逸散性泄漏閥門標準分析和密封技術(shù)探討

劉 蘭，尚洪寶

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707)

0 引言

10年前，國內(nèi)還沒有針對逸散性排放的定義與驗證標準。如今，越來越多的石化行業(yè)要求閥門生產(chǎn)企業(yè)對閥門逸散性排放物的完整性進行驗證，并取得相關(guān)認證證書。ISO 15848-1[1]和TA-LUFT[2]兩個標準是現(xiàn)階段普遍用于評定閥門產(chǎn)生逸散性排放(微泄漏)的認定檢測標準。通常來說，為更好地適應市場需要，企業(yè)會同時申請TA-LUFT和ISO 15848-1認證。

本文歸納、總結(jié)了符合國際認證要求的兩項閥門微泄漏標準的測量要求和方法，對兩項標準的最新要求、注意要點進行梳理并作對比分析，旨在幫助更多的企業(yè)認識和理解這兩項標準的驗證方法及其主要內(nèi)容。通過對國內(nèi)外適用于低逸散性排放的先進動密封技術(shù)的介紹，為需要進行逸散性泄漏認證的企業(yè)或從事閥門動密封研究的企業(yè)提供借鑒。

1 ISO 15848-1-2015標準

工業(yè)閥門逸散性泄漏/微泄漏測量標準ISO 15848-1，自2006年生效至今，分別在2015年和2017年進行了2次重要修訂。最新一次修訂是2017年7月發(fā)布的、對2015版的首次修訂(稱為修訂1)。修訂1較之前的2015版標準最顯著的差異是將室溫溫度范圍調(diào)整為5～40 ℃，代替了之前標準中的室溫溫度范圍-29～+40 ℃。由此，試驗評定溫度等級由5個調(diào)整為6個，分別介紹如下。

①在-196 ℃以下的試驗，可以認定的閥門溫度范圍為-196 ℃～室溫(room temperature,RT)；

②在-46 ℃以下的試驗，可以認定的閥門溫度范圍為-46 ℃～RT；

③在-29 ℃以下的試驗，可以認定的閥門溫度范圍為-29 ℃～RT；

④在RT以下的試驗，可以認定的閥門溫度范圍為5～40 ℃；

⑤在200 ℃以下的試驗，可以認定的閥門溫度范圍為RT～200 ℃；

⑥在400 ℃以下的試驗，可以認定的閥門溫度范圍為RT～400 ℃。

3種閥桿密閉等級(氦氣)如表1所示。如果試驗溫度不在表1所示的溫度范圍內(nèi)，則需遵循試驗原則：高于40 ℃的試驗溫度，按低一等級溫度執(zhí)行；低于5 ℃的試驗溫度，則按高一等級溫度執(zhí)行。

表1 三種閥桿密閉等級(氦氣)Tab.1 Three types of valve stemhermetic grade (helium)

ISO 15848-1第一部分詳細介紹了評定切斷閥和調(diào)節(jié)閥閥桿密封處和閥體連接處逸散的、具有揮發(fā)性污染性氣體和有害液體泄漏量測量的試驗程序。該規(guī)范分別對切斷閥和調(diào)節(jié)閥微泄漏進行了以下5個方面的詳細分類和闡述。切斷閥和調(diào)節(jié)閥耐久等級如表2所示。

①3種閥桿密閉等級。

②1種閥體墊片密閉等級(≤50 ppmv，氦氣)。

③2種試驗介質(zhì)(氦氣和甲烷)。

④3種耐久等級(分別針對切斷閥和調(diào)節(jié)閥)。

⑤6種溫度等級。

表2 切斷閥和調(diào)節(jié)閥的耐久等級Tab.2 Durability grades for shut-off valve and regulating valve

閥門產(chǎn)品進行微泄漏認證時，需明確閥門類型及其對應的耐久等級、溫度等級、閥桿密閉等級，并確定采取哪種介質(zhì)作為試驗介質(zhì)。確定上述內(nèi)容后，認證閥門產(chǎn)品的閥桿和閥體墊片處的微泄漏量就在選取的溫度等級區(qū)間內(nèi)，按照規(guī)定的機械循環(huán)次數(shù)動作后進行測量。

