閥座氣泡泄漏檢測與激光對射裝置研究

繆克在,金靖斌,方 威,李海聰,陳敬秒

(1.浙江省泵閥產品質量檢驗中心,浙江 溫州 325105;2.蘇州西瑪流體科技有限公司,江蘇 蘇州 215000;3.溫州系統流程裝備科學研究院,浙江 溫州 325105)

0 引言

泄漏、腐蝕與磨損是導致閥門故障或損壞的3大主要因素。泄漏是閥門設計制造、檢維修過程的重點考慮要素之一。在石油化工、電力、冶金等領域,閥門閥座泄漏經常發生,因而備受關注。石油化工管路系統中,閥門閥座泄漏不僅會引起物料流失、交叉污染,還會造成化工廠的停工、停產甚至危險事故,導致大量的經濟損失與危害。

國內外學者、閥門廠家對閥座設計、閥座泄漏機理等進行了大量的研究,得出了閥座泄漏與閥座、閥芯幾何結構設計、選材、執行機構的關斷力、不平衡力、尺寸配合等因素存在聯系的結論[1-3]。但以往研究多集中于閥座設計、制造過程,對于閥座泄漏自動氣泡檢測裝置與測試方法的研究相對較少。對于金屬密封閥座通用閥門或控制閥的閥座泄漏,多數企業仍采用人工數氣泡法或排液集氣法的測量方式。這些方式存在測量效率低、測量結果誤差大的問題。國內外標準(如API 598-2016[4]、IEC 60534-4:2021[5]等)在數氣泡法簡易裝置相同或相近的情況下,給出的氣泡數與泄漏體積或容積的換算結果不一致。這也成為亟待解決的主要問題。

本文通過對比國內外標準,對金屬密封的通用閥門與控制閥的閥座泄漏指標差異、不同氣體泄漏率的換算關系,以及不同測試壓力下閥座泄漏量的換算關系等進行了研究。本文設計了基于激光對射的自動氣泡泄漏檢測裝置,并通過該裝置對閥座泄漏機理等進行了深入的研究。本文結合質量流量計計量、集體排水法等,對上述裝置開展試驗,從而對以下方面進行了研究:①基于激光對射的氣泡泄漏檢測裝置設計與測量穩定性;②激光對射泄漏檢測時氣泡形成速率與單個氣泡體積的關系;③國內外標準中規定氣泡數與氣體泄漏體積換算關系的準確性。

1 閥座氣泡泄漏分析

閥座氣泡泄漏產生的前提條件是閥座泄漏壓力大于等于顯示液發生水中冒泡的臨界壓力。該臨界壓力數值為當地大氣壓力、測試管液柱高度產生的壓力以及液體表面張力產生的壓力之和。國內外文獻、標準[4-7]中,通常將通用閥門與控制閥分為兩大類,但極少有關于通用閥門與控制閥性能差異的研究。石油石化系統中將通用閥門歸為工藝閥門、控制閥歸為儀表閥門。控制閥不是簡單地將閥、執行機構及其他附件進行組合或拼裝。兩者在結構與性能方面均存在差異。

為了深入研究通用閥門與控制閥閥座泄漏性能差異,本文對比了除止回閥以外的金屬密封通用閥門與VI級控制閥的閥座氣泡泄漏指標。

通用閥門與控制閥閥座泄漏量對比如表1所示。

表1 通用閥門與控制閥閥座泄漏量對比

由表1可得以下結論。

①公稱直徑(nominal diameter,DN)不大于DN50或不小于DN150時,金屬密封通用閥門的閥座泄漏量要小于VI級控制閥的閥座泄漏量。隨著DN的增大,金屬密封通用閥門與VI級控制閥的閥座泄漏量指標的差別越來越大。這與控制閥尺寸加大后,閥體、閥芯、連接驅動部件如閥桿以及執行機構之間的配合難度加大、配合間隙增加、閥座與關閉件的密封角或接觸面積設計等密切相關。

②DN在DN65～DN100時,按閥座泄漏氣泡數計算,止回閥除外的金屬密封通用閥門的閥座泄漏量要大于VI級控制閥閥座泄漏量。這可能與API 598-2016中闡述的閥座泄漏氣泡數與泄漏體積的換算比1 mL等于100氣泡有關。若按體積漏率計算,則結果相反。

