“GB/T 40079-2021”标准解读及阀门逸散性试验方法分析

2023-08-28郝伟沙朱绍源高红彪吴怀昆郭怀舟胡春艳

流体机械 2023年7期

郝伟沙，朱绍源，高红彪，吴怀昆，郭怀舟，胡军，胡春艳

（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.合肥通用环境控制技术有限责任公司，合肥 230601）

0 引言

逸散性是阀门介质对外界的微小泄漏，逸散性的控制对化工生产、设备的安全运行、储运、环境保护、人类健康都影响极大。我国分别于2011年和2021 年推出了2 个阀门逸散性标准：GB/T 26481-2011《阀门的逸散性试验》和GB/T 40079-2021《阀门逸散性试验分类和鉴定程序》，特别是GB/T 40079-2021的推出，从试验方法、试验程序、判定准则等方面均作出了具体的、可操作性的规定，进一步完善了我国关于阀门逸散性方面的标准要求，为阀门逸散性试验走入一般工业现场提供了标准依据。由于我国的阀门逸散性标准是从ISO 标准采标修订而来［1-2，9-10］，而且逸散性试验技术复杂，设备精密，操作难度较大，推行时间不长，行业各界对于标准中试验方法的理解还不够深入，普及率不高。因此，加强对相关标准的解读、普及、推广，并开展对试验方式、方法的研究，对保持我国高端阀门的国际化水平有着十分重要的意义。

1 国内外逸散性标准的发展历程及我国阀门行业的应用实践

1.1 国内外逸散性相关标准的发展历程

阀门逸散性要求和标准，是随着环境压力的增大和环保法规的严格而产生的，在国际上，最早是德国政府依据联邦大气浓度管制法所发布的行政法规，给出了降低排放量的测试及空气质量的技术指导。2006 年国际标准化组织提出的ISO 15848 是第一个国际逸散性标准，2014 年美国石油学会（API）也发布了关于阀门逸散性的试验标准［4］。

2011 年我国第一个阀门逸散性标准GB/T 26481-2011《阀门的逸散性试验》发布，该标准修改采用ISO 15848-2：2006《工业阀门逸散性介质泄漏的测量、试验和鉴定程序第2 部分：阀门产品验收试验》，填补了我国关于逸散性试验标准的空白［2］。但该项标准只是阀门逸散性试验的程式上的规定，缺乏试验方法、试验条件、技术手段、判定细则等方面的要求，在一般工业现场的应用受到很大的限制；2021 年GB/T 47009-2021《阀门逸散性试验分类和鉴定程序》发布，该标准修改采用ISO 15848-1：2015《工业阀门逸散性介质泄漏的测量、试验和鉴定程序第1 部分：阀门逸散性试验分类和鉴定程序》［1］，目前我国正在对GB/T 26481-2011 标准进行重新修订。

1.2 我国逸散性标准的应用实践

阀门的逸散性试验，作为一种肉眼不可见的微泄漏检测试验，会受到现场试验环境影响。如温度、天气、空气质量、风速、空间状态、气体的背景浓度等都会对检测结果产生比较大的影响，在进行现场试验时应尽量注意避免不良环境影响因素的干扰。

微泄漏试验主要从密封等级、耐久等级、温度等级3 个方面来考核阀门的微泄漏性能。逸散性标准一方面用来指导阀门生产厂家和检测机构规范化检验，为阀门的质量验收提供保障；另一方面，阀门生产厂家经过逸散性标准的验收考核也可以进一步指导生产。

在国家标准颁布前，中国阀门行业就已经开展了大量关于阀门逸散性的试验研究，并发布过相关研究报告。经过工厂应用实践发现，阀体垫片处是静密封，容易达到逸散性标准要求的微泄漏等级；而阀杆填料处因为是动密封，且为了减少阀门的开启力，减轻填料对阀杆的磨损，施加于填料处的压力不能太大，因而控制泄漏的难度更大，较难达到逸散性标准的微泄漏等级要求［5-6］，因此提高阀门阀杆填料处的密封水平，对于提升阀门的逸散性水平至关重要。

高开科等［5］的研究发现，影响阀门阀杆填料逸散性的因素主要有：温度、压力、阀门形位公差、阀杆和填料函表面粗糙度、填料端环的型式、压套与阀杆间隙和填料箱与压套间隙等。张晓忠等［7］对高压波纹管截止阀逸散性试验过程的分析研究发现，在高压工况下，波纹管密封比柔性石墨或聚四氟乙烯填料更容易达到高压工况下逸散性标准规定的低逸散泄漏率要求，填料的密封性与填料的结构和阀杆表面是否进行了硬化处理等都有关系。刘明华［9］的研究指出，填料的品质，零部件的结构设计和加工精度，严格的试验是保证低逸散性阀门品质的重要因素。