2 VDI 2440準則

自2002年10月1日起,德國開始全面實施新的排放規(guī)則,即“TA-LUFT”空氣質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范。此規(guī)范規(guī)定了各種污染物的排放標準和排放限值，要求采用先進技術(shù)來限制各類產(chǎn)品裝置的各種污染物排放。其中，5.2.6.4節(jié)規(guī)定了閥門或閘板等關(guān)閉裝置的密封系統(tǒng)應通過程序，驗證其符合VDI 2440[3]準則中溫度與泄漏量值的對應關(guān)系。

對于切斷和控制裝置，VDI 2440準則認為：使用具有優(yōu)質(zhì)金屬波紋管和確保下游安全的填料函或同等功效的墊片系統(tǒng)，可以有效降低TA-LUFT介質(zhì)的排放。換句話說，在德國，此類密封系統(tǒng)被用于切斷閥和調(diào)節(jié)閥，以滿足TA-LUFT的排放規(guī)則。

符合TA-LUFT排放要求的密封系統(tǒng)通常需要通過驗證，來證明其具有與金屬波紋管同等功效的密封性。密封性驗證條件如下。

①設計的密封系統(tǒng)能在給定的工作條件下長期正常工作。

②遵循特定的泄漏率值：當密封系統(tǒng)的溫度小于250 ℃，泄漏率小于10-4mbar·L/(s·m)；當密封系統(tǒng)的溫度大于等于250 ℃，泄漏率小于10-2mbar·L/(s·m)(測量值的單位為mbar·L/s，可以通過乘以平均密封周長得到)。

VDI 2440準則同時也規(guī)定了驗證閥門填料和閥體墊片處的試驗程序，相關(guān)試驗條件如下。

①試驗介質(zhì)：氦氣。

②試驗壓力：公稱壓力。

③試驗溫度：允許的操作溫度。

④試驗開始前：根據(jù)操作條件(開關(guān)頻率)進行有代表性的開關(guān)操作。

⑤試驗時：測量主軸/傳動軸在靜態(tài)和動態(tài)時的泄漏率。

⑥泄漏率：在給定試驗條件下，氦氣至少進氣24 h后測得的泄漏量。

如按照試驗程序測得的泄漏率能夠滿足密封性條件②，則可認定閥門符合TA-LUFT的要求,并且適用于TA-LUFT介質(zhì)工況。

3 ISO 15848-1與TA-LUFT準則分析比較

ISO 15848-1對密閉等級、耐久等級、溫度等級進行了明確的劃分和規(guī)定，對切斷閥和調(diào)節(jié)閥所需進行的機械循環(huán)次數(shù)進行了詳細的區(qū)分(調(diào)節(jié)閥機械循環(huán)次數(shù)較多，切斷閥機械循環(huán)次數(shù)較少)。VDI 2440準則則以250 ℃為界，規(guī)定了最大允許泄漏量值；對機械循環(huán)次數(shù)的邊界條件并沒有詳細的規(guī)定，只是要求其能保證在給定工作條件下長期正常工作。此外，對于溫度等級和溫度循環(huán)次數(shù)的要求，ISO 15848-1也比VDI 2240更嚴格、劃分更細致。

ISO 15848-1與VDI 2440標準中的泄漏量值的計算公式，通過換算可以得到以下關(guān)系(參考EN 1779:1999，附錄B，298K)：

Lm=Lv×0.164

(1)

式中：Lm為ISO 15848-1的測量值，mg/s；Lv為VDI 2240的測量值,mbar·L/s。

根據(jù)ISO 15848-1的規(guī)定：

(2)

式中：Lmm為符合ISO 15848-1規(guī)定的、單位長度的氦氣質(zhì)量泄漏率，Mg/(s·m)；ODstem為閥桿外徑，m。

根據(jù)VDI 2440的規(guī)定：

(3)

式中:Lvm為符合VDI 2440規(guī)定的、單位長度的氦氣體積泄漏率，mbar·L/(s·m)；ODbody為閥體密封墊片外徑(與閥體內(nèi)徑相對應)，m。

將式(2)和式(3)代入式(1)，可以得到：

(4)

