王長(zhǎng)鋒 周 璇 苑 冬 吳知謙

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000

0 前言

全球化工業(yè)進(jìn)程中,環(huán)境及安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。歐美國(guó)家先后頒布了相關(guān)的法規(guī)規(guī)定危險(xiǎn)及有毒污染物向大氣排放的要求[1-3]。中國(guó)繼2013年國(guó)務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》后,逐步發(fā)布相關(guān)行業(yè)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[4-6],在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了各行業(yè)設(shè)備與管線組件外漏檢測(cè)與控制要求,如泵、壓縮機(jī)、閥門(mén)、法蘭等。揮發(fā)性有機(jī)物逸散主要來(lái)源于閥門(mén)、法蘭、泵、壓縮機(jī)和其他管件,其中幾乎一半來(lái)源于閥門(mén),因此現(xiàn)代工業(yè)中將控制易揮發(fā)物的逸散作為衡量閥門(mén)密封性能的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。逸散的定義為:任何未能預(yù)料或難以發(fā)覺(jué)的以各種物理形式從任何工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)泄漏出來(lái)的化學(xué)品或化學(xué)混合物[8],由定義可知,閥門(mén)逸散實(shí)際是指閥門(mén)的外漏,這種外漏肉眼不可見(jiàn),靠常規(guī)水壓、氣壓密封試驗(yàn)已不能判定,只能借助儀器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)前,很多組織都已經(jīng)發(fā)布了針對(duì)閥門(mén)逸散相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[8-15],對(duì)閥門(mén)逸散提出具體的要求。

天然氣作為重要的能源,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)采大幅增加,尤其四川地區(qū)大儲(chǔ)量、高含H2S的氣田的逐步開(kāi)發(fā),對(duì)閥門(mén)低泄漏提出了更高的要求。不論是天然氣的外漏,還是劇毒介質(zhì)H2S的外漏,當(dāng)濃度積累到一定程度,或達(dá)到爆炸極限造成爆炸起火,或造成人員不可逆?zhèn)?其潛在危害比閥門(mén)內(nèi)漏更嚴(yán)重。因此,天然氣行業(yè)中,對(duì)閥門(mén)低外漏要求已經(jīng)不可回避。

1 閥門(mén)逸散標(biāo)準(zhǔn)比較

1.1 基本信息

對(duì)閥門(mén)逸散相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的比較分析,高開(kāi)科[16]已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的工作。隨著標(biāo)準(zhǔn)升版和新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,對(duì)閥門(mén)逸散提出了更多、更苛刻的要求,有必要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析,以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造工作。國(guó)際及國(guó)內(nèi)常用的閥門(mén)逸散相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)規(guī)定主要有以下8種。

ISO 15848-1:2015《工業(yè)閥門(mén)——逸散性測(cè)量、試驗(yàn)和鑒定程序第1部分:閥門(mén)型式試驗(yàn)分級(jí)體系和評(píng)定方法》(以下簡(jiǎn)稱“ISO 15848-1”)。

ISO 15848-2:2015《工業(yè)閥門(mén)——逸散性測(cè)量、試驗(yàn)和鑒定程序第2部分:產(chǎn)品試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱“ISO 15848-2”)。

API STANDARD 622-2018《閥門(mén)填料逸散性型式試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱“API 622”)。

API STANDARD 624-2014《石墨填料升降桿閥門(mén)逸散性型式試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱“API 624”)。

API STANDARD 641-2016《1/4回轉(zhuǎn)閥門(mén)逸散性型式試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱“API 641”)。

MESC SPE 77/300-2018《工業(yè)閥門(mén)設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)程序及技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“MESC SPE 77/300”)。

MESC SPE 77/312-2017《產(chǎn)品逸散性試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱“MESC SPE 77/312”)。

GB/T 26481-2011《閥門(mén)的逸散性試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱“GB/T 26481”)。

對(duì)于上述8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試對(duì)象、試驗(yàn)型式、試驗(yàn)介質(zhì)及檢測(cè)方法的對(duì)比，見(jiàn)表1。

1.2 密封等級(jí)

在ISO 15848-1、ISO 15848-2、MESC SPE 77/300、MESC SPE 77/312、GB/T 26481標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)閥桿密封及閥體密封處的泄漏劃分了不同的等級(jí),并給出了具體的量化指標(biāo)。與其他標(biāo)準(zhǔn)不同,API 624及API 641標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有區(qū)分閥桿密封和閥體密封,而是將閥門(mén)作為整體進(jìn)行量化。不同標(biāo)準(zhǔn)之間密封等級(jí)的比較見(jiàn)表2。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)逸散試驗(yàn)比較表

