Ⅵ級閥座泄漏量計算與控制閥泄漏失效分析

繆克在，金靖斌，李海聰，王一翔，陳敬秒

(浙江省泵閥產品質量檢驗中心，浙江 溫州 325105)

0 引言

控制閥是流體管道、化工儀器儀表裝備等系統的關鍵控制元件，能起到降壓降噪，調節流量、壓力、溫度，或截斷流體運輸等重要作用。泄漏是導致控制閥失效的主要因素之一，也是引發裝備系統故障或事故的主導要素。工業系統中，每年因閥門泄漏造成的能源損失、設備故障和事故等占據了較大的比重。

管道系統中，閥座泄漏量(或流量)過大會導致物料大量流失，不同開度下閥座泄漏量過小又會降低物流輸送的效率。因此，閥座泄漏量的控制對管網系統的運行至關重要。文獻[1]、文獻[2]中論述，閥座泄漏量與閥座/閥量芯幾何結構設計、選材、執行機構的關斷力/不平衡力、閥桿/閥芯/閥座間的幾何配合等因素存在重要聯系。

現有國際、國家和行業標準中，對按設計壓差(高壓差)進行閥座泄漏量測試的描述較少，多數企業以0.35 MPa空氣或水進行測試。目前，Ⅵ級泄漏量控制閥采用高壓差氣體介質進行閥座泄漏量測試暫無依據，口徑大于NPS16的控制閥Ⅵ級閥座泄漏量無指標。控制閥的可靠性研究一直備受關注，但對于如機械循環、啟閉動作測試、高低溫循環等工序的控制閥閥座泄漏失效的研究相對較少。針對上述問題，本文從Ⅵ級泄漏量控制閥的NPS16以上大口徑閥座泄漏量計算、高壓差氣體介質閥座泄漏量測試指標計算、啟閉動作后閥座泄漏失效分析等方面進行分析與研究。

1 Ⅵ級閥座泄漏量計算與分析

目前，控制閥采用的閥座泄漏量指標依據中，IEC 60523-4:2006、ANSI FCI70-2:2013和GB/T 4213—2008這3個標準的應用較為普遍[3]。閥座泄漏測試中：以水為介質時，測試壓力為0.35 MPa或閥設計壓差，泄漏等級Ⅰ級～Ⅳ級的泄漏量的介紹較為詳細[4]；以空氣或氮氣為介質時，多數標準采用0.35 MPa或0.30～0.40 MPa測試壓力的測試方法與泄漏量指標，僅有IEC 60523-4:2006中描述了按設計壓差進行V級泄漏量計算的方法(僅限層流、控制閥出口端通大氣，且環境溫度在10～30 ℃之間，該換算不能用于實際工況)[5]。對于Ⅵ級泄漏量控制閥的閥座泄漏指標，口徑限制為NPS16及以下，氣體介質試驗壓力限制為0.35 MPa，已不能滿足產品發展(大口徑、低泄漏量、高可靠性等方向)和使用要求。

近年來，以氣體為試驗介質的Ⅵ級泄漏量大口徑(NPS16以上)控制閥(尤其是控制球閥)較為常用。但大口徑控制閥Ⅵ級泄漏量的設計、測試與評定始終沒有依據，制約了產品的質量提升與開發。根據以下2個理論假設，由常用流量計算式(1)，可以推導出如式(2)所示的控制閥閥座泄漏量的計算方法:①假設控制閥處于關閉狀態下，流經控制閥閥座的介質流量等于閥座泄漏量；②相同結構、相似材質的控制閥在相同測試溫度和測試壓差的條件下，介質通過閥座的流速近似相等。

(1)

式中：Q為介質流量；d為閥座內徑；V為介質流速。

(2)

式中：Qn、Qn-1為閥座泄漏量(例如當Qn為NPS8控制閥閥座泄漏量時，Qn-1為NPS6閥座泄漏量，以此類推)；dn、dn-1為閥座內徑。

由式(2)可知，在上述測試條件前提下，大一規格閥座泄漏量與小一規格閥座泄漏量之比等于相應閥座內徑平方之比，大一規格閥座泄漏量可由小一規格閥座泄漏量計算推導得到。為了驗證式(2)計算結果的準確性，給出了0.35 MPa空氣或氮氣介質下控制閥Ⅵ級泄漏量閥座的標準值、計算值和偏差a等數據。a為按式(2)計算得出的泄漏量與ANSI FCI 70-2:2013規定閥座泄漏量的偏差。將計算結果與ISO 5208:2015[6]標準中的AA級、B級和C級泄漏量指標進行了比較分析。Ⅵ級閥座泄漏量數據如表1所示。

