工程設(shè)計(jì)中低逸散閥門的標(biāo)準(zhǔn)

王勐（中國天辰工程有限公司管道工程部，天津300000）

工程設(shè)計(jì)中低逸散閥門的標(biāo)準(zhǔn)

王勐（中國天辰工程有限公司管道工程部，天津300000）

隨著工業(yè)高度發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，對(duì)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的要求也越來越高，低逸散閥門的應(yīng)用在降低裝置中有毒、可燃、揮發(fā)性有機(jī)物介質(zhì)的排放中起到重要的作用。隨著國內(nèi)外工程公司對(duì)低逸散閥門的認(rèn)識(shí)水平不斷提高，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。因此，對(duì)工程設(shè)計(jì)中低逸散閥門標(biāo)準(zhǔn)的了解頗為重要。本文以此出發(fā)，對(duì)國內(nèi)外工程設(shè)計(jì)中的低逸散閥門的標(biāo)準(zhǔn)做了簡(jiǎn)要收集和對(duì)比。

閥門;低逸散;低逸散閥門

什么是逸散（fugitive emission）？大多數(shù)的逸散來源于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，由于壓力容器閥門等密封處的泄漏或者是無意識(shí)、不規(guī)律的氣體和蒸汽的釋放。EPA（United States Environmental Protection Agency）定義的逸散是指裝置或者生產(chǎn)活動(dòng)等無意識(shí)的排放到空氣中，不能通過煙筒、放空管或者其他類似的放空形式排放。

自從上世紀(jì)90年代以來，對(duì)于逸散性的泄露（法蘭處、閥門閥桿填料處的泄露）監(jiān)管的法規(guī)越來越嚴(yán)格，對(duì)于石油和化工行業(yè)一直在尋找具有重要意義的標(biāo)準(zhǔn)，按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行能讓閥門的逸散性介質(zhì)泄漏符合法規(guī)的監(jiān)管要求。其中重點(diǎn)關(guān)注的還是閥門閥桿填料處的泄漏。

在石化和化工領(lǐng)域，各種各樣的大量的閥門應(yīng)用到工藝和公用工程管線上。有閥門就會(huì)有靜密封（閥門壓蓋法蘭）和動(dòng)密封（閥桿填料密封處），就存在著向環(huán)境中泄漏介質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于逸散性的泄漏可以說隨時(shí)在發(fā)生著。隨著我國環(huán)保保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，像霧霾頻發(fā)等社會(huì)事件也令人們的安全環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)石化、化工裝置中允許的泄漏等級(jí)要求也是越來越高。

1 國際上法律和標(biāo)準(zhǔn)要求

工業(yè)高度發(fā)達(dá)的國家，出于對(duì)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的需求（另外還有科技進(jìn)步對(duì)逸散的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)如果有大幅提高，監(jiān)管要求很可能也會(huì)提高），對(duì)于上述的逸散的要求越來越高。如美國早在70年代就制定了相關(guān)的法律限制很多化學(xué)品的逸散。90年代又進(jìn)行修訂，其中主要目標(biāo)是減少多種（184）化學(xué)品的90%的逸散。

美國環(huán)保署使用其規(guī)定的21號(hào)方法（定義了檢測(cè)的基本要求和具體的檢測(cè)設(shè)備的要求）來對(duì)閥門的逸散進(jìn)行檢測(cè)。自1963年以來，EPA和API規(guī)定的測(cè)試要求已經(jīng)成為工業(yè)上對(duì)于閥門逸散要求的共識(shí)性標(biāo)準(zhǔn)。此外,德國的凈化空氣法規(guī)“TALuft”和歐盟的污染物防止和控制指南(IPPC)都規(guī)定了危險(xiǎn)和有毒污染物向大氣逸散的要求。在國際上進(jìn)行工程設(shè)計(jì)也需要了解當(dāng)?shù)氐姆珊头ㄒ?guī)，以免不滿足當(dāng)?shù)氐姆梢?，需要替換大量合格的閥門，會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)上或者是安全上的具大風(fēng)險(xiǎn)。

