繆克在，陳鳳兒，張 帆，李海聰

（1.浙江省泵閥產品質量檢驗中心，浙江 永嘉 325105；2.龍灣區(qū)疾病預防控制中心，浙江 溫州 325000）

據(jù)統(tǒng)計，在國內外大型化工、煉化企業(yè)氣體泄漏事件中，因閥門導致的逸散泄漏超過60%。氣體逸散泄漏會造成大量的能源損失，不僅污染環(huán)境，甚至還會引起密封失效、安全事故與職業(yè)健康危害。閥門逸散泄漏測試（真空測試）是有效檢出閥門微觀泄漏的方法之一，是在規(guī)定真空條件下，利用示漏氣體（如惰性氣體氦氣或甲烷）檢測通過閥體、閥座或填料密封處的裂縫、小孔或間隙等部位的泄漏率。通過閥門逸散泄漏測試，可促進閥門低泄漏產品的開發(fā)，通過檢維修實現(xiàn)產品的低泄漏，有效降低泄漏率。

目前，國內外文獻多集中于介紹閥門逸散泄漏測試方法、應用及相關要求［1-5］，相關標準包括GB/T 26481—2011 《閥門的逸散性試驗》［6］、ISO 15848-1—2015 “Industrial Valves—Measurement，Test and Qualification Procedures for Fugitive Emissions—Part 1：Classification System and Qualification Procedures for Type Testing of Valves”［7］、ISO 15848-2—2015 “Industrial Valves—Measurement Test and Qualification Procedures for Fugitive Emissions—Part 2：Production Acceptance Test of Valves”［8］、ASME BPVC.V—2019“Boiler and Pressure Vessel Code”［9］、BS EN 1779—1999 “Non-destructive Testing—Leak Testing—Criteria for Method and Technique Selection”［10］、VDI 2440—2021 “E-mission Control Mineral Oil Refineries”［11］等。而對于影響閥門逸散泄漏測試結果準確性的泄漏形式、閥門泄漏測試方式、逸散泄漏測試中示漏氣體的泄漏率轉換等方面的研究報道較少。逸散泄漏測試過程中常用的示漏氣體甲烷具有易燃、易爆屬性，使測試過程存在極高的危險性。文中對逸散泄漏形式、閥門逸散泄漏測試方法、示漏氣體泄漏率轉換進行了分析研究，使采用惰性氣體替代甲烷作為示漏氣體進行逸散泄漏測試成為可能，可極大降低測試危險性，解決國際標準間的技術差異問題（如API 622—2018“Type Testing of Process Valve Packing for Fugitive Emission”［12］、API 624—2014“Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions”［13］、API 641—2016 “Type Testing of Quarter-turn Valves for Fugitive Emission”［14］等 API 系列標準規(guī)定的示漏氣體為甲烷，而ISO 15848-1—2015、GB/T 26481—2011等標準中規(guī)定常用示漏氣體為氦氣），促進我國閥門產品出口貿易。

1 影響閥門逸散泄漏測試結果準確性的泄漏形式

影響閥門逸散泄漏測試結果準確性的泄漏形式主要分為 3種［15］：①實漏，即氣體通過較大或宏觀可見的裂紋或空隙的泄漏。②虛漏，即由于揮發(fā)性物質（如氣體）的放出而進入真空系統(tǒng)或封閉容器內的泄漏。③滲漏，即氣體從密度大的一側通過固體結構材料（如橡膠）上的微孔向密度小的一側滲透、擴散、通過引起的泄漏。閥門逸散泄漏測試主要研究實漏產生的影響，應避免虛漏、減少滲漏對檢測結果的影響。

針對上述3種泄漏形式，閥門逸散泄漏測試中應重點考慮以下幾個方面：①優(yōu)化閥門設計和零部件材料選擇，盡量減少虛漏的發(fā)生。②在閥門內部充氣到檢漏過程中，閥門泄漏率是不斷變化的，檢漏時間的選擇對于測試結果的影響很大。檢漏時間取決于示漏氣體對閥門密封材料的滲漏率和閥門的結構形式，應盡可能在滲漏對測試結果產生影響前對實際泄漏率進行測試，一般從閥門充氣到檢漏時間不宜大于30 s，超過30 s可能會導致某些閥門的泄漏無法檢出。

2 閥門逸散泄漏測試方法

2.1 閥座逸散泄漏測試

閥座逸散泄漏測試系統(tǒng)的真空度一般要求小于等于1 kPa，也可按用戶的要求設置。示漏氣體一般選擇氦氣或甲烷，當示漏氣體質量分數(shù)低于100%時，應進行修正。示漏氣體壓力為100 kPa或被測閥的設計最大允許工作壓力，壓力允許偏差為±5%。檢漏時間一般小于30 s。

閥座逸散泄漏測試原理及裝置組成見圖1。測試時將部分開啟的被測閥固定安裝且兩端用盲板封閉，一端連接檢漏儀，另一端連接示漏氣體。若閥門口徑大于DN200 mm，宜增加真空泵。用檢漏儀或真空泵將被測閥抽真空后關閉被測閥，在連接示漏氣體的一端通入示漏氣體，在規(guī)定時間內，通過檢漏儀測出閥座泄漏率。也可采用噴吹法［3］進行閥座逸散泄漏測試，該測試較易實施，但定量性差，一般用于定性或比對測試。

