顏炳良,馮 浩,諶傳江

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司,重慶 400707)

0 引言

閥門(mén)是過(guò)程控制中重要的終端執(zhí)行單元。調(diào)節(jié)閥的好壞直接影響系統(tǒng)質(zhì)量[1]。因此,如何選擇一臺(tái)品質(zhì)優(yōu)良的閥門(mén)已成為設(shè)計(jì)院或最終用戶在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的一項(xiàng)重要工作。

在閥門(mén)選型的各項(xiàng)參數(shù)中,閥座泄漏量是必須考慮的一項(xiàng)技術(shù)參數(shù)[2]。不同的閥門(mén)類型,用于衡量閥座泄漏量的技術(shù)參數(shù)不同;不同的閥座泄漏率標(biāo)準(zhǔn),最終計(jì)算的閥座泄漏量數(shù)據(jù)也不同。由于用戶執(zhí)行不同的泄漏率標(biāo)準(zhǔn),使閥門(mén)的制造成本差距較大。而用戶出于不同的過(guò)程控制要求,對(duì)閥門(mén)泄漏量的實(shí)際需求也各不一樣。

面對(duì)不同的閥門(mén)泄漏率標(biāo)準(zhǔn),用戶如何選擇適用的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)? 首先需要對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有比較全面的了解。

1 常用閥座泄漏率標(biāo)準(zhǔn)介紹

具有切斷功能的閘截止等開(kāi)關(guān)類閥門(mén),應(yīng)明確執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26480—2011[3]或者美國(guó)API598—2016 標(biāo)準(zhǔn)[4]。如執(zhí)行ISO 標(biāo)準(zhǔn),則應(yīng)標(biāo)注密閉泄漏比率,并標(biāo)注引用標(biāo)準(zhǔn)號(hào)。例如:“ISO 5208:2015,泄漏比率A”[5]。

對(duì)于調(diào)節(jié)類的控制閥,閥座泄漏量由閥門(mén)泄漏等級(jí)確定。閥門(mén)泄漏等級(jí)是閥門(mén)制造企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中,在規(guī)定的試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)介質(zhì)通過(guò)安裝閥門(mén)在關(guān)閉位置的量的等級(jí),一般有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ-S1、Ⅴ、Ⅵ七個(gè)等級(jí)(ANSI/FCI 70-2 沒(méi)有Ⅳ-S1 等級(jí))。泄漏等級(jí)僅適用于生產(chǎn)試驗(yàn),不能作為產(chǎn)品在實(shí)際使用時(shí)預(yù)測(cè)泄漏量的依據(jù)[6]。

作為用戶,希望泄漏量越少越好、泄漏等級(jí)越高越好。但等級(jí)越高,實(shí)現(xiàn)該技術(shù)等級(jí)的閥門(mén)制造工藝越復(fù)雜,成本越高。用戶應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況具體工藝要求,同時(shí)考慮不同閥門(mén)的制造工藝特點(diǎn),合理選擇不同的閥門(mén)泄漏等級(jí)。

作為閥門(mén)制造企業(yè),必須充分了解不同標(biāo)準(zhǔn)中閥門(mén)泄漏等級(jí)的具體要求,明確各標(biāo)準(zhǔn)之間的差異,以采取適合本廠的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

目前,控制閥泄漏主要標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 控制閥泄漏主要標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Main standards for control valve leakage

2 常用泄漏率標(biāo)準(zhǔn)分析比較

2.1 GB/T 4213—2008

GB/T 4213—2008 在中國(guó)控制閥領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,被大多數(shù)用戶以及控制閥制造企業(yè)所接受。該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍為氣動(dòng)控制閥。其中有關(guān)泄漏等級(jí)的概念及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)被許多開(kāi)關(guān)類閥門(mén)所引用并執(zhí)行,但實(shí)際上某些開(kāi)關(guān)類閥型并不適合執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.1 閥座泄漏量適用范圍

本標(biāo)準(zhǔn)僅適用于控制閥。

2.1.2 試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)為5～40 ℃的潔凈氣體(空氣或者氮?dú)?G)或者水(L)。

