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(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行驗(yàn)證，并取得相關(guān)認(rèn)證證書。ISO 15848-1[1]和TA-LUFT[2]兩個標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)定檢測標(biāo)準(zhǔn)。通常來說，為更好地適應(yīng)市場需要，企業(yè)會同時申請TA-LUFT和ISO 15848-1認(rèn)證。

本文歸納、總結(jié)了符合國際認(rèn)證要求的兩項(xiàng)閥門微泄漏標(biāo)準(zhǔn)的測量要求和方法，對兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的最新要求、注意要點(diǎn)進(jìn)行梳理并作對比分析，旨在幫助更多的企業(yè)認(rèn)識和理解這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)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(jìn)動密封技術(shù)的介紹，為需要進(jìn)行逸散性泄漏認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)閥門逸散性泄漏/微泄漏測量標(biāo)準(zhǔn)ISO 15848-1，自2006年生效至今，分別在2015年和2017年進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中的室溫溫度范圍-29～+40 ℃。由此，試驗(yàn)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(yàn)，可以認(rèn)定的閥門溫度范圍為-196 ℃～室溫(room temperature,RT)；

②在-46 ℃以下的試驗(yàn)，可以認(rèn)定的閥門溫度范圍為-46 ℃～RT；

③在-29 ℃以下的試驗(yàn)，可以認(rèn)定的閥門溫度范圍為-29 ℃～RT；

④在RT以下的試驗(yàn)，可以認(rèn)定的閥門溫度范圍為5～40 ℃；

⑤在200 ℃以下的試驗(yàn)，可以認(rèn)定的閥門溫度范圍為RT～200 ℃；

⑥在400 ℃以下的試驗(yàn)，可以認(rèn)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(yàn)溫度不在表1所示的溫度范圍內(nèi)，則需遵循試驗(yàn)原則：高于40 ℃的試驗(yàn)溫度，按低一等級溫度執(zhí)行；低于5 ℃的試驗(yàn)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(xì)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(yàn)程序。該規(guī)范分別對切斷閥和調(diào)節(jié)閥微泄漏進(jìn)行了以下5個方面的詳細(xì)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(yàn)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(jìn)行微泄漏認(rèn)證時，需明確閥門類型及其對應(yīng)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(yàn)介質(zhì)。確定上述內(nèi)容后，認(rèn)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(jī)械循環(huán)次數(shù)動作后進(jìn)行測量。

2 VDI 2440準(zhǔn)則

自2002年10月1日起,德國開始全面實(shí)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(biāo)準(zhǔn)和排放限值，要求采用先進(jìn)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(yīng)通過程序，驗(yàn)證其符合VDI 2440[3]準(zhǔn)則中溫度與泄漏量值的對應(yīng)關(guān)系。

對于切斷和控制裝置，VDI 2440準(zhǔn)則認(rèn)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(yàn)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(yàn)證條件如下。

①設(shè)計(jì)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(dāng)密封系統(tǒng)的溫度小于250 ℃，泄漏率小于10-4mbar·L/(s·m)；當(dāng)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(zhǔn)則同時也規(guī)定了驗(yàn)證閥門填料和閥體墊片處的試驗(yàn)程序，相關(guān)試驗(yàn)條件如下。

①試驗(yàn)介質(zhì)：氦氣。

②試驗(yàn)壓力：公稱壓力。

③試驗(yàn)溫度：允許的操作溫度。

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

⑤試驗(yàn)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(yàn)條件下，氦氣至少進(jìn)氣24 h后測得的泄漏量。

如按照試驗(yàn)程序測得的泄漏率能夠滿足密封性條件②，則可認(rèn)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(zhǔn)則分析比較

ISO 15848-1對密閉等級、耐久等級、溫度等級進(jìn)行了明確的劃分和規(guī)定，對切斷閥和調(diào)節(jié)閥所需進(jìn)行的機(jī)械循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的區(qū)分(調(diào)節(jié)閥機(jī)械循環(huán)次數(shù)較多，切斷閥機(jī)械循環(huán)次數(shù)較少)。VDI 2440準(zhǔn)則則以250 ℃為界，規(guī)定了最大允許泄漏量值；對機(jī)械循環(huán)次數(shù)的邊界條件并沒有詳細(xì)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(yán)格、劃分更細(xì)致。

ISO 15848-1與VDI 2440標(biāo)準(zhǔn)中的泄漏量值的計(jì)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(yīng))，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(dǎo)得出，當(dāng)微泄漏量滿足ISO 15848-1 CH密閉等級時，也可以滿足VDI 2440準(zhǔn)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(yàn)證閥桿密封AH密閉等級需要采用真空法進(jìn)行測量，BH和CH等級要采用真空法或罩袋法進(jìn)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(jìn)行泄漏量測量;而在2015版中，則明確了此項(xiàng)規(guī)定。VDI 2440采用雙密封或單密封連接填料函的試驗(yàn)裝置進(jìn)行泄漏量的采集和測量。

結(jié)合本企業(yè)認(rèn)證的經(jīng)驗(yàn)以及國內(nèi)其他單位認(rèn)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(jìn)行測量。

4 適用于低逸散性排放的先進(jìn)動密封技術(shù)

4.1 填料密封系統(tǒng)

填料被廣泛應(yīng)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(yīng)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(diǎn)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(diǎn)；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(jī)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(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)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(wù)，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(xué)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(yùn)動機(jī)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(fù)合編織盤根填料三種填料單獨(dú)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(dá)25%～30%[4]，可以及時補(bǔ)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(dāng)量，從而達(dá)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(jī)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(jī)會；而超過7個，則施加在閥桿上的阻力過大。使用嚴(yán)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?！盎钶d荷”是一種減少填料組件松弛的方法。填料松弛會導(dǎo)致填料軸向載荷損失，影響填料密封性能，導(dǎo)致泄漏量的增加。但當(dāng)填料負(fù)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(dǎo)致閥桿粘著問題。為解決這些問題，設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)奶盍县?fù)荷，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(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)度和彈性,使金屬波紋管組合件與閥芯一起移動，進(jìn)行拉伸或壓縮，從而阻隔氣控腔和介質(zhì)腔之間的泄漏，實(shí)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(yīng)用效果優(yōu)于填料密封系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的波紋管可以持續(xù)數(shù)年提供現(xiàn)場工況服務(wù)。國外波紋管的設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于多層薄壁管材的設(shè)計(jì)和制作，可以制造多達(dá)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(jī)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(shí)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(xiǎn)的可能性。因此越來越多的石油化工行業(yè)及其他領(lǐng)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(yīng)的認(rèn)證證書。通過借鑒國外最新逸散性閥門的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用并開發(fā)具有國際先進(jìn)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(yīng)用，滿足石化生產(chǎn)對健康、安全和環(huán)保的要求。

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