圖1 閥座逸散泄漏測試原理及裝置組成

2.2 閥體逸散泄漏測試

閥體（含閥桿填料部位）逸散泄漏測試系統(tǒng)的真空度一般要求小于等于1 kPa，也可按用戶的要求設置。示漏氣體一般選擇氦氣或甲烷，當示漏氣體質量分數(shù)低于100%時，應進行修正。示漏氣體壓力為100 kPa，壓力允許偏差為±5%。檢漏時間一般小于30 s。

閥體逸散泄漏測試原理及裝置組成見圖2。測試時將部分開啟的被測閥置于1個封閉容器內固定安裝，兩端用盲板封閉，一端盲板上需開通孔并連接檢漏儀，密閉容器與示漏氣體、真空泵相連接。真空泵用于將容器抽真空，可有效保證測試時示漏氣體的純度。用檢漏儀或真空泵將被測閥抽真空后，向容器內通入示漏氣體，在規(guī)定時間內通過檢漏儀測出閥體整體（含閥桿密封部位）的動態(tài)泄漏率，動態(tài)指測試時閥門處于啟閉動作狀態(tài)。

圖2 閥體逸散泄漏測試原理及裝置組成

若需對體蓋連接、閥桿密封等零部件的裂縫、小孔或漏孔等泄漏部位進行定位分析，可采用真空罩法［3］對閥體局部進行定位測試，或采用噴吹法進行測試。部分閥門可能因結構、尺寸等原因無法整體置于密閉容器內，或置于密閉容器內無法啟閉操作閥門，此時可采用噴吹法或局部真空罩法對閥體外表面進行測試。

3 示漏氣體泄漏率轉換

用于閥門逸散泄漏測試的常見示漏氣體為氦氣和甲烷，其純度一般要求大于97%。當采用質量分數(shù)泄漏率進行標定時，對于氦氣與甲烷之間的泄漏率相關性，主要考慮氣體分子量、氣體黏度、氣體壓差、測試系統(tǒng)中絕對壓力、泄漏路徑的截面尺寸與長度以及氣體溫度這6個因素。在閥門逸散泄漏檢測過程中，可認為上述后4種因素為常量，因此根據(jù)氣體分子量和氣體黏度這2個影響因素，可將真空條件下的泄漏形式劃分為分子泄漏、過渡性泄漏和黏性泄漏。

分子泄漏是指2種氣體的平均自由程大于泄漏通道的橫截面尺寸，多發(fā)生于試驗氣體流量極小的真空系統(tǒng)中。當發(fā)生分子泄漏時，氦氣與甲烷的泄漏率換算公式如下：

式中，LM為甲烷等效泄漏率，LH為氦氣測量泄漏率，mL/m3；MM為甲烷分子量；MH為氦氣分子量。

過渡性泄漏是指2種氣體的平均自由程約等于泄漏通道的橫截面尺寸，多發(fā)生于分子泄漏與黏性泄漏（層流）的中間段，且分子泄漏與過渡性泄漏的過渡是呈梯度變化的。當發(fā)生過渡性泄漏時，氦氣與甲烷的泄漏率換算公式如下：

式中，TM為甲烷絕對溫度，TH為氦氣絕對溫度，K。

黏性泄漏是指2種氣體的平均自由程小于泄漏通道的橫截面尺寸，多發(fā)生于高壓系統(tǒng)和采用嗅探法（或吸槍法）測量泄漏時，且隨著流動氣體介質黏度的增加，泄漏會從層流向紊流轉變。層流時氣體流動呈直線路徑，紊流時氣體流動呈雜亂不穩(wěn)定狀態(tài)。當發(fā)生黏性泄漏時，氦氣與甲烷的泄漏率換算公式如下：

式中，υM為甲烷的運動黏度，υH為氦氣的運動黏度，m2/s。

綜上分析，采用真空法進行閥門逸散泄漏測試時，閥門泄漏與分子泄漏最為相近，主要應考慮分子泄漏，示漏氣體間泄漏率的轉換可按式（1）進行；采用吸槍法進行閥門逸散泄漏測試時，可認為閥門泄漏是黏性泄漏，示漏氣體間泄漏率的轉換可按式（3）進行。因此，在設計閥門逸散泄漏測試試驗時，可考慮采用較為安全的氦氣替代甲烷作為示漏氣體，測出結果后，再通過泄漏率轉換關系式，計算出相同條件下的甲烷作為示漏氣體時的泄漏率。在準確性滿足要求的前提下，此方法可減少試驗數(shù)量、節(jié)約成本，同時大幅提高試驗安全性，避免測試過程中燃爆事故的發(fā)生。

4 結語

閥門逸散泄漏測試可同時評定閥座（內漏）和閥體（外漏）的逸散泄漏性能。隨著石化領域閥門逸散泄漏與密封結構研究的深入，以及逸散泄漏測試的廣泛應用，國內外大型化工、煉化企業(yè)的氣體泄漏得到了有效控制。隨著用戶對閥門泄漏等級要求的日益嚴格，閥門（含閥座和閥體）的逸散泄漏性能要求已被列入產品采購時的關鍵技術指標。閥門逸散泄漏測試方法與裝置的提出，為提高閥門逸散泄漏檢測結果準確性、降低逸散泄漏率、改善產品質量提供了可靠性依據(jù)。提出的示漏氣體間的泄漏率轉換原理及公式，為合理選擇示漏氣體、提高測試安全提供了解決方案。