控制閥閥座泄漏率國內國際標準分析及應用

顏炳良,馮 浩,諶傳江

(重慶川儀調節閥有限公司,重慶 400707)

0 引言

閥門是過程控制中重要的終端執行單元。調節閥的好壞直接影響系統質量[1]。因此,如何選擇一臺品質優良的閥門已成為設計院或最終用戶在系統設計階段的一項重要工作。

在閥門選型的各項參數中,閥座泄漏量是必須考慮的一項技術參數[2]。不同的閥門類型,用于衡量閥座泄漏量的技術參數不同;不同的閥座泄漏率標準,最終計算的閥座泄漏量數據也不同。由于用戶執行不同的泄漏率標準,使閥門的制造成本差距較大。而用戶出于不同的過程控制要求,對閥門泄漏量的實際需求也各不一樣。

面對不同的閥門泄漏率標準,用戶如何選擇適用的執行標準? 首先需要對各個標準有比較全面的了解。

1 常用閥座泄漏率標準介紹

具有切斷功能的閘截止等開關類閥門,應明確執行相關標準,如國家標準GB/T 26480—2011[3]或者美國API598—2016 標準[4]。如執行ISO 標準,則應標注密閉泄漏比率,并標注引用標準號。例如:“ISO 5208:2015,泄漏比率A”[5]。

對于調節類的控制閥,閥座泄漏量由閥門泄漏等級確定。閥門泄漏等級是閥門制造企業在生產過程中,在規定的試驗條件下,試驗介質通過安裝閥門在關閉位置的量的等級,一般有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ-S1、Ⅴ、Ⅵ七個等級(ANSI/FCI 70-2 沒有Ⅳ-S1 等級)。泄漏等級僅適用于生產試驗,不能作為產品在實際使用時預測泄漏量的依據[6]。

作為用戶,希望泄漏量越少越好、泄漏等級越高越好。但等級越高,實現該技術等級的閥門制造工藝越復雜,成本越高。用戶應根據現場工況具體工藝要求,同時考慮不同閥門的制造工藝特點,合理選擇不同的閥門泄漏等級。

作為閥門制造企業,必須充分了解不同標準中閥門泄漏等級的具體要求,明確各標準之間的差異,以采取適合本廠的執行標準。

目前,控制閥泄漏主要標準如表1 所示。

表1 控制閥泄漏主要標準Tab.1 Main standards for control valve leakage

2 常用泄漏率標準分析比較

2.1 GB/T 4213—2008

GB/T 4213—2008 在中國控制閥領域被廣泛應用,被大多數用戶以及控制閥制造企業所接受。該標準適用范圍為氣動控制閥。其中有關泄漏等級的概念及執行標準被許多開關類閥門所引用并執行,但實際上某些開關類閥型并不適合執行該標準。

2.1.1 閥座泄漏量適用范圍

本標準僅適用于控制閥。

2.1.2 試驗介質

試驗介質應為5～40 ℃的潔凈氣體(空氣或者氮氣,G)或者水(L)。

2.1.3 試驗程序

程序1。被測閥門兩端壓差為0.35 MPa。當被測閥門允許壓差小于0.35 MPa 時,使用設計規定的允許壓差。

程序2。被測閥門兩端壓差為該閥的最大工作壓差。

2.1.4 泄漏等級

GB/T 4213—2008 泄漏等級如表2 所示。表2中,僅列舉Ⅳ級以上。因過程控制要求的提高,對控制閥的泄漏等級要求至少達到Ⅳ級,特殊情況除外,下同。Ⅵ級泄漏率系數如表3 所示。

表2 GB/T 4213—2008 泄漏等級[7]Tab.2 GB/T 4213—2008 leakage class

表3 Ⅵ級泄漏率系數[7]Tab.3 Class Ⅵ leakage rate coefficient

Ⅳ級為控制閥默認的泄漏等級。同口徑閥門泄漏量根據流量系數(Cv)的不同而不同。Ⅴ級已經達到關斷級密封(tight shut off,TSO)。

本標準Ⅴ級只能用水作試驗介質。若用戶的實際使用介質為氣體時,則不推薦執行該泄漏標準。鑒于氣體的高滲透率,用氣體進行Ⅴ級泄漏測試的難度大于用水進行Ⅴ級泄漏測試。

Ⅵ級用氣體進行測試,屬于氣泡級密封。正常測試壓力為0.35 MPa。當閥允許壓差小于0.35 MPa時,使用設計規定的允許壓差,泄漏量必須用因數乘表3 規定的具體泄漏率系數(即表3 僅為0.35 MPa 下泄漏率系數)。非標閥座直徑可以用面積插值法計算具體泄漏率系數。

