阀门逸散性密封等级的工程设计探讨

张志祥

福陆（中国）工程建设有限公司 （上海 201103）

石油化工装置因多含有毒有害、易燃易爆介质而备受环保关注，在当今环保问题日趋严峻的背景下，人们日益重视石化装置中介质的泄漏问题。如美国1990年再度修订《净化空气法》的一个主要目的就是减少189种化学品总量90%的逸散，德国和欧盟其他国家也对有毒有害介质向大气逸散污染作出相关规定要求，我国环保部在2014年12月发布了整治方案以贯彻落实《大气污染防治行动计划》。石化行业挥发性有机化合物（VOCs）主要源自流体设备密封处的逸散，特别是管道法兰和阀门密封处泄漏[1]。阀门逸散性泄漏在工程上常简称微泄漏或低泄漏，国内外都出台了专门的逸散性试验标准来规范检测阀门的微泄漏。

随着引进装置国外工艺包中对阀门微泄漏要求的提高及阀门制造与国际的接轨，近年来工程设计方及阀门制造厂商逐步开始使用逸散性试验标准，但如何选择适用的密封等级在工程设计中却成为难题，原因主要有3个方面：（1）在国内外设计标准中，对阀门微泄漏并没有量化要求，造成工程设计人员无据可依；（2）选择阀门密封等级时，需要考虑多方面的指标且很难量化，如需要考虑有毒介质泄漏后依接触时间长短对接触人员造成的伤害、易燃易爆介质泄漏后随着扩散达到介质爆炸极限、VOCs对环保的影响具体到对阀门泄漏量的量化指标，要综合考虑上述各方面因素并对阀门泄漏进行量化控制，在工程设计中是一个极大的挑战；（3）由于在工程设计中并没有大量采用阀门逸散性检测，很少有习惯性做法可以参考，这也间接造成工程设计中的困难。本研究旨在为合理选择阀门密封等级提供新的思路，供工程设计人员参考（只讨论手动切断阀门，不包括控制阀门）。涉及的国内外标准如表1所示，后为行文方便，均使用标准号简称。

1 阀门逸散性试验标准及密封等级

阀门阀体和阀杆填料处的微泄漏是逸散性试验的两个检测对象，目前石油化工行业普遍采用的国际和国内标准规范见表2，分为阀门型式试验（ISO 15848-1：2015，SHELL MESC SPE 77/300-2015，API 622-2018，API 624-2014，API 641-2016[2]）和阀门出厂验收试验（ISO 15848-2：2015，SHELL MESC SPE 77/312-2015，GB/T 26481—2011）， 其 中 API 624-2014已经作为API 600闸阀出厂标配的型式试验标准。

1.1 型式试验相关要求

型式试验主要检验阀门和填料在极限工况下循环后的泄漏，同时评估阀门整体设计在逸散性泄漏方面的性能，满足相应微泄漏密封等级的阀门在出厂验收试验前，应首先通过型式试验，但目前国内并没有对应型式试验的国家标准，具备阀门型式试验资质的厂家也为数不多，ISO 15848：2015 A级的持证厂家更是凤毛麟角。下面就阀门的密封等级、耐久等级和温度等级3个方面作一简述。

1.1.1 密封等级

阀体密封等级在ISO 15848-1：2015中只规定了1个，而填料密封等级分为3个等级，SHELL公司规定的阀体密封等级和填料密封等级都为2个。API 622-2018中只有 1个填料密封等级；API 624-2014规定采用甲烷试验的填料密封等级与ISO 15848-1：2015的B级相同，只有1个等级且不对阀体定级。ISO 15848-1：2015将阀门和填料作为一个整体来进行逸散性试验，从而更能反映阀门安装后的实际性能水平；API 622-2018和API 624-2014更关注填料的泄漏，填料可以进行单独测试来完成试验，但同一填料在不同阀门厂家的产品上可能会有不同的泄漏水平。常见标准中阀门密封等级及泄漏量汇总见表3（各种标准检测方法及计量单位经常不一致）。

表1 文中涉及标准

表2 阀门逸散性试验标准规范

各标准在试验介质、试验温度、试验压力和试验方法及程序方面的规定各有不同，工程设计中可结合具体工况和所需阀门逸散性密封等级来选择。

1.1.2 耐久等级

耐久等级在型式试验中定义为阀门机械循环的次数。CO1，CO2，CO3 三个级别是 ISO 15848-1：2015规定的耐久等级，除室温外有两次热循环[3]，具体见图1。

SHELL SPE 77/300-2017对阀门面板等级的要求为约206次机械循环，即在不同温度下共有206次启闭循环[4]。

API 622：2018规定的耐久等级只有一级，持续5天的机械循环要求每天不超过2 h[5]，总循环时间不超过8 h，机械循环和热循环次数分别为1 510和5次。API 624-2014规定的型式试验耐久等级同样只有一个，机械循环和热循环次数分别为310和3次[6]。与API 624-2014相比，API 641-2014提高到610次机械循环和3次热循环。

1.1.3 温度等级

按阀门的试验温度进行温度等级分级，ISO 15848-1：2015标准2017年修订版将室温温度区间修改为5～40℃，这与2015版标准中室温温度区间-29～+40℃有较大的差别，共分为6个温度等级[7]（见表4）。SHELL公司要求的温度等级为T1～T10共10个，每个等级又细分为3个级别。API 622-2018和API 624-2014均只有两个温度等级，包括室温和260℃。

表3 阀门逸散性密封等级及泄漏量

图1 ISO 15848-1：2015阀门机械循环

表4 ISO 15848-1：2015温度等级

1.2 出厂验收试验

阀门的型式试验检验了阀门的整体设计性能，而通过型式试验的阀门，在出厂前还需要按抽检比例进行验收试验，具体验收比例根据使用工况来确定。下面结合3个标准介绍验收试验相关内容。

