閥門逸散性密封等級的工程設計探討

張志祥

福陸（中國）工程建設有限公司 （上海 201103）

石油化工裝置因多含有毒有害、易燃易爆介質而備受環保關注，在當今環保問題日趨嚴峻的背景下，人們日益重視石化裝置中介質的泄漏問題。如美國1990年再度修訂《凈化空氣法》的一個主要目的就是減少189種化學品總量90%的逸散，德國和歐盟其他國家也對有毒有害介質向大氣逸散污染作出相關規定要求，我國環保部在2014年12月發布了整治方案以貫徹落實《大氣污染防治行動計劃》。石化行業揮發性有機化合物（VOCs）主要源自流體設備密封處的逸散，特別是管道法蘭和閥門密封處泄漏[1]。閥門逸散性泄漏在工程上常簡稱微泄漏或低泄漏，國內外都出臺了專門的逸散性試驗標準來規范檢測閥門的微泄漏。

隨著引進裝置國外工藝包中對閥門微泄漏要求的提高及閥門制造與國際的接軌，近年來工程設計方及閥門制造廠商逐步開始使用逸散性試驗標準，但如何選擇適用的密封等級在工程設計中卻成為難題，原因主要有3個方面：（1）在國內外設計標準中，對閥門微泄漏并沒有量化要求，造成工程設計人員無據可依；（2）選擇閥門密封等級時，需要考慮多方面的指標且很難量化，如需要考慮有毒介質泄漏后依接觸時間長短對接觸人員造成的傷害、易燃易爆介質泄漏后隨著擴散達到介質爆炸極限、VOCs對環保的影響具體到對閥門泄漏量的量化指標，要綜合考慮上述各方面因素并對閥門泄漏進行量化控制，在工程設計中是一個極大的挑戰；（3）由于在工程設計中并沒有大量采用閥門逸散性檢測，很少有習慣性做法可以參考，這也間接造成工程設計中的困難。本研究旨在為合理選擇閥門密封等級提供新的思路，供工程設計人員參考（只討論手動切斷閥門，不包括控制閥門）。涉及的國內外標準如表1所示，后為行文方便，均使用標準號簡稱。

1 閥門逸散性試驗標準及密封等級

閥門閥體和閥桿填料處的微泄漏是逸散性試驗的兩個檢測對象，目前石油化工行業普遍采用的國際和國內標準規范見表2，分為閥門型式試驗（ISO 15848-1：2015，SHELL MESC SPE 77/300-2015，API 622-2018，API 624-2014，API 641-2016[2]）和閥門出廠驗收試驗（ISO 15848-2：2015，SHELL MESC SPE 77/312-2015，GB/T 26481—2011）， 其 中 API 624-2014已經作為API 600閘閥出廠標配的型式試驗標準。

1.1 型式試驗相關要求

型式試驗主要檢驗閥門和填料在極限工況下循環后的泄漏，同時評估閥門整體設計在逸散性泄漏方面的性能，滿足相應微泄漏密封等級的閥門在出廠驗收試驗前，應首先通過型式試驗，但目前國內并沒有對應型式試驗的國家標準，具備閥門型式試驗資質的廠家也為數不多，ISO 15848：2015 A級的持證廠家更是鳳毛麟角。下面就閥門的密封等級、耐久等級和溫度等級3個方面作一簡述。

1.1.1 密封等級

閥體密封等級在ISO 15848-1：2015中只規定了1個，而填料密封等級分為3個等級，SHELL公司規定的閥體密封等級和填料密封等級都為2個。API 622-2018中只有 1個填料密封等級；API 624-2014規定采用甲烷試驗的填料密封等級與ISO 15848-1：2015的B級相同，只有1個等級且不對閥體定級。ISO 15848-1：2015將閥門和填料作為一個整體來進行逸散性試驗，從而更能反映閥門安裝后的實際性能水平；API 622-2018和API 624-2014更關注填料的泄漏，填料可以進行單獨測試來完成試驗，但同一填料在不同閥門廠家的產品上可能會有不同的泄漏水平。常見標準中閥門密封等級及泄漏量匯總見表3（各種標準檢測方法及計量單位經常不一致）。