綜上可知,國內外標準中規定的止回閥除外的金屬密封通用閥門的閥座氣泡泄漏量一般要小于控制閥閥座氣泡泄漏量。

2 泄漏檢測裝置設計與測量穩定性

基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置包括激光對射裝置、容積罐、檢漏管、氣泡計數器、定時器、安裝臺、連接管與閥等部件。其中,檢漏管采用外徑6 mm、壁厚1 mm的光滑管。該裝置原理為通過激光對水或其他液體介質與氣泡的反射率/折射率的不同進行氣泡數的采集計數。當有氣泡產生并通過時,激光發射光被遮擋,激光接收端未能接收到激光光線。未接收1次計數為1,依次累加。為了研究基于激光對射的氣泡泄漏檢測裝置的測量穩定性,本文對6氣泡/s以下的不同氣泡形成數速率、不同設定時間(15～180 s)等參數進行了組合試驗。

基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置結構如圖1所示。

圖1 基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置結構示意圖

激光對射泄漏檢測裝置對閥座泄漏檢測過程的氣泡形成速率穩定性測量結果如表2所示。

通過對激光對射氣泡泄漏檢測裝置的穩定性進行分析研究,可以得出以下結論。

①表2中:σ的最大值1.11%出現在設定氣泡形成速率不大于1氣泡/s的測試過程。隨著設定氣泡形成速率的增加,σ呈逐漸變小趨勢,且速率大于1氣泡/s后的σ均小于0.7%。以上結果說明了激光對射氣泡泄漏檢測裝置在多個設定氣泡形成速率條件下具有優越的多值重復測量穩定性。

②本文設偏差μ為在同一設定氣泡形成速率情況下等于氣泡的最大值減去最小值并除以其平均值。表2中計算得到的μ均小于1.5%,即最大值為1.39%、最小值為0.37%。隨著設定氣泡形成速率的增加,μ呈逐漸減少趨勢。這體現了激光對射氣泡泄漏檢測裝置在單個氣泡形成速率條件下具有優越的單值重復測量穩定性。

3 氣泡形成速率與單個氣泡的關系

文獻[4]～文獻[7]中,描述的泄漏氣體體積與氣泡數一般規定為某一常數。這與文獻[8]中闡述的“氣泡上升速度與氣泡半徑的平方成正比”相矛盾。為此,本文研究激光對射氣泡泄漏檢測過程中氣泡形成速率與單個氣泡的關系。

本文采用了基于激光對射的氣泡泄漏檢測裝置、被測針形閥、微壓調節閥、數顯壓力表、集體排水量具、質量流量計等組成的測試單元,在給定的測試時間(60 s)內,對不同設定氣泡形成速率區間內的氣泡形成速率對單個氣泡體積的影響關系進行了研究。

通過數值統計計算軟件對表3中的單個氣泡體積、閥座氣泡泄漏速率進行了2階多項式算法擬合回歸,以形成趨勢線。R2為趨勢線擬合程度指標。該指標為0～1之間的數值,反映趨勢線的估計值與對應的實際數據之間的擬合程度。R2越大,則趨勢線的可靠性越高。

表3 閥座氣泡泄漏速率與單個氣泡體積測試結果

基于激光對射的氣泡泄漏檢測方法的閥座氣泡泄漏速率與單個氣泡體積測試結果如表3所示。

閥座泄漏速率-單個氣泡體積關系趨勢曲線如圖2所示。

圖2 閥座泄漏速率-單個氣泡體積關系趨勢曲線

由表3、圖2可得以下結論。

①單個氣泡體積與氣泡形成速率或閥座氣泡泄漏速率成正比關系,即通過閥座泄漏的氣體體積與氣泡數的換算關系應是個變量。因為隨著閥座氣泡泄漏速率的增大,單個氣泡體積或氣泡半徑也會增大,那么一定氣體體積與氣泡數的換算系數也會隨著氣泡泄漏速率的增大而變小。該結論進一步驗證了文獻[8]描述的“氣泡泄漏速率與氣泡半徑成正比”論述的準確性。