Tab.1 Comparison of different standards about fugitive emission test

標(biāo)準(zhǔn)號(hào)測(cè)試對(duì)象試驗(yàn)型式試驗(yàn)介質(zhì)檢測(cè)方法ISO 15848-1閥門(mén)(閥桿密封及閥體密封)型式試驗(yàn)CH4或He真空法或吸槍法ISO 15848-2閥門(mén)(閥桿密封及閥體密封)產(chǎn)品試驗(yàn)He吸槍法API 622填料型式試驗(yàn)CH4吸槍法API 624升降桿閥門(mén)型式試驗(yàn)CH4吸槍法API 6411/4回轉(zhuǎn)閥門(mén)型式試驗(yàn)CH4吸槍法MESC SPE 77/300閥門(mén)(閥桿密封及閥體密封)型式試驗(yàn)He吸槍法MESC SPE 77/312閥門(mén)(閥桿密封及閥體密封)產(chǎn)品試驗(yàn)He吸槍法GB/T 26481閥門(mén)(閥桿密封及閥體密封)產(chǎn)品試驗(yàn)He吸槍法

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)密封等級(jí)比較表

Tab.2 Comparison of different standards about tightness classes

標(biāo)準(zhǔn)號(hào)閥桿密封/(mg·s-1 ·m-1 閥桿周長(zhǎng))閥體密封/(mg·s-1 ·m-1 閥桿周長(zhǎng))A級(jí)B級(jí)C級(jí)A級(jí)B級(jí)ISO 15848-1≤10-5≤10-4≤10-2≤50 ppmv(不區(qū)分A級(jí)或B級(jí))ISO 15848-2≤50 ppmv≤100 ppmv≤200 ppmv≤50 ppmv(不區(qū)分A級(jí)或B級(jí))MESC SPE 77/300≤10-5≤10-4—≤10-6≤10-5MESC SPE 77/312≤10-5≤10-4—≤10-6≤10-5GB/T 26481≤50 ppmv≤100 ppmv≤1 000 ppmv≤50 ppmv(不區(qū)分A級(jí)或B級(jí))API 622≤500 ppmv(填料密封)API 624≤100 ppmv(不區(qū)分閥桿密封和閥體密封,也不區(qū)分具體密封等級(jí))API 641≤100 ppmv(不區(qū)分閥桿密封和閥體密封,也不區(qū)分具體密封等級(jí)) 注:表頭單位適用于表格中不帶單位的數(shù)據(jù);1 ppmv=1 ml/m3=1 cm3/m3;ISO 15848-1采用的數(shù)據(jù)為以He作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)的密封要求。

由于試驗(yàn)介質(zhì)和方法不同,且不同單位之間并無(wú)嚴(yán)格轉(zhuǎn)換關(guān)系,所以不同的標(biāo)準(zhǔn)體系之間難以進(jìn)行嚴(yán)格的量化比較。

對(duì)于型式試驗(yàn)中閥桿密封等級(jí)要求,ISO 15848-1與MESC SPE 77/300標(biāo)準(zhǔn)要求一致,不同的是MESC標(biāo)準(zhǔn)取消了等級(jí)C。對(duì)于產(chǎn)品試驗(yàn),ISO 15848-2:2015版本將閥桿密封等級(jí)C由2006版本的 1 000 ppmv調(diào)整至200 ppmv,GB/T 26481與ISO 15848-2要求并不一致;閥體密封等級(jí)要求ISO 15848-2與GB/T 26481保持一致。

1.3 耐久等級(jí)

不同標(biāo)準(zhǔn)考慮因素不同,其耐久等級(jí)評(píng)定也不同,見(jiàn)表3。ISO 15848-1考慮其使用情況的不同,將閥門(mén)區(qū)分為開(kāi)關(guān)閥(isolating valve)和控制閥(control valve),兩者在耐久試驗(yàn)的機(jī)械循環(huán)要求上有很大區(qū)別,CO、CC分別代表開(kāi)關(guān)閥和控制閥的耐久等級(jí);MESC SPE 77/300則根據(jù)閥門(mén)口徑的不同規(guī)定了不同的機(jī)械循環(huán)次數(shù);API 622、API 624和API 641則給出了固定的機(jī)械循環(huán)要求。