2.1.3 試驗(yàn)程序

程序1。被測(cè)閥門(mén)兩端壓差為0.35 MPa。當(dāng)被測(cè)閥門(mén)允許壓差小于0.35 MPa 時(shí),使用設(shè)計(jì)規(guī)定的允許壓差。

程序2。被測(cè)閥門(mén)兩端壓差為該閥的最大工作壓差。

2.1.4 泄漏等級(jí)

GB/T 4213—2008 泄漏等級(jí)如表2 所示。表2中,僅列舉Ⅳ級(jí)以上。因過(guò)程控制要求的提高,對(duì)控制閥的泄漏等級(jí)要求至少達(dá)到Ⅳ級(jí),特殊情況除外,下同。Ⅵ級(jí)泄漏率系數(shù)如表3 所示。

表2 GB/T 4213—2008 泄漏等級(jí)[7]Tab.2 GB/T 4213—2008 leakage class

表3 Ⅵ級(jí)泄漏率系數(shù)[7]Tab.3 Class Ⅵ leakage rate coefficient

Ⅳ級(jí)為控制閥默認(rèn)的泄漏等級(jí)。同口徑閥門(mén)泄漏量根據(jù)流量系數(shù)(Cv)的不同而不同。Ⅴ級(jí)已經(jīng)達(dá)到關(guān)斷級(jí)密封(tight shut off,TSO)。

本標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ級(jí)只能用水作試驗(yàn)介質(zhì)。若用戶的實(shí)際使用介質(zhì)為氣體時(shí),則不推薦執(zhí)行該泄漏標(biāo)準(zhǔn)。鑒于氣體的高滲透率,用氣體進(jìn)行Ⅴ級(jí)泄漏測(cè)試的難度大于用水進(jìn)行Ⅴ級(jí)泄漏測(cè)試。

Ⅵ級(jí)用氣體進(jìn)行測(cè)試,屬于氣泡級(jí)密封。正常測(cè)試壓力為0.35 MPa。當(dāng)閥允許壓差小于0.35 MPa時(shí),使用設(shè)計(jì)規(guī)定的允許壓差,泄漏量必須用因數(shù)乘表3 規(guī)定的具體泄漏率系數(shù)(即表3 僅為0.35 MPa 下泄漏率系數(shù))。非標(biāo)閥座直徑可以用面積插值法計(jì)算具體泄漏率系數(shù)。

GB/T 4213—2008 對(duì)VI 級(jí)的適用閥門(mén)密封材料未作要求,金屬及非金屬密封材料均可。此點(diǎn)有別于其他標(biāo)準(zhǔn)。

在工程運(yùn)用中,用戶在選擇泄漏等級(jí)時(shí),基本都忽略了IV-S1 等級(jí)的選擇。從表2 中可以看到,由IV 級(jí)到V 級(jí),泄漏量提高了三個(gè)數(shù)量級(jí),工藝難度大大增加。

由于控制閥主要起調(diào)節(jié)作用,閥芯位置一直受到介質(zhì)的沖刷磨損。特別是在調(diào)節(jié)壓差大、介質(zhì)流速高時(shí),密封線磨損很嚴(yán)重。在使用一段時(shí)間后,控制閥泄漏等級(jí)是否還能到V 級(jí)以上并不確定。根據(jù)工況選擇閥門(mén)的泄漏等級(jí)是Ⅳ級(jí)還是Ⅴ級(jí)以上,是最終用戶需要思考的技術(shù)問(wèn)題。因此,合理地選擇控制閥泄漏等級(jí)需要設(shè)計(jì)院及用戶綜合多方因素考慮。

2.2 GB/T 17213.4—2015

2.2.1 閥座泄漏量適用范圍

GB/T 17213.4—2015 只適用于控制閥,但不適用于額定流量系數(shù)Kv<0.086、Cv<0.1 的控制閥。如果是Ⅵ級(jí)泄漏,則該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于彈性閥座控制閥(軟密封)[6]。GB/T 4213—2008 標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)控制閥范圍作上述要求。

2.2.2 試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)介質(zhì)為5～50 ℃的空氣、氮?dú)?G)或水(L)。

2.2.3 試驗(yàn)程序

程序1。被測(cè)閥門(mén)兩端壓差為(300～400)kPa。當(dāng)被測(cè)閥門(mén)允許壓差小于350 kPa 時(shí),使用設(shè)計(jì)規(guī)定的工作壓差。

