燃气具气密性检测压力要求的识别和处置

林川红

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

在我国的能源供应结构中，燃气是化石能源中增长最快的种类，燃气具有一系列优点，包括可以利用管道输送使用便利，燃烧过程生成的二氧化碳和污染物排放量较少，以及燃烧过程热效率较高等等，因此在城镇居民生活用燃料领域正在快速取代燃煤。同时，燃气具的产品安全问题也成为燃气具制造企业面临的重大挑战。燃气具产品安全管理中通常燃气安全是需要优先处理的问题，燃气安全风险主要燃气泄漏和烟气中毒等，燃气泄漏造成的影响包括着火、爆炸、中毒等，解决燃气泄漏问题作为控制措施对燃气具泄漏风险的控制措施，在制造过程的检漏是关键的产品安全控制措施。

就燃气具安全设计课题而言，重点是防止燃气在器具内出现泄漏后在内部某些区域形成较高的浓度，理论上在燃气浓度低于爆炸下限值的条件下，不会造成着火、爆炸危险，据此，在工程实践中将燃气浓度限制在爆炸浓度下限的1/3以下，一般认为是可以接受的燃气泄漏水平。目前，燃气具的安全标准通常将此项准则作为规定泄漏水平的基本条件。

由于燃气具内部的燃气管道和与燃烧相关的结构中不可避免存在密封结构，密封结构存在泄漏现象是不可避免的，因此，燃气泄漏的控制要求就是将泄漏水平约束在安全标准规定的范围内。所以，在燃气具安全性管理范畴，所谓“泄漏”是描述处于不可接受水平的状态，而“无泄漏”则是指泄漏水平处于可接受状态[1]。为保证燃气具产品满足燃气泄漏控制的要求，市场准入要求规定燃气具在整机装配过程中，必须进行检漏，对关键部位的泄漏水平进行检测。本文对燃气密封机理的分析，并探讨合理的燃气泄漏的检测方法。

1 泄漏机理和特性

1.1 强制密封和自紧密封

由于燃气具内部的燃气压力高于环境压力，因此燃气系统的是燃气向外部流动的过程，在燃气系统出现漏孔的情况下，燃气将从漏孔流出，泄漏是存在压力差和漏孔而导致的结果。造成产品泄漏的原因很多：有设计方面的原因，如材料选择不合适，密封结构形式的设计，部件安装之间的密封性等等，都会产生泄漏[1]。对于燃气具来说，其泄漏是属于气体泄漏，由于直接测量气体的质量比较困难，气体的压力和气体的体积测量却是非常方便，因此气体漏孔的漏率一般就用单位时间内流过漏孔的气体量来表示。

燃气具的密封结构，从类型区分有强制密封和自紧密封，而造成泄漏的原因，通常是结构部件存在缺陷或密封结构存在缺陷，这些缺陷形成了燃气泄漏通道，即漏孔。结构缺陷是阀体、管道或其他金属或非金属材料气孔结构缺陷；强制密封是利用外部施加的密封作用力实现密封结构，其中密封结构面或密封材料自身结构缺或结合处的缺陷：自紧密封利用流体形成的压力差而实现密封的方式，相应地的自紧密封缺陷是燃气系统中使用的密封部件，例如电磁阀的阀芯密封面与阀座之间的密封缺陷[2]。

气体泄漏检测的方法有多种，它们的原理、使用条件和适应范围等既有相同之处，又有许多不之处。习惯上按照泄漏检测时被检件内部所处的状态，将泄漏检测方法分为两类：加压检漏法和真空检漏法[3]，燃气具行业基本上使用加压检漏法来检测产品的燃气泄漏水平。燃气具燃气泄漏包括燃气具本体的燃气管道及燃气控制阀到燃烧器喷气管的喷嘴前的整个气路，在燃气具使用和不使用的两种状态下，发生的燃气气体泄漏的情况。针对燃气具的泄漏检测，需要针对各种密封类型的泄漏特性考虑，泄漏特性主要是泄漏量与压力之间的定量关系。