1.4 溫度等級(jí)

表4為不同標(biāo)準(zhǔn)溫度等級(jí)比較,ISO 15848-1及MESC SPE 77/300標(biāo)準(zhǔn)可以覆蓋更寬的溫度范圍,更大程度上滿足工程上高溫、深冷閥門(mén)的使用需求。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)耐久等級(jí)比較表

Tab.3 Comparison of different standards about endurance classes

類別ISO 15848-1MESC SPE 77/300CO1/CC1CO2/CC2CO3/CC3≤NPS 8NPS 10～NPS 16≥NPS 18API 622API 624API 641機(jī)械循環(huán)/次205/20 0001 500/60 0002 500/100 0002081831581 510310610熱循環(huán)/次234111533

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)溫度等級(jí)比較表

Tab.4 Comparison of different standards about temperature classes

標(biāo)準(zhǔn)號(hào)溫度等級(jí)ISO 15848-1-196 ℃～室溫-46 ℃～室溫室溫室溫～200 ℃室溫～400 ℃MESC SPE 77/300-196～-50 ℃-50～-29 ℃室溫室溫～200 ℃ 最大設(shè)計(jì)溫度API 622———室溫～260 ℃—API 624———室溫～260 ℃—API 641———室溫～Te— 注:API 641的溫度等級(jí)中的Te值需要依據(jù)閥門(mén)設(shè)計(jì)溫度(≥260 ℃或<260 ℃)和閥門(mén)壓力等級(jí)不同分別判斷。

1.5 總結(jié)

通過(guò)上述不同標(biāo)準(zhǔn)之間的比較分析可知,試驗(yàn)條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不盡相同,其驗(yàn)收難以做到量化比較,買方應(yīng)根據(jù)需求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)。只要選用符合上述標(biāo)準(zhǔn)的填料和閥門(mén)都將有效減少易燃、有毒介質(zhì)的排放,降低對(duì)環(huán)境的污染以及對(duì)人員的傷害。

2 閥門(mén)外漏點(diǎn)

閥門(mén)本身外泄漏點(diǎn)主要包含:閥桿填料部位;閥體與閥蓋連接處,如閥蓋與閥體連接點(diǎn);閥體與閥體連接處,如三片式球閥結(jié)構(gòu);閥體輔助結(jié)構(gòu)開(kāi)孔處,如注脂口、放空排液點(diǎn)、旁通連接點(diǎn)、止回閥搖臂軸穿越閥體點(diǎn)、固定球閥底部軸封處。

相比較其他泄漏點(diǎn)，閥桿填料處的密封具有以下特點(diǎn):密封件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的微觀空隙;相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的磨損,會(huì)導(dǎo)致后期密封性能的下降;為了減少閥門(mén)的開(kāi)啟力,并減輕填料對(duì)閥桿的磨損,施加于填料處的壓力不能太大,控制泄漏的難度更大[17]。

由此可見(jiàn),閥門(mén)填料處的泄漏控制是整個(gè)閥門(mén)逸散控制的關(guān)鍵所在。

3 閥門(mén)低泄漏實(shí)現(xiàn)方式

從高開(kāi)科[18]的研究可知，影響閥門(mén)填料逸散性的因素包括:溫度，壓力，閥門(mén)形位公差，閥桿及填料函表面粗糙度，填料端環(huán)形式，壓套與閥桿間隙和填料箱與壓套間隙。除上述因素外,密封結(jié)構(gòu)的選擇、填料的形式與性能也會(huì)對(duì)閥桿密封產(chǎn)生不一樣的效果。

3.1 波紋管密封

波紋管密封可以完全阻斷介質(zhì)通過(guò)閥桿填料處的泄漏,可以將閥門(mén)的外漏控制到ISO 15848-2等級(jí)A的要求,通常用于苛刻的工況。然而,波紋管的使用會(huì)面臨以下幾個(gè)問(wèn)題。

1)波紋管雖然可以完全阻斷閥桿填料處的泄漏,但不能阻斷閥蓋處的泄漏。

2)波紋管不能與90°旋轉(zhuǎn)切斷閥配套使用。

3)波紋管密封閥門(mén)加工難度大,技術(shù)要求高,在一定程度上依賴國(guó)外進(jìn)口,性價(jià)比不高。

4)波紋管閥門(mén)通常具有加長(zhǎng)閥桿結(jié)構(gòu),實(shí)際操作需要較大空間與平臺(tái)。

以上原因制約波紋管密封閥門(mén)在行業(yè)中的應(yīng)用。

3.2 填料結(jié)構(gòu)