2 目前國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的情況

我國《環(huán)境保護(hù)法》和《大氣污染防治法》也提出很多防治環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量的要求。很多涉及到逸散的控制要求的標(biāo)準(zhǔn)也在制定中。例如：《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》目前是征求意見稿，不久的將來也會(huì)頒布實(shí)施。其中5.2條提出了對(duì)動(dòng)靜密封點(diǎn)進(jìn)行泄漏檢測(cè)與控制，閥門就屬于被監(jiān)測(cè)的范圍。當(dāng)泄漏檢測(cè)值大于等于2000 μmol/mol。則認(rèn)定發(fā)生了泄漏。

GB20801最新的征求意見稿中的描述，對(duì)于GC1級(jí)的閥門的選用應(yīng)采用低逸散結(jié)構(gòu)，控制閥桿填料處的泄漏。我們國家也根據(jù)ISO-15848的標(biāo)準(zhǔn)制定了我國《閥門逸散性試驗(yàn)分類和堅(jiān)定程序》。

3 ISO與API標(biāo)準(zhǔn)比較

國際上多個(gè)公司經(jīng)過評(píng)估當(dāng)前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并且根據(jù)具體的應(yīng)用需求精心制定了測(cè)試工具。然而，隨著工業(yè)的進(jìn)步，終端用戶和閥門制造商應(yīng)該仔細(xì)考慮使用適合他們的標(biāo)準(zhǔn)。下面我們來看看這些標(biāo)準(zhǔn)究竟說些什么。

3.1 ISO標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）編制了ISO-15848-1和ISO-15848-2。這兩部分的標(biāo)準(zhǔn)使用的信息來源于廣泛的工業(yè)閥門的應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)包含了對(duì)于手動(dòng)閥門和控制閥門的測(cè)試。該標(biāo)準(zhǔn)的描述是：工業(yè)閥門-逸散性介質(zhì)泄漏的測(cè)量、試驗(yàn)和堅(jiān)定程序

第一部分閥門的分類體系和型式試驗(yàn)鑒定程序

第二部分閥門產(chǎn)品的驗(yàn)收試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)的第一部分

用于完全組裝好的閥門，取決于所使用的附件以及閥門的類型和種類，使用真空法、包裹法、吸氣法（EPA方法21）進(jìn)行測(cè)試。圖1-圖3大概表示了幾種方法。

圖1 真空法圖片來源于GB征求意見稿

圖2 包裹法圖片來源于GB征求意見稿

圖3 吸氣法圖片來源于GB征求意見稿

標(biāo)準(zhǔn)使用氦氣或者甲烷作為測(cè)試介質(zhì)并且在每次的循環(huán)測(cè)試（每個(gè)評(píng)估階段）時(shí)只允許進(jìn)行一次閥桿密封力的機(jī)械調(diào)整。

閥門型式試驗(yàn)時(shí)可以選擇垂直或者水平進(jìn)行測(cè)試，循環(huán)等級(jí)取決于閥門的類型是隔離閥還是控制閥。閥桿填料處的泄漏等級(jí)分為A，B，C，無論測(cè)試介質(zhì)是氦氣還是甲烷，A等級(jí)都是最低的泄漏水平。

可接受的泄漏量是由制造商或買方預(yù)先確定的，而氦和甲烷的泄漏之間的差異是不相關(guān)的。用于隔離閥的機(jī)械循環(huán)的數(shù)量被分為CO1-500、CO2-1500和CO3-2500?？刂崎y的機(jī)械循環(huán)數(shù)量是CC1-20,000，CC2-60000和CC3-100,000。溫度等級(jí)在零下196攝氏度到400攝氏度之間，通過測(cè)試組合來確定服務(wù)的最終范圍。

標(biāo)準(zhǔn)的第二部分

閥門的產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)定義了一種測(cè)試評(píng)估閥門逸散性泄漏的方法，測(cè)試的對(duì)象是通過了ISO-15848-1型式試驗(yàn)的閥門。抽樣比例應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)商和買方之間的協(xié)議，最少每批抽樣1臺(tái)，從每批生產(chǎn)的每一閥門類型、壓力等級(jí)和口徑的閥門中隨機(jī)選擇。唯一允許的試驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)為純度（體積比）最低97%的氦氣。除非生產(chǎn)商和買方另有約定，試驗(yàn)壓力應(yīng)為6bar。

產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，閥門半開，加壓，按照ISO 15848-1的吸氣法測(cè)量閥桿密封件泄漏。然后全開全閉加壓后的閥門五次。經(jīng)上述操作機(jī)械循環(huán)后，半開閥門，測(cè)量閥桿密封泄漏。