表1 Ⅵ級閥座泄漏量數據

由表1可知以下結論。①ANSI FCI 70-2:2013[7]規定的泄漏量中NPS1～NPS2.5、NPS4、大于NPS4這3種尺寸范圍，分別對應標準ISO 5208：2015規定的AA級、AA級～B級和B級～C級范圍內。這將為超過現有標準范圍的控制閥泄漏量指標的選擇與法定判定提供技術數據參考。例如，公稱管徑大于NPS4的控制閥在滿足泄漏量要求的前提下可根據上述技術數據選擇ISO 5208:2015的B級泄漏量。②在公稱管徑小于等于NPS2.5范圍內，表1中計算泄漏量與ANSI FCI 70-2:2013規定泄漏量之間的偏差a均超過10%，偏差過大且分別按公稱管徑NPS與公稱尺寸DN計算的結果存在較大差別，不建議采用。在公稱管徑NPS3～NPS10范圍內，偏差a均小于±6%;公稱管徑大于NPS10時，偏差a均小于1%。整體上看，隨著閥門口徑的增大，計算泄漏量與ANSI FCI 70-2:2013規定的標準泄漏量之間的偏差逐漸縮小。從理論上說，式(2)計算泄漏量的推算方法可以用于計算NPS16以上口徑控制閥的泄漏量。③表1中通過計算泄漏量推算出了NPS18～NPS24常用控制閥的泄漏量指標，可作為設計與檢測判定的依據和參考。

2 Ⅵ級閥座高壓差氣體測試閥座泄漏量

針對Ⅵ級泄漏量控制閥的高壓(按設計壓差，一般試驗介質為空氣或氮氣)閥座泄漏量測試與泄漏量判定問題，基于“閥座泄漏量等于控制閥上游壓力一定和閥處于關閉狀態下通過閥座泄漏的流量”的理論基礎，不同上游壓力下的閥座泄漏量之比應是同一狀態下通過閥座的介質流量之比。綜上所述，結合標準GB/T 4213—2008中氣體流量的計算公式[8]，可推導出高壓氣體試驗條件下的閥座泄漏量與0.35 MPa相同氣體介質下測得的閥座泄漏量的計算關系式：

(3)

(4)

(5)

式中：LH為高壓氣體測試時的閥座泄漏量；L0.35為0.35 MPa氣體測試時的閥座泄漏量；PH為高壓氣體試驗壓力(表壓)；P0.35為0.35 MPa氣體試驗壓力；X為壓差與入口絕對壓力之比；XT為壓差比系數;K為高壓測試滿足X>XT且0.35 MPa測試滿足X

標準GB/T 4213—2008中提到規定溫度范圍內空氣比熱比系數Fr為1。以空氣或氮氣為試驗介質，當試驗壓力為0.35 MPa時，壓差與入口絕對壓力之比X為0.78，根據標準IEC 60534-2-1:2011[9]規定的典型壓差比系數XT描述(除V型閥芯球閥和錐形針狀球閥的壓差比系數XT為0.84外，其余結構控制閥的XT均不大于0.75)。由此可知，當空氣試驗壓力為0.35 MPa時，閥座泄漏量按GB/T 4213—2008中X>XT對應的公式計算。當空氣試驗壓力≥0.6 MPa時，壓差與入口絕對壓力之比X≥0.86，即大于標準IEC 60534-2-1:2011中規定的典型結構控制閥的XT值，高壓氣體閥座泄漏量(流量)也應采用X>XT對應的公式計算，其與用0.35 MPa氣體介質測試時的計算公式一致(均屬于X>XT條件)，故可推導出高壓氣體測試時閥座的泄漏量LH與0.35 MPa氣體測試時閥座的泄漏量(流量)L0.35的計算關系如式(3)所示。對于0.35 MPa氣體測試時X

綜上所述：①當高壓差與0.35 MPa測試條件均滿足X>XT時，絕大多數控制閥在高壓氣體(或設計壓差≥0.6 MPa)閥座泄漏量測試時，LH等于高壓氣體測試壓力與0.35 MPa的比值再乘以表1中規定的泄漏量L0.35，即ANSI FCI 70-2:2013規定的標準值或當口徑大于NPS16時的泄漏量計算值，高壓時與0.35 MPa時的閥座泄漏量之比等于相應測試壓力之比。②當高壓測試滿足X>XT且0.35 MPa測試滿足X

3 啟閉動作后控制閥泄漏失效分析

現有國內外控制閥標準(例如GB/T 4213—2008)中僅規定了初始時閥座泄漏量測試與部分指標。對于啟閉動作后閥座泄漏量的測試并無規定，已不能滿足使用工況對控制閥產品高可靠性指標的要求。以下分別對開關型和調節型控制閥在啟閉動作后的泄漏失效問題進行分析與研究。

3.1 開關型控制閥泄漏失效分析

在管道系統中，開關型(切斷型)控制閥一般只起介質切斷或隔離作用，其閥座密封性尤為重要。閥座疲勞失效導致的輸送介質大量泄漏，將會帶來能源損失或者事故。因此，制造廠設計與測試驗證時一般選擇較高的泄漏等級，如ANSI FCI 70-2:2013中的V級、Ⅵ級或ISO 5208:2015中的B級、AA級(甚至A級)，所有軟密封閥座均為A級(即無可見泄漏)。