由式(4)可知，微泄漏量滿足ISO 15848-1 BH密閉等級，其也能滿足VDI 2440微泄漏量的要求。由同樣的方法可以推導得出，當微泄漏量滿足ISO 15848-1 CH密閉等級時，也可以滿足VDI 2440準則中溫度不小于250 ℃逸散性泄漏量的要求。

除此之外，在ISO 15848-1規(guī)范中，規(guī)定驗證閥桿密封AH密閉等級需要采用真空法進行測量，BH和CH等級要采用真空法或罩袋法進行測量，以避免大氣中所含氦氣影響測試結(jié)果。在2006版本的ISO 15848-1中，沒有明確規(guī)定BH和CH密閉等級需要采用真空法或罩袋法進行泄漏量測量;而在2015版中，則明確了此項規(guī)定。VDI 2440采用雙密封或單密封連接填料函的試驗裝置進行泄漏量的采集和測量。

結(jié)合本企業(yè)認證的經(jīng)驗以及國內(nèi)其他單位認證的方法來看，ISO 15848-1的測量的方法較VDI 2440更簡單易行，可以采用萬能黏土、膠帶或者其他能在填料函部位形成密閉空間，從而進行測量。

4 適用于低逸散性排放的先進動密封技術(shù)

4.1 填料密封系統(tǒng)

填料被廣泛應用于閥桿和閥蓋之間區(qū)域的密封。目前，大多數(shù)閥桿填料系統(tǒng)是基于三種填料類型的應用。第一種是具有更小摩擦力、更長壽命和更低泄漏的填料類型，缺點是不耐高溫；第二種填料類型可以滿足更高的溫度要求，但缺乏第一種填料類型的優(yōu)點；第三種填料類型則是對前兩類的綜合使用，可以有效減少填料使用過程中的填料磨損和機械損傷。填料密封技術(shù)的發(fā)展主要有兩方面：一是填料材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；二是開發(fā)出了一些提升填料性能的配件。

4.1.1 填料材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

彈性及延伸性好、耐腐蝕性強、機械強度高和摩擦系數(shù)小的密封填料，可以最大限度地減少填料泄漏。適用于逸散性排放的菱形填料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 菱形填料結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the diamond filler structure

國外著名的填料密封廠家現(xiàn)已開發(fā)出高純度菱形紋理石墨帶，模壓成杯錐狀結(jié)構(gòu)并使用編織端環(huán)。其錐形結(jié)構(gòu)和填料的徑向膨脹性允許其在填料的使用壽命期內(nèi)多次調(diào)整。這意味著這種結(jié)構(gòu)的填料能在更長的時間內(nèi)提供符合低逸散要求的服務，減少了用于更換和維修閥門的投資成本；同時，致密的石墨結(jié)構(gòu)除了防火和抗化學腐蝕外，能夠減少填料的損耗，延長填料的使用壽命。

國內(nèi)有填料生產(chǎn)廠家通過研究閥門閥桿密封運動機理，研制出了新型膨脹聚四氟乙烯密封填料，將編織盤根填料、圓柱可塑性填料和復合編織盤根填料三種填料單獨或配套使用。這種新型填料裝入填料函內(nèi)，在端蓋正壓力的作用下，填料纖維相互纏結(jié)，收縮儲量，空間壓縮比高達25%～30%[4]，可以及時補償閥桿和填料之間的縫隙或因填料磨損而產(chǎn)生的徑向和軸向空間當量，從而達到可靠、安全的密封效果。

4.1.2 提升填料密封性能的配件

①高純度碳套管。有研究機構(gòu)經(jīng)過測試，得出密封閥桿的填料環(huán)最佳數(shù)量是5～7個。如少于5個，會增加泄漏的機會；而超過7個，則施加在閥桿上的阻力過大。使用嚴格材料和尺寸制作的高純度碳套管配合填料密封系統(tǒng)，更適用于填料函較深的閥門，保證低驅(qū)動力的閥門也擁有優(yōu)異的閥桿密封性。