GB/T 4213—2008 對VI 級的適用閥門密封材料未作要求,金屬及非金屬密封材料均可。此點有別于其他標準。

在工程運用中,用戶在選擇泄漏等級時,基本都忽略了IV-S1 等級的選擇。從表2 中可以看到,由IV 級到V 級,泄漏量提高了三個數量級,工藝難度大大增加。

由于控制閥主要起調節作用,閥芯位置一直受到介質的沖刷磨損。特別是在調節壓差大、介質流速高時,密封線磨損很嚴重。在使用一段時間后,控制閥泄漏等級是否還能到V 級以上并不確定。根據工況選擇閥門的泄漏等級是Ⅳ級還是Ⅴ級以上,是最終用戶需要思考的技術問題。因此,合理地選擇控制閥泄漏等級需要設計院及用戶綜合多方因素考慮。

2.2 GB/T 17213.4—2015

2.2.1 閥座泄漏量適用范圍

GB/T 17213.4—2015 只適用于控制閥,但不適用于額定流量系數Kv<0.086、Cv<0.1 的控制閥。如果是Ⅵ級泄漏,則該標準僅適用于彈性閥座控制閥(軟密封)[6]。GB/T 4213—2008 標準未對控制閥范圍作上述要求。

2.2.2 試驗介質

試驗介質為5～50 ℃的空氣、氮氣(G)或水(L)。

2.2.3 試驗程序

程序1。被測閥門兩端壓差為(300～400)kPa。當被測閥門允許壓差小于350 kPa 時,使用設計規定的工作壓差。

程序2。被測閥門兩端壓差為該控制閥的最大工作壓差。

2.2.4 泄漏等級

QB/T 17213.4—2015 泄漏等級如表4 所示。表4中僅列舉Ⅳ級以上。

表4 GB/T 17213.4—2015 泄漏等級[6]Tab.4 GB/T 17213.4—2015 leakage class

本標準相比GB/T 4213—2008,增加了V 級氣泄漏測試選擇,試驗程序為“程序1”,其他相同。

Ⅴ級氣泄漏測試給用戶及閥門制造企業另一個選擇項。即:如果制造商和買方雙方同意,可以用不同試驗壓力,如試驗程序2 中的試驗壓力。

那么在介質為空氣或氮氣的情況下,最大允許泄漏量計算公式為[6]:

式中:P1為入口壓力,kPa.A。

這種換算假定為層流情況下,且僅適用于大氣出口壓力以及試驗溫度在10～30 ℃之間。此換算不可用于在實際工作條件下進行流量預測。

此條試驗標準接近用戶實際使用情況下的真實泄漏量,具有很強的實際意義。該標準僅作為建議,如需使用需要用戶及閥門制造企業雙方同意。控制閥制造企業的企業標準如果采用該高標準要求,無疑將具有很強的技術競爭力。

2.3 ANSI/FCI 70-2—2013

2.3.1 閥座泄漏量適用范圍

ANSI/FCI 70-2—2013 只適用于控制閥,但不適用于額定流量系數Cv<0.1 的控制閥。如果是Ⅵ級,則該標準僅適用于彈性閥座(軟密封)控制閥。

2.3.2 試驗介質

試驗介質為10～51 ℃的空氣、氮氣(G)或水(L)。

2.3.3 試驗程序

程序A:干凈的空氣或者水,應為300～400 kPa.g或者最大工作壓差,選擇其中較小值(Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級)。