目前，國內外關于開關型控制閥的標準、技術規范較少，基本沒有關于開關型控制閥疲勞測試與失效的明確規定和指標。實際使用過程中反饋的大量的開關型控制閥的閥座泄漏失效，是由磨損、變形等疲勞所致。這與石油化工等領域對高質量、長壽命的控制閥產品的迫切需求相矛盾。因此，開關型控制閥標準、技術規范的制定、完善，對于開關型控制閥泄漏失效的研究非常重要。

對于開關型控制閥(如O型球閥)，除高頻工況使用外，根據使用年限和每年開關頻率等要求，一般會選擇不少于200次啟閉循環作為疲勞測試的基本要求。例如，MESC SPE 77-312-2017[10]中規定了控制閥進行500次機械循環后測量泄漏量的要求。本文對軟密封開關型控制球閥進行了500次啟閉動作測試與研究。軟密封開關型控制球閥閥座磨損失效情況如圖1所示。

圖1 軟密封開關型控制球閥閥座磨損失效情況

開關型控制球閥經過500次啟閉動作測試后，在該球閥的閥體流道內出現了大量白色碎屑(閥座PTFE材質顆粒)。經設計審查與材質分析，這是由啟閉動作測試過程中球體與閥座的摩擦磨損所致。該控制球閥出廠按ANSI FCI 70-2:2013中Ⅵ級設計，啟閉動作測試前閥座泄漏量測試為0氣泡/min，測試后閥座泄漏量測試結果為大量泄漏、閥座上游試驗壓力無法維持。該結果表明，經過500次啟閉動作測試后，閥座產生了明顯磨損、變形損壞。

3.2 調節型控制閥泄漏失效分析

調節型控制閥在管道系統中，基本上處于行程調節變化狀態(例如50%～80%行程的調節中)，類似于疲勞測試過程，易產生閥座疲勞失效，導致泄漏。據統計，用戶報修、報廢或返廠返修的控制閥中，閥座泄漏失效故障所占比重較大，多數是由疲勞失效引起閥座/閥芯磨損等問題所致。

GB/T 4213—2008等標準中規定了2 500～160 000次(或按用戶要求)的控制閥動作壽命疲勞測試要求，但并無規定啟閉動作結束后的閥座泄漏量測試要求。這與截止型控制閥的普遍應用、測試方法等有關。截止型控制閥疲勞測試過程(一般行程在20%～80%間變化)中閥芯與閥座不接觸，故認為疲勞測試中閥座不會受到磨損等損壞，而考慮填料函及其他連接處的密封性。綜上可知，GB/T 4213—2008規定的動作壽命疲勞測試存在調節型控制閥中的產品限制適用性問題，且未考慮工況中不同種類調節型控制閥的應用，以及介質沖刷、磨損等因素對閥座泄漏量的影響。因此，標準中該技術要求明顯不能滿足工況要求，亟待標準完善與產品技術突破，解決使用過程中頻繁開關或行程變化等疲勞引發的閥座泄漏失效問題。

調節型控制閥使用過程中出現的閥座泄漏失效，多數由摩擦磨損、結構設計不當、選材不合理、閥座/閥芯材質配對不合理、使用工況不當、介質沖刷等因素所致。以硬密封調節型控制蝶閥為例，對其進行4 000次啟閉動作測試后。硬密封調節型控制蝶閥閥座磨損失效情況如圖2所示。

圖2 硬密封調節型控制蝶閥閥座磨損失效情況

硬密封調節型控制蝶閥經過4 000次啟閉動作測試后，閥座金屬密封圈發生了翹起變形，翹起部位表面發生了磨損。該產品疲勞測試開始前閥座泄漏量測試是7氣泡/min，4 000次啟閉動作測試后的閥座泄漏量測試表明已產生大量泄漏、試驗壓力無法維持，即該閥座已經泄漏失效。

4 結論

目前，NPS16以上大口徑控制閥在石油化工等管道系統中的使用已比較普遍，工況中介質流動壓力多數遠大于0.35 MPa，且用戶提供給制造廠的故障返修的控制閥閥座泄漏失效案例中，凸顯了現有控制閥標準對閥座泄漏量指標與啟閉動作后閥座泄漏失效等技術要求方面的不足。本文提出的Ⅵ級泄漏量NPS16以上大口徑控制閥閥座泄漏量計算方法、高壓差氣體測試時Ⅵ級閥座泄漏量的計算方法以及啟閉動作后閥座泄漏的失效分析，填補了這方面技術的缺失，為完善控制閥標準體系提供了技術支撐，為Ⅵ級大口徑控制閥和控制閥高壓差氣體介質等條件下的閥座泄漏測試與驗收提供了科學依據。