合理的填料結(jié)構(gòu)形式可以幫助閥門(mén)取得良好的低逸散效果,如上下編織石墨填料中間成型石墨填料的矩形或錐形填料形式或者壓力自密封結(jié)構(gòu)、活載填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[19]。

3.3 低泄漏填料及墊片

為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)要求的閥門(mén)密封等級(jí),國(guó)內(nèi)外諸多公司相繼開(kāi)發(fā)閥桿用低泄漏填料,如美國(guó)SLADE公司3300系列碳纖維增強(qiáng)石墨編制盤(pán)根、美國(guó)Garlock公司EVSP低泄漏組合填料等,上述低泄漏盤(pán)根及組合填料均已經(jīng)通過(guò)TA-Luft-2002 Technical Guidelines for Air Pollution Control、API 622、ISO 15848等法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的考核,并在實(shí)際工程中取得良好的應(yīng)用效果[17]。

3.4 產(chǎn)品試驗(yàn)

近來(lái),經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目的推動(dòng),越來(lái)越多的制造商已經(jīng)取得了ISO 15848-1或者API 624、API 641的型式試驗(yàn)認(rèn)證證書(shū)。筆者認(rèn)為影響閥門(mén)低泄漏的因素眾多,且閥門(mén)一旦隨管線投產(chǎn)以后,長(zhǎng)期處于承壓、受力、反復(fù)開(kāi)啟狀態(tài),必須確保產(chǎn)品低泄漏性能滿足要求。因此對(duì)于有逸散性要求的閥門(mén)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品按協(xié)定比例進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)進(jìn)行資料復(fù)查,看廠家是否按照技術(shù)要求完成閥門(mén)制造與檢驗(yàn)。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,應(yīng)及時(shí)提出,甚至拒收。

4 逸散要求在天然氣行業(yè)應(yīng)用

與常規(guī)閥門(mén)相比,低泄漏閥門(mén)在原材料、設(shè)計(jì)、加工精度、試驗(yàn)要求上都有較大不同,勢(shì)必會(huì)帶來(lái)成本的增加,但與波紋管閥門(mén)相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工制造容易,其成本與常規(guī)閥門(mén)相比高約10%～20%[20]。鑒于波紋管閥門(mén)在制造、使用、價(jià)格上的諸多限制,低泄漏閥門(mén)在較大程度上可以替代波紋管閥門(mén)達(dá)到工程上對(duì)于低泄漏的要求。

結(jié)合天然氣行業(yè)實(shí)際情況與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)閥門(mén)外漏的要求,密封等級(jí)為ISO 15848-2等級(jí)B的閥門(mén)可以滿足多數(shù)工況的要求,該等級(jí)要求在制造難度上并不會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)制造商帶來(lái)困難,因此建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)普通介質(zhì)視情況做ISO 15848-2等級(jí)C要求或不做要求;對(duì)易燃、易爆及有毒介質(zhì)考慮ISO 15848-2等級(jí)B的要求;對(duì)于高含H2S的介質(zhì)根據(jù)實(shí)際情況可考慮ISO 15848-2等級(jí)B甚至等級(jí)A密封要求;對(duì)深冷工況介質(zhì)如LNG等,可做ISO 15848-2等級(jí)B要求,試驗(yàn)溫度應(yīng)為-196 ℃。在提出具體密封等級(jí)要求的基礎(chǔ)上,同時(shí)應(yīng)視工況對(duì)型式試驗(yàn)過(guò)程中的耐久等級(jí)和溫度等級(jí)做出明確要求。

5 結(jié)論

各國(guó)對(duì)環(huán)境及安全越來(lái)越重視,法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)也逐步完善閥門(mén)逸散性的要求。隨著中國(guó)與國(guó)外工程公司合作逐漸深入,低逸散要求也越來(lái)越多地應(yīng)用到天然氣工程項(xiàng)目中。設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟悉標(biāo)準(zhǔn)要求,從而提出更為合理的設(shè)計(jì)要求。同時(shí),閥門(mén)制造商應(yīng)逐步提升自己的技術(shù)實(shí)力,以應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛技術(shù)要求。相對(duì)于波紋管密封閥門(mén),采用低逸散性填料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的閥門(mén),由于價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)以及對(duì)需求的滿足也必將使其得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。