工程設計中低逸散閥門的標準

王勐（中國天辰工程有限公司管道工程部，天津300000）

工程設計中低逸散閥門的標準

王勐（中國天辰工程有限公司管道工程部，天津300000）

隨著工業高度發展，科技不斷進步，對節約能源和環境保護的要求也越來越高，低逸散閥門的應用在降低裝置中有毒、可燃、揮發性有機物介質的排放中起到重要的作用。隨著國內外工程公司對低逸散閥門的認識水平不斷提高，其應用范圍也越來越廣泛。因此，對工程設計中低逸散閥門標準的了解頗為重要。本文以此出發，對國內外工程設計中的低逸散閥門的標準做了簡要收集和對比。

閥門;低逸散;低逸散閥門

什么是逸散（fugitive emission）？大多數的逸散來源于工業生產活動，由于壓力容器閥門等密封處的泄漏或者是無意識、不規律的氣體和蒸汽的釋放。EPA（United States Environmental Protection Agency）定義的逸散是指裝置或者生產活動等無意識的排放到空氣中，不能通過煙筒、放空管或者其他類似的放空形式排放。

自從上世紀90年代以來，對于逸散性的泄露（法蘭處、閥門閥桿填料處的泄露）監管的法規越來越嚴格，對于石油和化工行業一直在尋找具有重要意義的標準，按照這樣的標準執行能讓閥門的逸散性介質泄漏符合法規的監管要求。其中重點關注的還是閥門閥桿填料處的泄漏。

在石化和化工領域，各種各樣的大量的閥門應用到工藝和公用工程管線上。有閥門就會有靜密封（閥門壓蓋法蘭）和動密封（閥桿填料密封處），就存在著向環境中泄漏介質的風險，對于逸散性的泄漏可以說隨時在發生著。隨著我國環保保護意識的增強，像霧霾頻發等社會事件也令人們的安全環保意識增強，對石化、化工裝置中允許的泄漏等級要求也是越來越高。

1 國際上法律和標準要求

工業高度發達的國家，出于對節約能源和環境保護的需求（另外還有科技進步對逸散的檢測和監測技術如果有大幅提高，監管要求很可能也會提高），對于上述的逸散的要求越來越高。如美國早在70年代就制定了相關的法律限制很多化學品的逸散。90年代又進行修訂，其中主要目標是減少多種（184）化學品的90%的逸散。

美國環保署使用其規定的21號方法（定義了檢測的基本要求和具體的檢測設備的要求）來對閥門的逸散進行檢測。自1963年以來，EPA和API規定的測試要求已經成為工業上對于閥門逸散要求的共識性標準。此外,德國的凈化空氣法規“TALuft”和歐盟的污染物防止和控制指南(IPPC)都規定了危險和有毒污染物向大氣逸散的要求。在國際上進行工程設計也需要了解當地的法律和法規，以免不滿足當地的法律要求，需要替換大量合格的閥門，會帶來經濟上或者是安全上的具大風險。

2 目前國內的標準及法規的情況

我國《環境保護法》和《大氣污染防治法》也提出很多防治環境污染，改善環境質量的要求。很多涉及到逸散的控制要求的標準也在制定中。例如：《揮發性有機物無組織排放控制標準》目前是征求意見稿，不久的將來也會頒布實施。其中5.2條提出了對動靜密封點進行泄漏檢測與控制，閥門就屬于被監測的范圍。當泄漏檢測值大于等于2000 μmol/mol。則認定發生了泄漏。

GB20801最新的征求意見稿中的描述，對于GC1級的閥門的選用應采用低逸散結構，控制閥桿填料處的泄漏。我們國家也根據ISO-15848的標準制定了我國《閥門逸散性試驗分類和堅定程序》。

3 ISO與API標準比較

國際上多個公司經過評估當前的工業標準并且根據具體的應用需求精心制定了測試工具。然而，隨著工業的進步，終端用戶和閥門制造商應該仔細考慮使用適合他們的標準。下面我們來看看這些標準究竟說些什么。