目前最新版本的（第二版2015）已經(jīng)發(fā)布，最重要的修改在為：

閥桿密封泄漏等級(jí)A 50ppmv B 100ppmv C 200ppmv，最后一個(gè)等級(jí)原來的值是1000ppmv

在測(cè)試的過程中超過規(guī)定的泄漏量就認(rèn)為是不合格的產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)建議了一項(xiàng)修正措施且需要和買家達(dá)成一致，否則的話這批閥門拒收。

3.2 API標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 API 622

為了滿足石油和化工行業(yè)的需要，API開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)API 622。第一個(gè)版本的API 622被設(shè)計(jì)用于測(cè)試閥門閥桿填料處的泄漏，但該標(biāo)準(zhǔn)也允許閥門廠家或填料制造商測(cè)試一個(gè)組裝好的閥門。

該測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)在2011年進(jìn)行了修訂，第二版于2011年11月出版。新版本取消了使用標(biāo)準(zhǔn)閥門進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，現(xiàn)在要求測(cè)試設(shè)備使用一種測(cè)試儀器或裝備來模擬4英寸的CLASS300壓力級(jí)別閥門的提升閥桿結(jié)構(gòu)或提升-旋轉(zhuǎn)閥桿結(jié)構(gòu)。見圖4

該測(cè)試要求5個(gè)熱循環(huán)，溫度從環(huán)境溫度到260攝氏度(500華氏度)，一共進(jìn)行1,510次機(jī)械循環(huán)，使用甲烷作為測(cè)試氣體。每個(gè)熱循環(huán)溫度都是從環(huán)境溫度上升到260度再回到環(huán)境溫度，期間進(jìn)行300次機(jī)械循環(huán)。最后的10個(gè)循環(huán)，進(jìn)行的泄漏測(cè)量才是結(jié)果測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的另一個(gè)重要組成部分是對(duì)柔性石墨填料材料的氧化測(cè)試。

氧化試驗(yàn)測(cè)試按照FSA-G-604-07的方法B進(jìn)行，規(guī)定24小時(shí)的測(cè)試時(shí)間內(nèi)最高15%的氧化（材料丟重超過15%認(rèn)為是不合格）。第二版的其他部分規(guī)定了一些環(huán)境溫度下和高溫下的腐蝕，并進(jìn)行對(duì)填料材料化學(xué)成分和屬性的評(píng)估。泄漏的限制是500ppm，只允許一次調(diào)整填料壓力。

3.2.2 API 624

隨著API622取消了測(cè)試組裝好的閥門，API決定編制一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定提升閥桿和提升-轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿的閥門。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是API624，標(biāo)準(zhǔn)的名稱為柔性石墨填料提升閥桿閥門的逸散性型式試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)將使用EPA（美國環(huán)境保護(hù)署）21號(hào)方法作為對(duì)泄漏氣體的評(píng)估的基礎(chǔ)，其泄漏限制為100ppm甲烷。API624測(cè)試的組裝好的閥門，該閥門所裝配的填料結(jié)構(gòu)必須按照API622進(jìn)行過測(cè)試，并且適用于溫度-29度到538度。

按照API624的要求測(cè)試閥門應(yīng)該完全組裝然后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用的閥門應(yīng)該從制造商或經(jīng)銷商的真實(shí)存在的庫存中隨機(jī)選擇。對(duì)于閥門不屬于庫存的閥門，制造商應(yīng)保證測(cè)試閥門不以任何方式針對(duì)測(cè)試進(jìn)行修改，并且是制造商的庫存產(chǎn)品的典型代表。另外測(cè)試閥門選擇應(yīng)得到買方的批準(zhǔn)。

根據(jù)已公布的制造商的安裝規(guī)范，對(duì)閥蓋和壓蓋螺栓扭矩進(jìn)行驗(yàn)證。在進(jìn)行型式試驗(yàn)之前，允許操作試驗(yàn)閥門(在環(huán)境溫度和壓力下)，以確保填料在填料盒中正確安裝和加固。閥門總共有310個(gè)機(jī)械循環(huán)和3個(gè)熱循環(huán)，機(jī)械循環(huán)從閥門的環(huán)境溫度開始。