程序2。被測(cè)閥門(mén)兩端壓差為該控制閥的最大工作壓差。

2.2.4 泄漏等級(jí)

QB/T 17213.4—2015 泄漏等級(jí)如表4 所示。表4中僅列舉Ⅳ級(jí)以上。

表4 GB/T 17213.4—2015 泄漏等級(jí)[6]Tab.4 GB/T 17213.4—2015 leakage class

本標(biāo)準(zhǔn)相比GB/T 4213—2008,增加了V 級(jí)氣泄漏測(cè)試選擇,試驗(yàn)程序?yàn)椤俺绦?”,其他相同。

Ⅴ級(jí)氣泄漏測(cè)試給用戶及閥門(mén)制造企業(yè)另一個(gè)選擇項(xiàng)。即:如果制造商和買(mǎi)方雙方同意,可以用不同試驗(yàn)壓力,如試驗(yàn)程序2 中的試驗(yàn)壓力。

那么在介質(zhì)為空氣或氮?dú)獾那闆r下,最大允許泄漏量計(jì)算公式為[6]:

式中:P1為入口壓力,kPa.A。

這種換算假定為層流情況下,且僅適用于大氣出口壓力以及試驗(yàn)溫度在10～30 ℃之間。此換算不可用于在實(shí)際工作條件下進(jìn)行流量預(yù)測(cè)。

此條試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)接近用戶實(shí)際使用情況下的真實(shí)泄漏量,具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。該標(biāo)準(zhǔn)僅作為建議,如需使用需要用戶及閥門(mén)制造企業(yè)雙方同意?？刂崎y制造企業(yè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如果采用該高標(biāo)準(zhǔn)要求,無(wú)疑將具有很強(qiáng)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 ANSI/FCI 70-2—2013

2.3.1 閥座泄漏量適用范圍

ANSI/FCI 70-2—2013 只適用于控制閥,但不適用于額定流量系數(shù)Cv<0.1 的控制閥。如果是Ⅵ級(jí),則該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于彈性閥座(軟密封)控制閥。

2.3.2 試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)介質(zhì)為10～51 ℃的空氣、氮?dú)?G)或水(L)。

2.3.3 試驗(yàn)程序

程序A:干凈的空氣或者水,應(yīng)為300～400 kPa.g或者最大工作壓差,選擇其中較小值(Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級(jí))。

程序B:干凈的水,應(yīng)為閥的最大工作壓差(Ⅴ級(jí))。

程序B1:清潔的空氣或氮?dú)?進(jìn)口壓力350 kPa·g(Ⅴ級(jí))。

程序C:清潔的空氣或氮?dú)?最大額定壓差或350 kPa,ANSI/FCI 70-2—2013 選擇其其中較小的數(shù)值(Ⅵ級(jí))。

2.3.4 泄漏等級(jí)

ANSI/FCI 70-2—2013 泄漏等級(jí)如表5 所示。表5中僅列舉Ⅳ級(jí)以上。

表5 ANSI/FCI 70-2—2013 泄漏等級(jí)[8]Tab.5 ANSI/FCI 70-2—2013 leakage class

ANSI/FCI 70-2—2013 為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)、美國(guó)流體學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。由于美國(guó)在科技領(lǐng)域的強(qiáng)勢(shì)地位,該標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)內(nèi)外眾多用戶所采用。

此標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有IV-S1 等級(jí),Ⅰ～Ⅳ級(jí)采用水或者氣為介質(zhì),試驗(yàn)壓力300～400 kPa.g 或者最大工作壓差,選擇其中較小值。Ⅴ級(jí)如果以水作為試驗(yàn)介質(zhì),壓差為最大工作壓差;如果是氣作為試驗(yàn)介質(zhì),壓差為350 kPa。Ⅵ級(jí)只能是氣體介質(zhì),最大額定壓差或350 kPa 之間的較小數(shù)值。

該標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是試驗(yàn)條件沒(méi)有過(guò)多的選擇,具有唯一性,有利于各執(zhí)行企業(yè)統(tǒng)一泄漏量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),有助于標(biāo)準(zhǔn)的推廣。