3.1 ISO標準

國際標準組織（ISO）編制了ISO-15848-1和ISO-15848-2。這兩部分的標準使用的信息來源于廣泛的工業閥門的應用。該標準包含了對于手動閥門和控制閥門的測試。該標準的描述是：工業閥門-逸散性介質泄漏的測量、試驗和堅定程序

第一部分閥門的分類體系和型式試驗鑒定程序

第二部分閥門產品的驗收試驗

標準的第一部分

用于完全組裝好的閥門，取決于所使用的附件以及閥門的類型和種類，使用真空法、包裹法、吸氣法（EPA方法21）進行測試。圖1-圖3大概表示了幾種方法。

圖1 真空法圖片來源于GB征求意見稿

圖2 包裹法圖片來源于GB征求意見稿

圖3 吸氣法圖片來源于GB征求意見稿

標準使用氦氣或者甲烷作為測試介質并且在每次的循環測試（每個評估階段）時只允許進行一次閥桿密封力的機械調整。

閥門型式試驗時可以選擇垂直或者水平進行測試，循環等級取決于閥門的類型是隔離閥還是控制閥。閥桿填料處的泄漏等級分為A，B，C，無論測試介質是氦氣還是甲烷，A等級都是最低的泄漏水平。

可接受的泄漏量是由制造商或買方預先確定的，而氦和甲烷的泄漏之間的差異是不相關的。用于隔離閥的機械循環的數量被分為CO1-500、CO2-1500和CO3-2500。控制閥的機械循環數量是CC1-20,000，CC2-60000和CC3-100,000。溫度等級在零下196攝氏度到400攝氏度之間，通過測試組合來確定服務的最終范圍。

標準的第二部分

閥門的產品驗收試驗定義了一種測試評估閥門逸散性泄漏的方法，測試的對象是通過了ISO-15848-1型式試驗的閥門。抽樣比例應根據生產商和買方之間的協議，最少每批抽樣1臺，從每批生產的每一閥門類型、壓力等級和口徑的閥門中隨機選擇。唯一允許的試驗介質應為純度（體積比）最低97%的氦氣。除非生產商和買方另有約定，試驗壓力應為6bar。

產品驗收試驗在室溫下進行，閥門半開，加壓，按照ISO 15848-1的吸氣法測量閥桿密封件泄漏。然后全開全閉加壓后的閥門五次。經上述操作機械循環后，半開閥門，測量閥桿密封泄漏。

目前最新版本的（第二版2015）已經發布，最重要的修改在為：

閥桿密封泄漏等級A 50ppmv B 100ppmv C 200ppmv，最后一個等級原來的值是1000ppmv

在測試的過程中超過規定的泄漏量就認為是不合格的產品，標準建議了一項修正措施且需要和買家達成一致，否則的話這批閥門拒收。

3.2 API標準

3.2.1 API 622

為了滿足石油和化工行業的需要，API開發了標準API 622。第一個版本的API 622被設計用于測試閥門閥桿填料處的泄漏，但該標準也允許閥門廠家或填料制造商測試一個組裝好的閥門。

該測試標準在2011年進行了修訂，第二版于2011年11月出版。新版本取消了使用標準閥門進行測試試驗，現在要求測試設備使用一種測試儀器或裝備來模擬4英寸的CLASS300壓力級別閥門的提升閥桿結構或提升-旋轉閥桿結構。見圖4

該測試要求5個熱循環，溫度從環境溫度到260攝氏度(500華氏度)，一共進行1,510次機械循環，使用甲烷作為測試氣體。每個熱循環溫度都是從環境溫度上升到260度再回到環境溫度，期間進行300次機械循環。最后的10個循環，進行的泄漏測量才是結果測量。標準改進的另一個重要組成部分是對柔性石墨填料材料的氧化測試。

氧化試驗測試按照FSA-G-604-07的方法B進行，規定24小時的測試時間內最高15%的氧化（材料丟重超過15%認為是不合格）。第二版的其他部分規定了一些環境溫度下和高溫下的腐蝕，并進行對填料材料化學成分和屬性的評估。泄漏的限制是500ppm，只允許一次調整填料壓力。