1.2 泄漏特性分析

1）结构缺陷泄漏特性

燃气具的管路设计：市面上使用的燃气具，普遍采用管路（进气阀体或气管）、燃气控制阀（电磁阀）、燃烧器喷气管（包含喷嘴）组成，这里面不例外的也就先天包含了各类缺陷。结构部件在制造过程中无法完全避免存在结构缺陷，一些漏孔是内部微观裂纹由于应力包括时效等因素扩展形成的，换言之，漏孔其实就是贯穿的裂纹。在存在压力差的情况下，燃气通过漏孔流出，压力越大，泄漏量就越大。对泄漏率与压力差之间定量分析的结果，两者存在近似的线性关系。

2）强制密封缺陷泄漏特性

在燃气具内部的连接结构几乎都采用强制密封方式，强制密封的密封性能，主要取决于密封结构和和密封件的参数，这类密封的漏孔与结构缺陷类似，在施加必要的预紧力条件下，密封结构具有与结构缺陷相同的泄漏特性。

阀体或腔体的强制密封，无论是什么结构的控制阀，在控制阀开启的情况下，拧紧中法兰螺栓，对密封件施加压紧力，预紧的件受到压缩，密封面上凹凸不平的微隙被填满，这样就阻止流体泄漏，形成了初始密封条件——密封面上形成预紧比压。当流体压力上升，使密封面上的工作密封比压始终大于流体压力时，则密封面保持良好的密封状态。可见，强制密封的必要条件，是在流体压力作用下，密封面上仍能保持一定的残余压紧力。应强调指出的是：强制密封中，流体压力总是趋向于减小预紧密封比压降低密封性能，这时的强制密封，是有效密封。在强制密封的有效范围内，其漏率与压力关系是正比关系，压力越大，漏率越大。

3）自紧密封缺陷泄漏特性

自紧密封是利用流体压力，在密封面上形成压紧力从而实现密封的类型。在自紧密封过程中，流体压力总是趋向于增大比压提高密封性能，除非超过密封结构强度，这样的特性与强制密封过程恰好相反。常见的家用燃气具电磁截止阀，具有燃气压力不减少气密力的特性，属于采用自紧式密封结构的类型。

图1所示为典型的利用空气作为检漏流体对电磁截止阀的具有自紧式密封结构的泄漏原理。自紧密封面结构与被密封面位置如图1（a）所示，如果其流体通道中的进气方向在阀的自紧密封面背部，则当电磁阀断电情况下，腔体的气密性检测，只能检测由进气口A到密封面之间的部份，这时检测流体的压力越大，流体压力总是趋于增加预紧密封比压，提高了密封性能。流体压力愈高，工作密封比压就愈大，密封性能愈好，因此这种情况下，无法检测自紧密封结构的泄漏，检测结果为密封面结构缺陷的泄漏水平。图1（b）是控制阀开阀时气路的流向。对这类电磁截止磁阀的密封结构检测不能采用这种加压方式，必须将加压的方向掉转。

另一类电磁截止阀的自紧密封结构如图1（c）所示，如果检测流体通道中的进气方向在控制阀体的自紧密封面正部，当电磁阀断电情况下，对腔体的气密性检测，只能检测由进气口A到密封面之间的部份，这时检测掉转流体的压力越大，工作密封比压就愈小，密封性能愈差，当检测压力超过某一范围情况下，密封结构失效，图1（d）是控制阀开阀时气路的流向。显然，对于这类结构的电磁截止阀采用这样的加压方式也是无法检测自紧密封结构的泄漏情况。

对于自紧密封结构的泄漏检测，有明确的加压方向要求，若加压方向与密封预紧的方向相同，流体压力越大，密封效果越好，泄漏率越小，因此无法检测在正常使用条件下存在的密封缺陷。只有加压方向与正常使用情况下燃气进气方向一致，才能检测密封缺陷，同时，施加的压力一旦明显超过正常工作压力，密封作用将失效，检测失去意义。