表1 文中涉及標準

表2 閥門逸散性試驗標準規范

各標準在試驗介質、試驗溫度、試驗壓力和試驗方法及程序方面的規定各有不同，工程設計中可結合具體工況和所需閥門逸散性密封等級來選擇。

1.1.2 耐久等級

耐久等級在型式試驗中定義為閥門機械循環的次數。CO1，CO2，CO3 三個級別是 ISO 15848-1：2015規定的耐久等級，除室溫外有兩次熱循環[3]，具體見圖1。

SHELL SPE 77/300-2017對閥門面板等級的要求為約206次機械循環，即在不同溫度下共有206次啟閉循環[4]。

API 622：2018規定的耐久等級只有一級，持續5天的機械循環要求每天不超過2 h[5]，總循環時間不超過8 h，機械循環和熱循環次數分別為1 510和5次。API 624-2014規定的型式試驗耐久等級同樣只有一個，機械循環和熱循環次數分別為310和3次[6]。與API 624-2014相比，API 641-2014提高到610次機械循環和3次熱循環。

1.1.3 溫度等級

按閥門的試驗溫度進行溫度等級分級，ISO 15848-1：2015標準2017年修訂版將室溫溫度區間修改為5～40℃，這與2015版標準中室溫溫度區間-29～+40℃有較大的差別，共分為6個溫度等級[7]（見表4）。SHELL公司要求的溫度等級為T1～T10共10個，每個等級又細分為3個級別。API 622-2018和API 624-2014均只有兩個溫度等級，包括室溫和260℃。

表3 閥門逸散性密封等級及泄漏量

圖1 ISO 15848-1：2015閥門機械循環

表4 ISO 15848-1：2015溫度等級

1.2 出廠驗收試驗

閥門的型式試驗檢驗了閥門的整體設計性能，而通過型式試驗的閥門，在出廠前還需要按抽檢比例進行驗收試驗，具體驗收比例根據使用工況來確定。下面結合3個標準介紹驗收試驗相關內容。

ISO 15848-2：2015 和 GB/T 26481—2011 規定的氦氣試驗壓力一般為0.6 MPa，試驗溫度為室溫，而SHELL MESC SPE 77/312-2017試驗壓力要求更高，要達到閥門在試驗溫度下的額定壓力。閥體和閥桿填料的密封泄漏量驗收標準以設計中要求的密封等級為準，超出相應密封等級的閥門，該批次應拒收。需要注意的是，ISO 15848-2：2015提高了C等級的要求，這點與GB/T 26481—2011不同。

2 微泄漏閥門結構設計及制造特點

在工程設計中，對閥門的微泄漏密封等級提出較高的要求（如ISO 15848：2015中A級和B級），閥門制造廠應在閥門的結構設計中采取特殊措施來提高其密封性能。以往的工程設計中，設計人員往往直接明確閥門特殊類型或特殊結構，包括：（1）GB 50316—2000（2008年版）針對A1類流體閥門，要求采用波紋管密封閥門或帶潤滑劑密封的旋塞閥；（2）采用常見的歐氯認證波紋管截止閥；（3）采用GARLOK EVSP 9000低泄漏填料及彈簧加載填料壓蓋的型式（見圖2）。彈簧加載填料壓蓋相當于在螺栓連接中增加了彈性補償，可以保證長時間的填料可靠密封。由于閥門的外泄漏主要存在于料和墊片處，所以制造廠可從填料結構、加工精度、閥蓋結構三方面優化閥門結構設計及制造特點，提高閥門密封性能。

圖2 標準填料壓蓋和彈簧加載填料壓蓋

典型的微泄漏填料可采用上下層為石墨填料、中間為模壓型石墨的結構。上下層采用石墨可以防止填料在閥桿間隙漏出，而充分利用石墨優良的塑性和自潤滑性[8]是中間石墨環結構的作用。采用彈簧加載填料壓蓋，例如加碟形彈簧墊圈，可以提高閥門長時間工作后的自動補償能力和密封性能。

