燃氣具氣密性檢測壓力要求的識別和處置

林川紅

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

在我國的能源供應結構中，燃氣是化石能源中增長最快的種類，燃氣具有一系列優(yōu)點，包括可以利用管道輸送使用便利，燃燒過程生成的二氧化碳和污染物排放量較少，以及燃燒過程熱效率較高等等，因此在城鎮(zhèn)居民生活用燃料領域正在快速取代燃煤。同時，燃氣具的產品安全問題也成為燃氣具制造企業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。燃氣具產品安全管理中通常燃氣安全是需要優(yōu)先處理的問題，燃氣安全風險主要燃氣泄漏和煙氣中毒等，燃氣泄漏造成的影響包括著火、爆炸、中毒等，解決燃氣泄漏問題作為控制措施對燃氣具泄漏風險的控制措施，在制造過程的檢漏是關鍵的產品安全控制措施。

就燃氣具安全設計課題而言，重點是防止燃氣在器具內出現泄漏后在內部某些區(qū)域形成較高的濃度，理論上在燃氣濃度低于爆炸下限值的條件下，不會造成著火、爆炸危險，據此，在工程實踐中將燃氣濃度限制在爆炸濃度下限的1/3以下，一般認為是可以接受的燃氣泄漏水平。目前，燃氣具的安全標準通常將此項準則作為規(guī)定泄漏水平的基本條件。

由于燃氣具內部的燃氣管道和與燃燒相關的結構中不可避免存在密封結構，密封結構存在泄漏現象是不可避免的，因此，燃氣泄漏的控制要求就是將泄漏水平約束在安全標準規(guī)定的范圍內。所以，在燃氣具安全性管理范疇，所謂“泄漏”是描述處于不可接受水平的狀態(tài)，而“無泄漏”則是指泄漏水平處于可接受狀態(tài)[1]。為保證燃氣具產品滿足燃氣泄漏控制的要求，市場準入要求規(guī)定燃氣具在整機裝配過程中，必須進行檢漏，對關鍵部位的泄漏水平進行檢測。本文對燃氣密封機理的分析，并探討合理的燃氣泄漏的檢測方法。

1 泄漏機理和特性

1.1 強制密封和自緊密封

由于燃氣具內部的燃氣壓力高于環(huán)境壓力，因此燃氣系統(tǒng)的是燃氣向外部流動的過程，在燃氣系統(tǒng)出現漏孔的情況下，燃氣將從漏孔流出，泄漏是存在壓力差和漏孔而導致的結果。造成產品泄漏的原因很多：有設計方面的原因，如材料選擇不合適，密封結構形式的設計，部件安裝之間的密封性等等，都會產生泄漏[1]。對于燃氣具來說，其泄漏是屬于氣體泄漏，由于直接測量氣體的質量比較困難，氣體的壓力和氣體的體積測量卻是非常方便，因此氣體漏孔的漏率一般就用單位時間內流過漏孔的氣體量來表示。

燃氣具的密封結構，從類型區(qū)分有強制密封和自緊密封，而造成泄漏的原因，通常是結構部件存在缺陷或密封結構存在缺陷，這些缺陷形成了燃氣泄漏通道，即漏孔。結構缺陷是閥體、管道或其他金屬或非金屬材料氣孔結構缺陷；強制密封是利用外部施加的密封作用力實現密封結構，其中密封結構面或密封材料自身結構缺或結合處的缺陷：自緊密封利用流體形成的壓力差而實現密封的方式，相應地的自緊密封缺陷是燃氣系統(tǒng)中使用的密封部件，例如電磁閥的閥芯密封面與閥座之間的密封缺陷[2]。

氣體泄漏檢測的方法有多種，它們的原理、使用條件和適應范圍等既有相同之處，又有許多不之處。習慣上按照泄漏檢測時被檢件內部所處的狀態(tài)，將泄漏檢測方法分為兩類：加壓檢漏法和真空檢漏法[3]，燃氣具行業(yè)基本上使用加壓檢漏法來檢測產品的燃氣泄漏水平。燃氣具燃氣泄漏包括燃氣具本體的燃氣管道及燃氣控制閥到燃燒器噴氣管的噴嘴前的整個氣路，在燃氣具使用和不使用的兩種狀態(tài)下，發(fā)生的燃氣氣體泄漏的情況。針對燃氣具的泄漏檢測，需要針對各種密封類型的泄漏特性考慮，泄漏特性主要是泄漏量與壓力之間的定量關系。