3.2.2 API 624

隨著API622取消了測試組裝好的閥門，API決定編制一個新的標準來規定提升閥桿和提升-轉動閥桿的閥門。這個標準就是API624，標準的名稱為柔性石墨填料提升閥桿閥門的逸散性型式試驗。該標準將使用EPA（美國環境保護署）21號方法作為對泄漏氣體的評估的基礎，其泄漏限制為100ppm甲烷。API624測試的組裝好的閥門，該閥門所裝配的填料結構必須按照API622進行過測試，并且適用于溫度-29度到538度。

按照API624的要求測試閥門應該完全組裝然后進行測試。測試用的閥門應該從制造商或經銷商的真實存在的庫存中隨機選擇。對于閥門不屬于庫存的閥門，制造商應保證測試閥門不以任何方式針對測試進行修改，并且是制造商的庫存產品的典型代表。另外測試閥門選擇應得到買方的批準。

根據已公布的制造商的安裝規范，對閥蓋和壓蓋螺栓扭矩進行驗證。在進行型式試驗之前，允許操作試驗閥門(在環境溫度和壓力下)，以確保填料在填料盒中正確安裝和加固。閥門總共有310個機械循環和3個熱循環，機械循環從閥門的環境溫度開始。

圖4 API622所采用的測試設備

與ISO 15848-1一樣，閥門測試完成后需要對閥門進行拆解。必須對密封材料進行拍照，并對閥門部件進行評估。填料的制造商的任何改變，包括填料的類型或型號，或閥門設計的改變影響了閥門的密封性能，有上述情況的閥門都需要重新進行測試。

3.2.3 API 641

與API624類似，API641是測試組裝好的閥門，該標準定義1/4旋轉閥桿閥門的測試需求和接受標準。

大于NPS 24或者超過B16.34規定的1500LB的閥門不在此標準規定的測試范圍內。閥門在常溫下壓力等級低于100psi的也不在測試范圍內。

本章小結

API標準采用的測試氣體是甲烷、存在爆炸的危險性，所以對于試驗室的要求可能要高一些，另外由于采用甲烷測試的問題也可能受到限制。

對比這些標準的結果不是說哪個標準更好，而是讓工程設計人員了解執行哪個標準更適合。另外成功的試驗結果也并能保證閥門將來不會泄漏。因為測試結果畢竟和真實工廠的實際操作有很大的不同，現實的工程中可能會存在熱應力問題、管道的應力對閥門帶來的影響、流體的腐蝕沖刷對閥桿填料的影響、震動的影響、機械磨損、時間和操作環境變化等等。

4 結語

本文主要對比了ISO標準和API標準對低逸散閥門的要求。文中沒有討論殼牌石油公司《SHELL MESC SPE 77／312工業閥門：低泄漏測量、分級系統、資格認定程序及開關閥和控制閥的型式認可和產品試驗》這個標準。我國的閥門公司給其他國家也供貨了很多按照這個標準檢測和試驗的閥門，相當多閥門的廠家對這個標準也是想當熟悉和推崇的。

目前國內工程公司對于低逸散閥門的認識也在不斷提高，其應用的范圍也在不斷地擴大。低逸散閥門的應用將大大降低裝置中有毒、可燃、揮發性有機物介質的排放，避免安全事故的發生和環境的破壞。據美國的數據表明如果進行環保控制，采用低逸散閥門（還有其他逸散排放源例如：泵、設備等）可以減少70%左右排放。

對于工程公司來講，熟悉這樣的標準，了解各國法律對于低逸散閥門的要求，有利于降低項目執行中對于環境保護方面的風險。另外了解ISO和API的標準也有利于選擇適合項目的標準進行執行。

另外我們國家對于環保的要求也是越來越高，我們工程設計人員也要有環保意識，應主動在工程設計中采用低逸散閥門，隨著人們環保意識的提高，這也是必然的趨勢。

[1]ISO 15848-1 and ISO 15848-2 Industrial valves—Measurement,test and qualification procedures for fugitive emissions—Part 1:Classification system and qualification procedures for type testing of valves Part 2:Production acceptance test of valves.

[2]API STD 622.Type Testing of Process Valve Packing for Fugitive Emissions,Second Edition

[3]API Std 624 Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions,First Edition.

[4]API Std 641 Type Testing of Quarter-turn Valves for Fugitive Emissions,First Edition.