②當設定氣泡形成速率為(0,3]氣泡/s時,單個氣泡體積約等于0.15 mL。

③當氣泡形成速率為10.818氣泡/s時,趨勢線擬合程度指標R2達到0.995,表明擬合可靠性非常好。當設定氣泡形成速率大于8.18氣泡/s時,趨勢線擬合程度指標R2呈下降趨勢。因此,不建議R2小于0.98的應用,即不建議將激光對射泄漏檢測裝置用于氣泡形成速率大于10氣泡/s的氣泡泄漏檢測應用。這是因為該應用可能會帶來較為明顯的測量不準確性。

4 氣體泄漏體積換算關系的準確性

為了提升閥座氣泡泄漏測量結果表征的準確性,以及便于閥門廠家、用戶等對標準中規定氣泡數與氣體泄漏體積換算關系的合理運用,本節結合第3節中基于激光對射的氣泡泄漏檢測的分析,對現有國內外閥門標準中涉及的內容進行了以下比對研究。

①API598-2016規定:當介質為空氣時,1氣泡=0.01 mL;當采用一個管內徑為2～4 mm的管進入水中時,其插入水中深度為3～6 mm;管端應切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

②MESC SPE 77/300-2012[9]規定:介質為空氣時,1氣泡=0.3 mL空氣;采用管壁厚1 mm、內徑4 mm的6 mm管浸入水中5～10 mm;管端應切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

③IEC 60534-4-2021規定:介質為空氣時,1氣泡=0.15 mL;采用管壁厚1 mm、內徑4 mm的6 mm管浸入水中5～10 mm;管端應切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

④ANSI FCI 70-2-2013規定:介質為空氣時,1氣泡=0.15 mL;采用管壁厚1 mm、內徑4 mm的6 mm管浸入水中3～6 mm;管端應切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

經分析可知,上述4項標準采用的測試管內徑基本相同、測試管浸入水中深度相近,但氣泡數與泄漏體積之間的換算關系卻不同。這明顯是不合理的。這種不合理的前提是對測試管漏孔出口周邊上的液體表面張力產生的壓力對氣泡形成及速率的影響、測試管漏孔上方液柱高度產生的壓力對氣泡形成及速率的影響等因素忽略不計。

針對上述不合理現象,結合第3節的分析與驗證,本文分析如下。

①在氣泡形成速率≤3氣泡/s情況下,IEC 60534-4:2021規定的氣泡數與氣體泄漏體積的換算關系為1氣泡=0.15 mL更為科學合理。

②API 598-2016或MESC SPE 77/300-2012標準規定的氣泡數與氣體泄漏體積的換算關系應限定為明確的條件使用或不建議采用。

③測試管浸入水中深度5～10 mm更為合理。這樣既可以避免氣體泄漏飛濺,又可以避免采用集氣排水法測量時,檢驗員手持量筒上下輕微移動帶來的不確定性。

④建議國內外標準體系統一規定氣泡泄漏檢測測試管規格如外徑6 mm、壁厚1 mm,以便實現標準的國際化并軌實施與產品的規范性。

此外,相同泄漏檢測氣體、不同壓力或溫度時,閥座氣體泄漏量換算建議參考IEC 60534-4:2021以及文獻[10]。相同溫度與壓力、不同泄漏檢測氣體時閥座氣體泄漏量的換算建議參考文獻[8]。泄漏量與檢漏氣體的粘滯系數成反比。

5 結論

石油石化、電力等系統中閥門閥座泄漏頻繁發生,凸顯了提升閥座密封性能、閥座泄漏檢測、優化標準規定等方面的重要性。本文通過基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置的設計與科學試驗,對激光對射的氣泡泄漏檢測裝置的測量穩定性、激光對射泄漏檢測時氣泡形成速率或泄漏速率與單個氣泡體積的關系、國內外標準中規定氣泡數與氣體泄漏體積換算關系的準確性等進行研究,得出了激光對射的氣泡泄漏檢測裝置擁有優越的測量穩定性、氣泡形成速率與單個氣泡體積成正比等重要結論。本文指出了國內外標準中關于氣泡數與氣體泄漏體積換算關系的不合理之處,并基于激光對射閥座氣泡泄漏檢測試驗分析結果提出了科學的應用建議,以及不同溫度、壓力和泄漏檢測氣體時閥座氣體泄漏量之間換算的參考建議。本文為完善閥座氣泡泄漏機理的研究、豐富閥座氣泡泄漏檢測技術、提升泄漏檢測效率與準確性、縮小國內外閥門產品差距以及國家標準修訂提供了技術支持。