1.2 泄漏特性分析

1）結構缺陷泄漏特性

燃氣具的管路設計：市面上使用的燃氣具，普遍采用管路（進氣閥體或氣管）、燃氣控制閥（電磁閥）、燃燒器噴氣管（包含噴嘴）組成，這里面不例外的也就先天包含了各類缺陷。結構部件在制造過程中無法完全避免存在結構缺陷，一些漏孔是內部微觀裂紋由于應力包括時效等因素擴展形成的，換言之，漏孔其實就是貫穿的裂紋。在存在壓力差的情況下，燃氣通過漏孔流出，壓力越大，泄漏量就越大。對泄漏率與壓力差之間定量分析的結果，兩者存在近似的線性關系。

2）強制密封缺陷泄漏特性

在燃氣具內部的連接結構幾乎都采用強制密封方式，強制密封的密封性能，主要取決于密封結構和和密封件的參數，這類密封的漏孔與結構缺陷類似，在施加必要的預緊力條件下，密封結構具有與結構缺陷相同的泄漏特性。

閥體或腔體的強制密封，無論是什么結構的控制閥，在控制閥開啟的情況下，擰緊中法蘭螺栓，對密封件施加壓緊力，預緊的件受到壓縮，密封面上凹凸不平的微隙被填滿，這樣就阻止流體泄漏，形成了初始密封條件——密封面上形成預緊比壓。當流體壓力上升，使密封面上的工作密封比壓始終大于流體壓力時，則密封面保持良好的密封狀態(tài)。可見，強制密封的必要條件，是在流體壓力作用下，密封面上仍能保持一定的殘余壓緊力。應強調指出的是：強制密封中，流體壓力總是趨向于減小預緊密封比壓降低密封性能，這時的強制密封，是有效密封。在強制密封的有效范圍內，其漏率與壓力關系是正比關系，壓力越大，漏率越大。

3）自緊密封缺陷泄漏特性

自緊密封是利用流體壓力，在密封面上形成壓緊力從而實現密封的類型。在自緊密封過程中，流體壓力總是趨向于增大比壓提高密封性能，除非超過密封結構強度，這樣的特性與強制密封過程恰好相反。常見的家用燃氣具電磁截止閥，具有燃氣壓力不減少氣密力的特性，屬于采用自緊式密封結構的類型。

圖1所示為典型的利用空氣作為檢漏流體對電磁截止閥的具有自緊式密封結構的泄漏原理。自緊密封面結構與被密封面位置如圖1（a）所示，如果其流體通道中的進氣方向在閥的自緊密封面背部，則當電磁閥斷電情況下，腔體的氣密性檢測，只能檢測由進氣口A到密封面之間的部份，這時檢測流體的壓力越大，流體壓力總是趨于增加預緊密封比壓，提高了密封性能。流體壓力愈高，工作密封比壓就愈大，密封性能愈好，因此這種情況下，無法檢測自緊密封結構的泄漏，檢測結果為密封面結構缺陷的泄漏水平。圖1（b）是控制閥開閥時氣路的流向。對這類電磁截止磁閥的密封結構檢測不能采用這種加壓方式，必須將加壓的方向掉轉。

另一類電磁截止閥的自緊密封結構如圖1（c）所示，如果檢測流體通道中的進氣方向在控制閥體的自緊密封面正部，當電磁閥斷電情況下，對腔體的氣密性檢測，只能檢測由進氣口A到密封面之間的部份，這時檢測掉轉流體的壓力越大，工作密封比壓就愈小，密封性能愈差，當檢測壓力超過某一范圍情況下，密封結構失效，圖1（d）是控制閥開閥時氣路的流向。顯然，對于這類結構的電磁截止閥采用這樣的加壓方式也是無法檢測自緊密封結構的泄漏情況。

對于自緊密封結構的泄漏檢測，有明確的加壓方向要求，若加壓方向與密封預緊的方向相同，流體壓力越大，密封效果越好，泄漏率越小，因此無法檢測在正常使用條件下存在的密封缺陷。只有加壓方向與正常使用情況下燃氣進氣方向一致，才能檢測密封缺陷，同時，施加的壓力一旦明顯超過正常工作壓力，密封作用將失效，檢測失去意義。