2 GB/T 47009-2021 中规定的逸散性试验方法分析

阀门的逸散实际就是外漏，而且这种外漏肉眼不可见，很难用常规的水压、气压试验检测和判定，必须借助精密检测仪器。因而，对于试验方法、试验手段及标准的理解对逸散性标准的推广应用至关重要。

GB/T 47009-2021 适用于会产生挥发性污染气体或危险性流体介质的截断阀和控制阀，规定了阀杆密封及阀体密封部位外漏评定的试验程序，相较于GB/T 26481-2011，在试验介质和试验方法方面都做了详细的规定，应用者可以根据实际情况和要求，灵活选择适宜的试验方法和介质，也更利于逸散性试验检测标准的落地执行和应用。

2.1 试验介质

GB/T 26481-2011标准中试验介质仅为氦气，GB/T 47009-2021 标准中使用吸枪法检漏中补充了使用甲烷作为试验介质的试验方法。用甲烷作为试验介质检测的精度略低，介质易燃易爆。其优点是检测仪器便携，介质价廉易得。对于微泄漏率不做定量检测要求的时候则大大提高了试验的经济性和便捷度，特别是在LNG 或CNG 工业现场，应用甲烷气检测或成为最主要的逸散性检测方法。

2.2 试验方法

GB/T 40079-2021 逸散性试验标准中给出了3 种测试逸散性的试验方法，见表1。

表1 GB/T 40079-2021 3 种试验方法适用介质及检测部位的对比Tab.1 Comparison of applicable fluids and test parts of three test methods in GB/T 40079-2021

2.2.1 真空法

真空法的原理是将泄漏源部位封闭在密闭的腔室中并排空该密闭腔，用连接到该密闭腔的氦质谱检漏仪来检测工业阀门阀杆密封处的总漏率［1］，如图1 所示。这种检漏方法要求密封罩保持足够密封以获得测量精度所需的真空度，且在加热期间密封罩内部通风或者移除密封罩，使温度保持稳定，避免出现不代表实际操作情况的阀体过热。

图1 真空法原理Fig.1 Principle of the vacuum method

真空法作为检测工业阀门阀杆密封处总漏率的方法之一，关键要设置真空密闭腔，优点是测量精度高，缺点是操作不便利，检测成本较高。

2.2.2 包裹法

包裹法的原理是用检漏包包裹泄漏源，通过1 支恒定流速的吸枪将检漏包连接到氦质谱检漏仪，然后抽空检漏包，通过平衡管连接大气，使空气重新充满整个检漏包，空气进入检漏包与泄漏的检漏气体混合，通过吸枪流至氦质谱检漏仪，所有泄漏气体均流过氦质谱检漏仪，如图2 所示。这种方法要求平衡管长度至少为吸枪内径50 倍，进口处与大气相通以使被吸枪抽空的检漏包可以重新充满空气，空气进入检漏包，与泄漏的检漏气体混合，通过吸枪，流至氦质谱检漏仪［1］。

图2 包裹法原理示意Fig.2 Principle of the bagging method

包裹法的检漏方法在现场操作中非常便捷，而且精度也很高，能对工业阀门阀杆密封处的总漏率进行定量检测，检测成本很低，因此也有可能成为最常用、最有推广前景的逸散性检漏方法。

包裹法的漏率不能直接读取，需要专用式计算，本文第4 节将专门讨论包裹法漏率计算式的理论依据、推导过程及精度影响因素。

2.2.3 吸枪法

吸枪法用氦气做试验介质时，其原理是采用带探测器吸枪的氦质谱检漏仪测量从阀门密封处和阀体密封处逸散出来的氦气浓度；用甲烷做试验介质时，其原理是采用带有吸枪的挥发性有机化合物（VOC）探测仪测量从阀杆密封和阀体密封处逸散出的甲烷浓度［2］，如图3 所示。

图3 局部测量的吸枪法Fig.3 Local measurement sniffing

吸枪法操作最为便捷，且能够检测阀门任何位置的逸散，精确定点泄漏位置。缺点是精度相对较低，不适合定量测量微泄漏的漏率，且对试验环境异常敏感，试验现场环境的温度、天气情况、空气质量、风速、空间的状态、气体的背景浓度等都会对检测结果产生比较大的影响。

3 包裹法检测的理论追溯

3.1 原理探讨

包裹法不仅操作便捷，精度也有保证，还可以对泄漏率进行定量检测，因此会成为最为主流的逸散性检漏方法。为了更好地理解这种试验方法，本文尝试从漏率检测过程开始，探究该方法的理论依据。

图4 示出检漏包，图中，C∞为检漏包中氦气体积浓度随时间变化而达到的稳定值；Cf为进气体积浓度；QP为氦质谱检漏仪真空泵的体积流量；Q1为进气体积流量；Qf为泄漏体积流量；C∞，Qp可由氦质谱检漏仪直接读取，或配备其他流量计测出，Cf为试验现场空气中氦气的本底浓度，也可由氦质谱检漏仪预先测出。