结构密封结构缺陷、强制密封结构缺陷的泄漏特性是相同，泄漏率与燃气压力呈近似线性关系，显然较高的检测压力会导致较大的泄漏率，而自紧密封缺陷的泄漏特性恰恰相反，当燃气压力高于正常使用的范围，燃气压力越高泄漏率就越小，因此，有效检出泄漏需要较低的检测压力。

图1 具有自紧密封结构的电磁截止阀

2 燃气具标准要求

2.1 标准要求

国内外燃气具标准对气密性检测要求见表1。从表1可见，除GB 25034-2010规定对某些密封阀门采用0.6 kPa压力检测之外，整机均要求用4.2～15 kPa压力进行检测。对于一般的结构缺陷和强制密封缺陷，4.2～15 kPa压力进行检测是有效的，而且较高的检测压力对提高泄漏缺陷的检出能力是有利的。但是，由于具有自紧密封结构特性的密封部位却是由于检测压力的提高而无法检出其缺陷，因此采用0.6 kPa压力进行检测就成为具有重要意义的补充。另外，CJ/T 346-2010要求对内部以两种压力分别进行检测也体现了类似的原则。

2.2 气密性检测准则

通过对国内外燃气具标准的气密性相关的检测要求分析，在制定检测规程时要考虑燃气具产品中使用的控制阀的结构实际情况，不能一刀切，按一种检测压力来检测，要尽可能考虑进行至少两次压力不同的检测，以较高的压力检测结构缺陷和强制密封缺陷导致的泄漏，同时，也需要以较低的压力检测自紧密封缺陷导致的泄漏。另外，要关注气路中使用的控制阀的自紧密封面与进气通道之间结构位置分析识别，同时要根据产品使用区域的标准统筹考虑，应考虑进行至少两次压力不同的检测，以较高的压力检测结构缺陷和强制密封缺陷导致的泄漏，同时，也需要以较低的压力检测自紧密封缺陷导致的泄漏，其中包括产品使用气源的压力标称值来检测漏气项目。

表1 国内外燃气具标准对气密性检测要求汇总

制订燃气具的气密性检测规程可遵循以下准则；

1）系统检测压力不应低于产品标准规定的水平，确保市场准入要求和产品标准符合性要求得到全部满足，如果可行，尽量将检测压力提高到15 kPa。

2）对于使用自紧密封结构部件的整机，需考虑增加低压检测过程，针对自紧密封结构的缺陷进行检查。

3）对于使用具有自紧密封结构部件的燃气具，在整机组装状态下不检测自紧密封结构的泄漏，在市场准入规定和标准符合性角度，可能是允许的，同时也可以降低整机生产过程的制造成本，但是，仅依赖相关部件的型式试验结果作为自紧密封缺陷的控制措施，由于工艺离散等因素导致的自紧密封缺陷在实践中仍然是无法避免的，如果通过增加这项检测进一步降低自紧密封结构缺陷形成的产品安全风险。此外，类似GB 25034-2010已经明确要进行该项目检测，则属于市场准入规定和标准符合性的强制要求，不应省略。

3 结论

燃气具的气密性是燃气具最重要的安全特性，导致燃气具发生泄漏危险的缺陷有三种类型，分别是结构缺陷、强制密封缺陷和自紧密封缺陷。结构缺陷和强制密封缺陷导致的泄漏，其漏率与检测气体压力之间呈近似线性关系，检测压力越大，泄漏量越大；自紧密封缺陷导致的泄漏，其泄漏量则随检测气体压力提高而减少。因此，从而需要针对不同的泄漏特性确定相应的检测气体压力，才能有效控制燃气具的泄漏。对于家用燃气具整机产品的气密性，制订检测规程可遵循以下准则；系统检测尽量将检测压力提高到15 kPa，同时，对于使用自紧密封结构部件的整机，需考虑增加低压检测过程。

目前，我国的燃气具标准对整机气密性要求差异较大，只有燃气采暖炉标准规定了低气压检测项目，从提高产品安全性的角度，家用燃气具可以考虑以企业标准或工艺规程的方式，自行提高气密性检测要求，从而提高产品的安全性。