結構密封結構缺陷、強制密封結構缺陷的泄漏特性是相同，泄漏率與燃氣壓力呈近似線性關系，顯然較高的檢測壓力會導致較大的泄漏率，而自緊密封缺陷的泄漏特性恰恰相反，當燃氣壓力高于正常使用的范圍，燃氣壓力越高泄漏率就越小，因此，有效檢出泄漏需要較低的檢測壓力。

圖1 具有自緊密封結構的電磁截止閥

2 燃氣具標準要求

2.1 標準要求

國內外燃氣具標準對氣密性檢測要求見表1。從表1可見，除GB 25034-2010規(guī)定對某些密封閥門采用0.6 kPa壓力檢測之外，整機均要求用4.2～15 kPa壓力進行檢測。對于一般的結構缺陷和強制密封缺陷，4.2～15 kPa壓力進行檢測是有效的，而且較高的檢測壓力對提高泄漏缺陷的檢出能力是有利的。但是，由于具有自緊密封結構特性的密封部位卻是由于檢測壓力的提高而無法檢出其缺陷，因此采用0.6 kPa壓力進行檢測就成為具有重要意義的補充。另外，CJ/T 346-2010要求對內部以兩種壓力分別進行檢測也體現了類似的原則。

2.2 氣密性檢測準則

通過對國內外燃氣具標準的氣密性相關的檢測要求分析，在制定檢測規(guī)程時要考慮燃氣具產品中使用的控制閥的結構實際情況，不能一刀切，按一種檢測壓力來檢測，要盡可能考慮進行至少兩次壓力不同的檢測，以較高的壓力檢測結構缺陷和強制密封缺陷導致的泄漏，同時，也需要以較低的壓力檢測自緊密封缺陷導致的泄漏。另外，要關注氣路中使用的控制閥的自緊密封面與進氣通道之間結構位置分析識別，同時要根據產品使用區(qū)域的標準統(tǒng)籌考慮，應考慮進行至少兩次壓力不同的檢測，以較高的壓力檢測結構缺陷和強制密封缺陷導致的泄漏，同時，也需要以較低的壓力檢測自緊密封缺陷導致的泄漏，其中包括產品使用氣源的壓力標稱值來檢測漏氣項目。

表1 國內外燃氣具標準對氣密性檢測要求匯總

制訂燃氣具的氣密性檢測規(guī)程可遵循以下準則；

1）系統(tǒng)檢測壓力不應低于產品標準規(guī)定的水平，確保市場準入要求和產品標準符合性要求得到全部滿足，如果可行，盡量將檢測壓力提高到15 kPa。

2）對于使用自緊密封結構部件的整機，需考慮增加低壓檢測過程，針對自緊密封結構的缺陷進行檢查。

3）對于使用具有自緊密封結構部件的燃氣具，在整機組裝狀態(tài)下不檢測自緊密封結構的泄漏，在市場準入規(guī)定和標準符合性角度，可能是允許的，同時也可以降低整機生產過程的制造成本，但是，僅依賴相關部件的型式試驗結果作為自緊密封缺陷的控制措施，由于工藝離散等因素導致的自緊密封缺陷在實踐中仍然是無法避免的，如果通過增加這項檢測進一步降低自緊密封結構缺陷形成的產品安全風險。此外，類似GB 25034-2010已經明確要進行該項目檢測，則屬于市場準入規(guī)定和標準符合性的強制要求，不應省略。

3 結論

燃氣具的氣密性是燃氣具最重要的安全特性，導致燃氣具發(fā)生泄漏危險的缺陷有三種類型，分別是結構缺陷、強制密封缺陷和自緊密封缺陷。結構缺陷和強制密封缺陷導致的泄漏，其漏率與檢測氣體壓力之間呈近似線性關系，檢測壓力越大，泄漏量越大；自緊密封缺陷導致的泄漏，其泄漏量則隨檢測氣體壓力提高而減少。因此，從而需要針對不同的泄漏特性確定相應的檢測氣體壓力，才能有效控制燃氣具的泄漏。對于家用燃氣具整機產品的氣密性，制訂檢測規(guī)程可遵循以下準則；系統(tǒng)檢測盡量將檢測壓力提高到15 kPa，同時，對于使用自緊密封結構部件的整機，需考慮增加低壓檢測過程。

目前，我國的燃氣具標準對整機氣密性要求差異較大，只有燃氣采暖爐標準規(guī)定了低氣壓檢測項目，從提高產品安全性的角度，家用燃氣具可以考慮以企業(yè)標準或工藝規(guī)程的方式，自行提高氣密性檢測要求，從而提高產品的安全性。