ISO 15848-2：2015 和 GB/T 26481—2011 规定的氦气试验压力一般为0.6 MPa，试验温度为室温，而SHELL MESC SPE 77/312-2017试验压力要求更高，要达到阀门在试验温度下的额定压力。阀体和阀杆填料的密封泄漏量验收标准以设计中要求的密封等级为准，超出相应密封等级的阀门，该批次应拒收。需要注意的是，ISO 15848-2：2015提高了C等级的要求，这点与GB/T 26481—2011不同。

2 微泄漏阀门结构设计及制造特点

在工程设计中，对阀门的微泄漏密封等级提出较高的要求（如ISO 15848：2015中A级和B级），阀门制造厂应在阀门的结构设计中采取特殊措施来提高其密封性能。以往的工程设计中，设计人员往往直接明确阀门特殊类型或特殊结构，包括：（1）GB 50316—2000（2008年版）针对A1类流体阀门，要求采用波纹管密封阀门或带润滑剂密封的旋塞阀；（2）采用常见的欧氯认证波纹管截止阀；（3）采用GARLOK EVSP 9000低泄漏填料及弹簧加载填料压盖的型式（见图2）。弹簧加载填料压盖相当于在螺栓连接中增加了弹性补偿，可以保证长时间的填料可靠密封。由于阀门的外泄漏主要存在于料和垫片处，所以制造厂可从填料结构、加工精度、阀盖结构三方面优化阀门结构设计及制造特点，提高阀门密封性能。

图2 标准填料压盖和弹簧加载填料压盖

典型的微泄漏填料可采用上下层为石墨填料、中间为模压型石墨的结构。上下层采用石墨可以防止填料在阀杆间隙漏出，而充分利用石墨优良的塑性和自润滑性[8]是中间石墨环结构的作用。采用弹簧加载填料压盖，例如加碟形弹簧垫圈，可以提高阀门长时间工作后的自动补偿能力和密封性能。

阀杆、填料函及填料压套加工精度和表面粗糙度直接影响阀杆与填料密封副的性能，粗糙度较低的阀杆和填料组合在装配后更好密封。阀门制造厂可以根据设计要求的密封等级来选择阀杆和填料函的粗糙度。

属于静密封的阀盖处，密封性能比较高。提高阀门中法兰加工精度或采用榫槽面等阀盖法兰端面，都可以提高阀盖的密封性能。

3 逸散性密封等级选用

石油化工行业的工程设计中，国内外标准规范对有毒有害、易燃易爆介质阀门的微泄漏均有要求。GB/T 20801.3—2006对GC1级管道阀门，要求阻止介质在填料处的外泄漏；GB 50316—2000对A1类流体和ASME B31.3—2016对M类液体工况用阀门，都有类似要求。但上述标准对阀门逸散性泄漏量并没有给出明确限制，具体的密封等级需要设计人员考虑。随着“市场监管总局关于特种设备行政许可有关事项的公告〔2019年第3号〕”对压力管道分级的调整，尤其是对GC1分级作出的调整，以剧毒介质为代表的急性毒性指标成为压力管道安全设计及密封等级选用的主要考虑，这与GBZ 230—2010规定的考虑急性毒性、致癌性、腐蚀性等9项指标后加权平均计算介质危害级别有很大不同，与考虑长期职业接触的泄漏控制也不同。下面对不同种类介质从定性和定量两个方面给出密封等级选用建议。

3.1 密封等级定性选择

针对有毒有害介质，工程设计中很难定量判定介质毒性指标与泄漏量，从而选用合理的密封等级。按照2019年3号公告，GC1管道中急性毒性为I级，可以选用A级密封阀门；GC1管道中急性毒性为II级，可以选用B级密封阀门。GC2管道中急性毒性为II级，如业主或专利商无特殊要求，从成本控制角度出发，工程设计中建议不作密封等级要求。某国外业主项目中，对纯氢氰酸管道阀门，业主原设计采用欧氯标准冲刷型波纹管截止阀，但对混合物中氢氰酸浓度较低的管道阀门，只要求采用一些特殊填料以提高密封性能。考虑到建设地为长三角地区，实际设计中增加了B级密封等级的要求，同时结合氢氰酸浓度范围、GB管道分级以及ASME B31.3-2016，作出了工程规定，既满足国内标准要求，又在成本可控的范围内增强了阀门密封可靠性。

3.2 密封等级定量选择

针对可燃介质和VOCs，工程设计中可以采用扩散理论，定量计算气体泄漏扩散过程中遵循运动普遍适用的守恒定律，即三大守恒定律[9]，具体可以采用安全评价中常用的扩散模型和量化分析软件。SAFETI系列软件由挪威船级社开发，主要应用于石化行业量化风险分析且应用广泛。PHAST，LEAK和SAFETI是SAFETI下属3个软件，其中PHAST能模拟计算介质泄漏扩散过程，定量计算燃烧热辐射、有毒云团和爆炸冲击波的影响程度和范围。设计中可以根据定量计算的结果，结合成本控制来合理选择阀门密封等级。

4 结语

在环保要求越来越严格的大背景下，不论是政策性规定和相关标准的制订方，还是阀门制造企业、工厂运维管理以及工程设计人员，所有市场参与方对阀门逸散性的认知都是一个动态完善提高的过程。本研究对国内外最新阀门逸散性试验标准进行综述并提出阀门逸散密封等级的选用建议，可供各方参考，尤其是石油化工工程设计人员。在我国逸散性标准制定及制造取证与国际接轨的同时，广大工程设计人员要积极探索，广泛推广应用逸散性阀门，打造健康、安全和环保的升级版绿色石油化工产业。