②“活載荷”裝置。“活載荷”是一種減少填料組件松弛的方法。填料松弛會導致填料軸向載荷損失，影響填料密封性能，導致泄漏量的增加。但當填料負荷過大時，又會產(chǎn)生非常高的閥桿摩擦力，降低填料的使用壽命，并導致閥桿粘著問題。為解決這些問題，設計了一種帶“活載荷”的填料系統(tǒng)。通過軸封上的連續(xù)彈簧產(chǎn)生的壓力保持緊密關(guān)閉，確保適當?shù)奶盍县摵?，從而防止填料松弛造成的外漏，使得填料載荷始終保持恒定[5]，降低閥門的逸散性排放。

4.2 金屬波紋管密封技術(shù)

目前，市場上較多地采用填料密封系統(tǒng)來滿足逸散性排放的要求。但不管填料設計和類型如何，所有的填料都會逐漸磨損。從最初可接受的泄漏率開始，密封性能會隨著閥門動作行程的增加而逐漸降低。此外，填料密封系統(tǒng)也受到閥桿彎曲/直徑擺動度、閥蓋/閥桿螺母的加工形位公差和裝配誤差、閥桿和填料函表面粗糙度、填料合適的壓緊力控制等因素的影響[6]。閥門通過金屬波紋管實現(xiàn)動密封。金屬波紋管由單層或多層薄壁管材液壓而成，依靠波紋管彈性薄壁管的強度和彈性,使金屬波紋管組合件與閥芯一起移動，進行拉伸或壓縮，從而阻隔氣控腔和介質(zhì)腔之間的泄漏，實現(xiàn)零泄漏密封[7]。隨著密封件和密封技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬波紋管的應用效果優(yōu)于填料密封系統(tǒng)。實際應用表明，經(jīng)過精心設計的波紋管可以持續(xù)數(shù)年提供現(xiàn)場工況服務。國外波紋管的設計優(yōu)勢在于多層薄壁管材的設計和制作，可以制造多達6～8層、厚度僅為0.2～0.4 mm的多層薄壁圓筒。采用生產(chǎn)環(huán)狀金屬軟管的液壓單波成型機制造多層薄壁圓筒，不僅增加了波紋管的壁厚，而且在整個卷繞成型的過程中實現(xiàn)了均勻的壁寬[8]。這種方式制造的波紋管擁有更好的耐久性。

5 結(jié)束語

研究顯示，逸散性排放對氣候變化、空氣污染和人類健康有潛在的威脅和影響，而這種泄漏和排放會大大增加工況現(xiàn)場發(fā)生事故或爆炸危險的可能性。因此越來越多的石油化工行業(yè)及其他領域用戶要求閥門產(chǎn)品必須符合TA-LUFT或ISO 15848微泄漏要求，并且需取得相應的認證證書。通過借鑒國外最新逸散性閥門的標準，應用并開發(fā)具有國際先進水平的控制逸散性排放的密封系統(tǒng)，將使得越來越多的逸散性閥門得以推廣應用，滿足石化生產(chǎn)對健康、安全和環(huán)保的要求。

參考文獻:

[1] Industrial valves-Measurement,test and qualification procedures for fugitive emissions-Part 1:Classification system and qualification procedures for type testing of valves(includes Amendment Al:2017):ISO 15848-1-2015[S].2015.

[2] Federal Ministry for Environment,Nature Conservation and Nuclear Safety:Technical Instructions on Air Quality Control-TA Luft[S].2002.

[3] Verein Deutscher Ingenieure:Emission control mineral oil refineries[S]. 2000.

[4] 汪家銘.閥門填料密封技術(shù)獲新突破[J].特種設備安全技術(shù)，1998(6):6-7.

[5] 王超，胡江波，李樹勛.閥桿填料密封補償?shù)姆治雠c設計[J].閥門,2015(3):2-3.

[6] 方勝軍，王新紅.閥桿填料密封結(jié)構(gòu)的分析與研究[J].閥門,2002(6):12-14.

[7] 魏國儉，黃乃寧，喬桂玉.航天閥門中零泄漏金屬波紋管動密封技術(shù)及其應用[J].閥門,2010(1):27-32.

[8] 吳偉民，許福東.閥門用多層波紋管的設計選型和制造[J].科技信息，2013(10)：129.