閥桿、填料函及填料壓套加工精度和表面粗糙度直接影響閥桿與填料密封副的性能，粗糙度較低的閥桿和填料組合在裝配后更好密封。閥門制造廠可以根據設計要求的密封等級來選擇閥桿和填料函的粗糙度。

屬于靜密封的閥蓋處，密封性能比較高。提高閥門中法蘭加工精度或采用榫槽面等閥蓋法蘭端面，都可以提高閥蓋的密封性能。

3 逸散性密封等級選用

石油化工行業的工程設計中，國內外標準規范對有毒有害、易燃易爆介質閥門的微泄漏均有要求。GB/T 20801.3—2006對GC1級管道閥門，要求阻止介質在填料處的外泄漏；GB 50316—2000對A1類流體和ASME B31.3—2016對M類液體工況用閥門，都有類似要求。但上述標準對閥門逸散性泄漏量并沒有給出明確限制，具體的密封等級需要設計人員考慮。隨著“市場監管總局關于特種設備行政許可有關事項的公告〔2019年第3號〕”對壓力管道分級的調整，尤其是對GC1分級作出的調整，以劇毒介質為代表的急性毒性指標成為壓力管道安全設計及密封等級選用的主要考慮，這與GBZ 230—2010規定的考慮急性毒性、致癌性、腐蝕性等9項指標后加權平均計算介質危害級別有很大不同，與考慮長期職業接觸的泄漏控制也不同。下面對不同種類介質從定性和定量兩個方面給出密封等級選用建議。

3.1 密封等級定性選擇

針對有毒有害介質，工程設計中很難定量判定介質毒性指標與泄漏量，從而選用合理的密封等級。按照2019年3號公告，GC1管道中急性毒性為I級，可以選用A級密封閥門；GC1管道中急性毒性為II級，可以選用B級密封閥門。GC2管道中急性毒性為II級，如業主或專利商無特殊要求，從成本控制角度出發，工程設計中建議不作密封等級要求。某國外業主項目中，對純氫氰酸管道閥門，業主原設計采用歐氯標準沖刷型波紋管截止閥，但對混合物中氫氰酸濃度較低的管道閥門，只要求采用一些特殊填料以提高密封性能?？紤]到建設地為長三角地區，實際設計中增加了B級密封等級的要求，同時結合氫氰酸濃度范圍、GB管道分級以及ASME B31.3-2016，作出了工程規定，既滿足國內標準要求，又在成本可控的范圍內增強了閥門密封可靠性。

3.2 密封等級定量選擇

針對可燃介質和VOCs，工程設計中可以采用擴散理論，定量計算氣體泄漏擴散過程中遵循運動普遍適用的守恒定律，即三大守恒定律[9]，具體可以采用安全評價中常用的擴散模型和量化分析軟件。SAFETI系列軟件由挪威船級社開發，主要應用于石化行業量化風險分析且應用廣泛。PHAST，LEAK和SAFETI是SAFETI下屬3個軟件，其中PHAST能模擬計算介質泄漏擴散過程，定量計算燃燒熱輻射、有毒云團和爆炸沖擊波的影響程度和范圍。設計中可以根據定量計算的結果，結合成本控制來合理選擇閥門密封等級。

4 結語

在環保要求越來越嚴格的大背景下，不論是政策性規定和相關標準的制訂方，還是閥門制造企業、工廠運維管理以及工程設計人員，所有市場參與方對閥門逸散性的認知都是一個動態完善提高的過程。本研究對國內外最新閥門逸散性試驗標準進行綜述并提出閥門逸散密封等級的選用建議，可供各方參考，尤其是石油化工工程設計人員。在我國逸散性標準制定及制造取證與國際接軌的同時，廣大工程設計人員要積極探索，廣泛推廣應用逸散性閥門，打造健康、安全和環保的升級版綠色石油化工產業。