程序B:干凈的水,應為閥的最大工作壓差(Ⅴ級)。

程序B1:清潔的空氣或氮氣,進口壓力350 kPa·g(Ⅴ級)。

程序C:清潔的空氣或氮氣,最大額定壓差或350 kPa,ANSI/FCI 70-2—2013 選擇其其中較小的數值(Ⅵ級)。

2.3.4 泄漏等級

ANSI/FCI 70-2—2013 泄漏等級如表5 所示。表5中僅列舉Ⅳ級以上。

表5 ANSI/FCI 70-2—2013 泄漏等級[8]Tab.5 ANSI/FCI 70-2—2013 leakage class

ANSI/FCI 70-2—2013 為美國國家標準協會、美國流體學會標準。由于美國在科技領域的強勢地位,該標準被國內外眾多用戶所采用。

此標準沒有IV-S1 等級,Ⅰ～Ⅳ級采用水或者氣為介質,試驗壓力300～400 kPa.g 或者最大工作壓差,選擇其中較小值。Ⅴ級如果以水作為試驗介質,壓差為最大工作壓差;如果是氣作為試驗介質,壓差為350 kPa。Ⅵ級只能是氣體介質,最大額定壓差或350 kPa 之間的較小數值。

該標準的特點是試驗條件沒有過多的選擇,具有唯一性,有利于各執行企業統一泄漏量技術標準,有助于標準的推廣。

2.4 IEC 60534-4:2006

IEC 60534-4:2006[9]與GB/T 17213.4—2015 等同。IEC 60534-4:2006 與IEC 60534-4:1999 相比:Ⅳ-S1 級增加了液體測試;V 級增加了氣體測試。

3 四大標準泄漏量計算應用實例

下面以具體實例,計算在不同的泄漏率標準下的泄漏率數據,以便形象地表示各標準之間的泄漏量數據具體差異。

某一流量調節閥,公稱通徑為DN100,假定閥座直徑為φ100 mm。最大關閉壓差為1 MPa,Cv值為100。計算試驗介質分別為水和空氣的情況下,各標準下Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級閥座泄漏量。當試驗介質為水時,各標準下Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級DN100 閥座泄漏量如表6 所示。

表6 介質為水時DN100 閥座泄漏量Tab.6 DN100 valve seat leakage when water as medium mL/min

當試驗介質為氣時,各標準下Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級DN100 閥座泄漏量如表7 所示。

表7 介質為氣時DN100 閥座泄漏量Tab.7 DN100 valve seat leakage when gas as medium mL/min

從表6、表7 可以看出,ANSI/FCI 70-2—2013 標準具有泄漏數據的唯一性,有利于不同閥門生產廠家進行技術參數對比。其他三個標準的泄漏數據是基于各自廠家制造實力的不同,允許采用不同的測試壓力,從而得到不同的泄漏數據。這也造成不同廠家之間缺乏橫向對比性,使最終用戶無法從數據上直觀了解閥門制造企業的制造實力。

4 結論

控制閥泄漏等級是標準化組織為規范控制閥制造企業產品技術參數而制定的測試標準,方便閥門用戶比較各制造企業的技術水平。

但泄漏等級標準僅適用于生產試驗,不能作為產品在實際使用時預測泄漏量的依據。用戶應明白泄漏等級的真實意義,從整體系統出發,明確自身的真正需求,制定合理的泄漏等級技術要求及執行標準,以便在滿足使用要求的同時降低采購成本。盲目地拔高泄漏等級技術要求,既無必要,也會造成產品性能的浪費。

控制閥制造企業應根據自身的技術水平、工藝水平以及產品自身技術特點,采取適合本廠的泄漏等級標準,滿足用戶及市場的需求。國內很多閥門制造企業為了爭奪市場,提出控制閥IV 級以氣作為介質進行泄漏測試,用實際工作壓力(>0.35 MPa)作測試壓力,以顯示其較高的生產工藝水平。實際上,該泄漏量的計算已經無任何依據,無法判定其值是對是錯,也就無法判定該試驗的合理性[10]。

ANSI/FCI 70-2—2013 標準是美國國家標準,基于美國流體學會(FCI),美國機械工程師協會(ASME)各成員單位意見而制定。該協會成員單位包括FISHER、Masoneilan、Flowserve 等世界一流控制閥制造企業。因此,建議用戶及制造企業采用該標準。