2.4 IEC 60534-4:2006

IEC 60534-4:2006[9]與GB/T 17213.4—2015 等同。IEC 60534-4:2006 與IEC 60534-4:1999 相比:Ⅳ-S1 級(jí)增加了液體測(cè)試;V 級(jí)增加了氣體測(cè)試。

3 四大標(biāo)準(zhǔn)泄漏量計(jì)算應(yīng)用實(shí)例

下面以具體實(shí)例,計(jì)算在不同的泄漏率標(biāo)準(zhǔn)下的泄漏率數(shù)據(jù),以便形象地表示各標(biāo)準(zhǔn)之間的泄漏量數(shù)據(jù)具體差異。

某一流量調(diào)節(jié)閥,公稱通徑為DN100,假定閥座直徑為φ100 mm。最大關(guān)閉壓差為1 MPa,Cv值為100。計(jì)算試驗(yàn)介質(zhì)分別為水和空氣的情況下,各標(biāo)準(zhǔn)下Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)閥座泄漏量。當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)為水時(shí),各標(biāo)準(zhǔn)下Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)DN100 閥座泄漏量如表6 所示。

表6 介質(zhì)為水時(shí)DN100 閥座泄漏量Tab.6 DN100 valve seat leakage when water as medium mL/min

當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)為氣時(shí),各標(biāo)準(zhǔn)下Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)DN100 閥座泄漏量如表7 所示。

表7 介質(zhì)為氣時(shí)DN100 閥座泄漏量Tab.7 DN100 valve seat leakage when gas as medium mL/min

從表6、表7 可以看出,ANSI/FCI 70-2—2013 標(biāo)準(zhǔn)具有泄漏數(shù)據(jù)的唯一性,有利于不同閥門(mén)生產(chǎn)廠家進(jìn)行技術(shù)參數(shù)對(duì)比。其他三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的泄漏數(shù)據(jù)是基于各自廠家制造實(shí)力的不同,允許采用不同的測(cè)試壓力,從而得到不同的泄漏數(shù)據(jù)。這也造成不同廠家之間缺乏橫向?qū)Ρ刃?使最終用戶無(wú)法從數(shù)據(jù)上直觀了解閥門(mén)制造企業(yè)的制造實(shí)力。

4 結(jié)論

控制閥泄漏等級(jí)是標(biāo)準(zhǔn)化組織為規(guī)范控制閥制造企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)而制定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),方便閥門(mén)用戶比較各制造企業(yè)的技術(shù)水平。

但泄漏等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)僅適用于生產(chǎn)試驗(yàn),不能作為產(chǎn)品在實(shí)際使用時(shí)預(yù)測(cè)泄漏量的依據(jù)。用戶應(yīng)明白泄漏等級(jí)的真實(shí)意義,從整體系統(tǒng)出發(fā),明確自身的真正需求,制定合理的泄漏等級(jí)技術(shù)要求及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),以便在滿足使用要求的同時(shí)降低采購(gòu)成本。盲目地拔高泄漏等級(jí)技術(shù)要求,既無(wú)必要,也會(huì)造成產(chǎn)品性能的浪費(fèi)。

控制閥制造企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身的技術(shù)水平、工藝水平以及產(chǎn)品自身技術(shù)特點(diǎn),采取適合本廠的泄漏等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),滿足用戶及市場(chǎng)的需求。國(guó)內(nèi)很多閥門(mén)制造企業(yè)為了爭(zhēng)奪市場(chǎng),提出控制閥IV 級(jí)以氣作為介質(zhì)進(jìn)行泄漏測(cè)試,用實(shí)際工作壓力(>0.35 MPa)作測(cè)試壓力,以顯示其較高的生產(chǎn)工藝水平。實(shí)際上,該泄漏量的計(jì)算已經(jīng)無(wú)任何依據(jù),無(wú)法判定其值是對(duì)是錯(cuò),也就無(wú)法判定該試驗(yàn)的合理性[10]。

ANSI/FCI 70-2—2013 標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),基于美國(guó)流體學(xué)會(huì)(FCI),美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)各成員單位意見(jiàn)而制定。該協(xié)會(huì)成員單位包括FISHER、Masoneilan、Flowserve 等世界一流控制閥制造企業(yè)。因此,建議用戶及制造企業(yè)采用該標(biāo)準(zhǔn)。