图4 检漏包Fig.4 Sealed volume

根据气体动力学的连续性方程［3］：

式中，dm/dt 为气体的质量流量；ρ为气体的密度值（沿程变化）；dV/dt=Q 为体积流量。

由式（1）可见，对于气体介质而言，其质量流量是连续的，但严格来说，因为其可压缩的特性，体积流量是非连续的，根据气体动力学的一般约定，当马赫数M ＜0.3 时，即气体速度和当地音速之比小于0.3 时，一般可以不考虑密度的变化，将流动气体当作不可压缩流体来处理［3］。

对于空气，音速α=20.05（T）1/2［3］，式中T 为当地气体的热力学温度值，本文以室温为25 ℃进行计算，即T=298.15 K，则可计算得当地音速为346.2 m/s。

而氦质谱仪的典型吸枪流量一般不大于1 cm3/s［1］，吸枪探管内径通常为2 mm 左右。因此，检测包内气体流速一般不超过0.32 m/s 左右，与当地音速之比远小于0.3，可以忽略密度的变化。

因此，对检测包内混合气体流量写出连续性方程：

对于检测包内氦气分流量写出连续性方程：

联立式（2）（3），解出泄漏流量计算式：

式（4）即为GB/T 40079-2021 中给出的泄漏流量计算式［1］。

3.2 包裹法影响因素分析

3.2.1 检测精度影响因素

影响包裹法检测精度的因素有：（1）仪器本身的检测精度；（2）忽略密度值变化造成的计算误差；（3）泄漏气体流量Q1的浓度误差。其中，氦质谱仪的检测精度一般不低于1×10-8Pa·m3/s，有足够的精度保证，可以忽略其影响。

而包裹法的检测包由薄膜构成，几乎不存在内外压差，流速极低，马赫数<0.001，高度符合不可压缩流体的流动特性。

相比较而言，泄漏气体流量Q1的浓度误差就显得比较重要了。GB/T 40079-2021 中，假设Q1对应的浓度是100%，但实际上，试验介质采用99.99%及以上浓度的高纯氦气成本很高，且试验中被测阀门内腔残留气体、挥发性物质的污染都是客观存在的。如果能降低对泄漏气体流量Q1的纯度要求，不仅能使试验数值更精确，还可以大大节约试验成本。

3.2.2 试验装置改进及泄漏率公式修正

为了解决上述问题，可以通过连接盲板或其他测试封闭件引出微量被测阀门内腔气体，如图5 所示。

图5 改进后的包裹法原理示意Fig.5 Principle of the improved bagging method

在受试阀门连接盲板处，通过针形取样阀引出微量试验介质（不改变受试阀门的结构），从氦浓度仪可以直接读出试验介质的实际体积浓度。

取得试验介质的实际氦体积浓度（常温常压下数值）C1后，进一步列出氦气分流量连续性方程：

联立式（2）（5），解出泄漏流量计算式：

式（6）作为对式（4）的修正，解决了测试介质的浓度误差问题。理论上说，采用式（6）任何浓度的氦气都能用于检测，甚至是回收而来的“废旧氦气”或“含氦混杂气”，不对测试介质作纯度上的要求，大大提高了测试的科学性、准确性和经济性。

4 包裹法检测的试验验证

4.1 试验方法及相关参数

按照图5 改进后的包裹法用不同氦气浓度作为试验介质做了试验验证，得到的试验数据再分别用式（4）（6）进行了泄漏率计算。

试验阀门的参数：法兰连接闸阀，PN25，DN100，阀杆直径为24 mm，结构长度为300 mm。

试验介质：99.999%的氦气、氮气与氦气的混合气。主要试验设备：型号为NHJ-600 的氦质谱检漏仪；型号为FSM3-B005U1CH1K1N-CM 的流量计；型号为ATHE512 的氦气纯度分析仪。

4.2 试验数据及其计算结果对比

试验测得数据用式（4）（6）的方法分别计算阀杆处泄漏率结果见表2。分别用式（4）（6）对不同氦气浓度时的试验数据进行计算，根据计算结果拟合得到对比曲线，如图6 所示。

图6 试验对比曲线Fig.6 Graph of test comparation

表2 不同氦气浓度时试验数据对比Tab.2 Comparison of the test data with different helium purity

4.3 试验结果分析

由表2 和图6 可见，以高纯度氦气进行试验时，式（4）（6）的计算结果相差不大。随着试验氦气纯度的下降，2 个公式的计算结果差距逐渐变大，但式（6）计算的Q1曲线直到氦浓度下降到80%之前都维持着相对平缓的状态，数值变化不大。由此可以认为：式（4）的结果与试验氦气纯度密切关联；而式（6）的应用在试验氦气纯度不低于80%时均可获得值以信赖的测量精度。