圖4 API622所采用的測(cè)試設(shè)備

與ISO 15848-1一樣，閥門測(cè)試完成后需要對(duì)閥門進(jìn)行拆解。必須對(duì)密封材料進(jìn)行拍照，并對(duì)閥門部件進(jìn)行評(píng)估。填料的制造商的任何改變，包括填料的類型或型號(hào)，或閥門設(shè)計(jì)的改變影響了閥門的密封性能，有上述情況的閥門都需要重新進(jìn)行測(cè)試。

3.2.3 API 641

與API624類似，API641是測(cè)試組裝好的閥門，該標(biāo)準(zhǔn)定義1/4旋轉(zhuǎn)閥桿閥門的測(cè)試需求和接受標(biāo)準(zhǔn)。

大于NPS 24或者超過B16.34規(guī)定的1500LB的閥門不在此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試范圍內(nèi)。閥門在常溫下壓力等級(jí)低于100psi的也不在測(cè)試范圍內(nèi)。

本章小結(jié)

API標(biāo)準(zhǔn)采用的測(cè)試氣體是甲烷、存在爆炸的危險(xiǎn)性，所以對(duì)于試驗(yàn)室的要求可能要高一些，另外由于采用甲烷測(cè)試的問題也可能受到限制。

對(duì)比這些標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果不是說哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更好，而是讓工程設(shè)計(jì)人員了解執(zhí)行哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更適合。另外成功的試驗(yàn)結(jié)果也并能保證閥門將來不會(huì)泄漏。因?yàn)闇y(cè)試結(jié)果畢竟和真實(shí)工廠的實(shí)際操作有很大的不同，現(xiàn)實(shí)的工程中可能會(huì)存在熱應(yīng)力問題、管道的應(yīng)力對(duì)閥門帶來的影響、流體的腐蝕沖刷對(duì)閥桿填料的影響、震動(dòng)的影響、機(jī)械磨損、時(shí)間和操作環(huán)境變化等等。

4 結(jié)語

本文主要對(duì)比了ISO標(biāo)準(zhǔn)和API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低逸散閥門的要求。文中沒有討論殼牌石油公司《SHELL MESC SPE 77／312工業(yè)閥門：低泄漏測(cè)量、分級(jí)系統(tǒng)、資格認(rèn)定程序及開關(guān)閥和控制閥的型式認(rèn)可和產(chǎn)品試驗(yàn)》這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。我國的閥門公司給其他國家也供貨了很多按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)和試驗(yàn)的閥門，相當(dāng)多閥門的廠家對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也是想當(dāng)熟悉和推崇的。

目前國內(nèi)工程公司對(duì)于低逸散閥門的認(rèn)識(shí)也在不斷提高，其應(yīng)用的范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大。低逸散閥門的應(yīng)用將大大降低裝置中有毒、可燃、揮發(fā)性有機(jī)物介質(zhì)的排放，避免安全事故的發(fā)生和環(huán)境的破壞。據(jù)美國的數(shù)據(jù)表明如果進(jìn)行環(huán)?？刂?，采用低逸散閥門（還有其他逸散排放源例如：泵、設(shè)備等）可以減少70%左右排放。

對(duì)于工程公司來講，熟悉這樣的標(biāo)準(zhǔn)，了解各國法律對(duì)于低逸散閥門的要求，有利于降低項(xiàng)目執(zhí)行中對(duì)于環(huán)境保護(hù)方面的風(fēng)險(xiǎn)。另外了解ISO和API的標(biāo)準(zhǔn)也有利于選擇適合項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行執(zhí)行。

另外我們國家對(duì)于環(huán)保的要求也是越來越高，我們工程設(shè)計(jì)人員也要有環(huán)保意識(shí)，應(yīng)主動(dòng)在工程設(shè)計(jì)中采用低逸散閥門，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，這也是必然的趨勢(shì)。

[1]ISO 15848-1 and ISO 15848-2 Industrial valves—Measurement,test and qualification procedures for fugitive emissions—Part 1:Classification system and qualification procedures for type testing of valves Part 2:Production acceptance test of valves.

[2]API STD 622.Type Testing of Process Valve Packing for Fugitive Emissions,Second Edition

[3]API Std 624 Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions,First Edition.

[4]API Std 641 Type Testing of Quarter-turn Valves for Fugitive Emissions,First Edition.