成为可能，可极大降低测试危险性，解决国际标准间的技术差异问题（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 系列标准规定的示漏气体为甲烷，而ISO 15848-1—2015、GB/T 26481—2011等标准中规定常用示漏气体为氦气），促进我国阀门产品出口贸易。

    影响阀门逸散泄漏测试结果准确性的泄漏形式主要分为 3种［15］：①实漏，即气体通过较大或宏观可见的裂纹或空隙的泄漏。②虚漏，即由于挥发性物质（如气体）的放出而进入真空系统或封闭容器内的泄漏。③渗漏，即气体从密度大的一侧通过固体结构材料（如橡胶）上的微孔向密度小的一侧渗透、扩散、通过引起的泄漏。阀门逸散泄漏测试主要研究实漏产生的影响，应避免虚漏、减少渗漏对检测结果的影响。

    针对上述3种泄漏形式，阀门逸散泄漏测试中应重点考虑以下几个方面：①优化阀门设计和零部件材料选择，尽量减少虚漏的发生。②在阀门内部充气到检漏过程中，阀门泄漏率是不断变化的，检漏时间的选择对于测试结果的影响很大。检漏时间取决于示漏气体对阀门密封材料的渗漏率和阀门的结构形式，应尽可能在渗漏对测试结果产生影响前对实际泄漏率进行测试，一般从阀门充气到检漏时间不宜大于30 s，超过30 s可能会导致某些阀门的泄漏无法检出。

    2.1 阀座逸散泄漏测试

    阀座逸散泄漏测试系统的真空度一般要求小于等于1 kPa，也可按用户的要求设置。示漏气体一般选择氦气或甲烷，当示漏气体质量分数低于100%时，应进行修正。示漏气体压力为100 kPa或被测阀的设计最大允许工作压力，压力允许偏差为±5%。检漏时间一般小于30 s。

    阀座逸散泄漏测试原理及装置组成见图1。测试时将部分开启的被测阀固定安装且两端用盲板封闭，一端连接检漏仪，另一端连接示漏气体。若阀门口径大于DN200 mm，宜增加真空泵。用检漏仪或真空泵将被测阀抽真空后关闭被测阀，在连接示漏气体的一端通入示漏气体，在规定时间内，通过检漏仪测出阀座泄漏率。也可采用喷吹法［3］进行阀座逸散泄漏测试，该测试较易实施，但定量性差，一般用于定性或比对测试。

    图1 阀座逸散泄漏测试原理及装置组成

    2.2 阀体逸散泄漏测试

    阀体（含阀杆填料部位）逸散泄漏测试系统的真空度一般要求小于等于1 kPa，也可按用户的要求设置。示漏气体一般选择氦气或甲烷，当示漏气体质量分数低于100%时，应进行修正。示漏气体压力为100 kPa，压力允许偏差为±5%。检漏时间一般小于30 s。

    阀体逸散泄漏测试原理及装置组成见图2。测试时将部分开启的被测阀置于1个封闭容器内固定安装，两端用盲板封闭，一端盲板上需开通孔并连接检漏仪，密闭容器与示漏气体、真空泵相连接。真空泵用于将容器抽真空，可有效保证测试时示漏气体的纯度。用检漏仪或真空泵将被测阀抽真空后，向容器内通入示漏气体，在规定时间内通过检漏仪测出阀体整体（含阀杆密封部位）的动态泄漏率，动态指测试时阀门处于启闭动作状态。

    图2 阀体逸散泄漏测试原理及装置组成

    若需对体盖连接、阀杆密封等零部件的裂缝、小孔或漏孔等泄漏部位进行定位分析，可采用真空罩法［3］对阀体局部进行定位测试，或采用喷吹法进行测试。部分阀门可能因结构、尺寸等原因无法整体置于密闭容器内，或置于密闭容器内无法启闭操作阀门，此时可采用喷吹法或局部真空罩法对阀体外表面进行测试。

    用于阀门逸散泄漏测试的常见示漏气体为氦气和甲烷，其纯度一般要求大于97%。当采用质量分数泄漏率进行标定时，对于氦气与甲烷之间的泄漏率相关性，主要考虑气体分子量、气体黏度、气体压差、测试系统中绝对压力、泄漏路径的截面尺寸与长度以及气体温度这6个因素。在阀门逸散泄漏检测过程中，可认为上述后4种因素为常量，因此根据气体分子量和气体黏度这2个影响因素，可将真空条件下的泄漏形式划分为分子泄漏、过渡性泄漏和黏性泄漏。

    分子泄漏是指2种气体的平均自由程大于泄漏通道的横截面尺寸，多发生于试验气体流量极小的真空系统中。当发生分子泄漏时，氦气与甲烷的泄漏率换算公式如下：

    式中，LM为甲烷等效泄漏率，LH为氦气测量泄漏率，mL/m3；
    MM为甲烷分子量；
    MH为氦气分子量。

    过渡性泄漏是指2种气体的平均自由程约等于泄漏通道的横截面尺寸，多发生于分子泄漏与黏性泄漏（层流）的中间段，且分子泄漏与过渡性泄漏的过渡是呈梯度变化的。当发生过渡性泄漏时，氦气与甲烷的泄漏率换算公式如下：

    式中，TM为甲烷绝对温度，TH为氦气绝对温度，K。

    黏性泄漏是指2种气体的平均自由程小于泄漏通道的横截面尺寸，多发生于高压系统和采用嗅探法（或吸枪法）测量泄漏时，且随着流动气体介质黏度的增加，泄漏会从层流向紊流转变。层流时气体流动呈直线路径，紊流时气体流动呈杂乱不稳定状态。当发生黏性泄漏时，氦气与甲烷的泄漏率换算公式如下：

    式中，υM为甲烷的运动黏度，υH为氦气的运动黏度，m2/s。

    综上分析，采用真空法进行阀门逸散泄漏测试时，阀门泄漏与分子泄漏最为相近，主要应考虑分子泄漏，示漏气体间泄漏率的转换可按式（1）进行；
    采用吸枪法进行阀门逸散泄漏测试时，可认为阀门泄漏是黏性泄漏，示漏气体间泄漏率的转换可按式（3）进行。因此，在设计阀门逸散泄漏测试试验时，可考虑采用较为安全的氦气替代甲烷作为示漏气体，测出结果后，再通过泄漏率转换关系式，计算出相同条件下的甲烷作为示漏气体时的泄漏率。在准确性满足要求的前提下，此方法可减少试验数量、节约成本，同时大幅提高试验安全性，避免测试过程中燃爆事故的发生。

    阀门逸散泄漏测试可同时评定阀座（内漏）和阀体（外漏）的逸散泄漏性能。随着石化领域阀门逸散泄漏与密封结构研究的深入，以及逸散泄漏测试的广泛应用，国内外大型化工、炼化企业的气体泄漏得到了有效控制。随着用户对阀门泄漏等级要求的日益严格，阀门（含阀座和阀体）的逸散泄漏性能要求已被列入产品采购时的关键技术指标。阀门逸散泄漏测试方法与装置的提出，为提高阀门逸散泄漏检测结果准确性、降低逸散泄漏率、改善产品质量提供了可靠性依据。提出的示漏气体间的泄漏率转换原理及公式，为合理选择示漏气体、提高测试安全提供了解决方案。

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