閥座氣泡泄漏檢測與激光對射裝置研究

繆克在,金靖斌,方 威,李海聰,陳敬秒

(1.浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心,浙江 溫州 325105;2.蘇州西瑪流體科技有限公司,江蘇 蘇州 215000;3.溫州系統(tǒng)流程裝備科學(xué)研究院,浙江 溫州 325105)

0 引言

泄漏、腐蝕與磨損是導(dǎo)致閥門故障或損壞的3大主要因素。泄漏是閥門設(shè)計制造、檢維修過程的重點考慮要素之一。在石油化工、電力、冶金等領(lǐng)域,閥門閥座泄漏經(jīng)常發(fā)生,因而備受關(guān)注。石油化工管路系統(tǒng)中,閥門閥座泄漏不僅會引起物料流失、交叉污染,還會造成化工廠的停工、停產(chǎn)甚至危險事故,導(dǎo)致大量的經(jīng)濟(jì)損失與危害。

國內(nèi)外學(xué)者、閥門廠家對閥座設(shè)計、閥座泄漏機(jī)理等進(jìn)行了大量的研究,得出了閥座泄漏與閥座、閥芯幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)斷力、不平衡力、尺寸配合等因素存在聯(lián)系的結(jié)論[1-3]。但以往研究多集中于閥座設(shè)計、制造過程,對于閥座泄漏自動氣泡檢測裝置與測試方法的研究相對較少。對于金屬密封閥座通用閥門或控制閥的閥座泄漏,多數(shù)企業(yè)仍采用人工數(shù)氣泡法或排液集氣法的測量方式。這些方式存在測量效率低、測量結(jié)果誤差大的問題。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)(如API 598-2016[4]、IEC 60534-4:2021[5]等)在數(shù)氣泡法簡易裝置相同或相近的情況下,給出的氣泡數(shù)與泄漏體積或容積的換算結(jié)果不一致。這也成為亟待解決的主要問題。

本文通過對比國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn),對金屬密封的通用閥門與控制閥的閥座泄漏指標(biāo)差異、不同氣體泄漏率的換算關(guān)系,以及不同測試壓力下閥座泄漏量的換算關(guān)系等進(jìn)行了研究。本文設(shè)計了基于激光對射的自動氣泡泄漏檢測裝置,并通過該裝置對閥座泄漏機(jī)理等進(jìn)行了深入的研究。本文結(jié)合質(zhì)量流量計計量、集體排水法等,對上述裝置開展試驗,從而對以下方面進(jìn)行了研究:①基于激光對射的氣泡泄漏檢測裝置設(shè)計與測量穩(wěn)定性;②激光對射泄漏檢測時氣泡形成速率與單個氣泡體積的關(guān)系;③國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定氣泡數(shù)與氣體泄漏體積換算關(guān)系的準(zhǔn)確性。

1 閥座氣泡泄漏分析

閥座氣泡泄漏產(chǎn)生的前提條件是閥座泄漏壓力大于等于顯示液發(fā)生水中冒泡的臨界壓力。該臨界壓力數(shù)值為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Αy試管液柱高度產(chǎn)生的壓力以及液體表面張力產(chǎn)生的壓力之和。國內(nèi)外文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)[4-7]中,通常將通用閥門與控制閥分為兩大類,但極少有關(guān)于通用閥門與控制閥性能差異的研究。石油石化系統(tǒng)中將通用閥門歸為工藝閥門、控制閥歸為儀表閥門。控制閥不是簡單地將閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他附件進(jìn)行組合或拼裝。兩者在結(jié)構(gòu)與性能方面均存在差異。

為了深入研究通用閥門與控制閥閥座泄漏性能差異,本文對比了除止回閥以外的金屬密封通用閥門與VI級控制閥的閥座氣泡泄漏指標(biāo)。

通用閥門與控制閥閥座泄漏量對比如表1所示。

表1 通用閥門與控制閥閥座泄漏量對比

由表1可得以下結(jié)論。

①公稱直徑(nominal diameter,DN)不大于DN50或不小于DN150時,金屬密封通用閥門的閥座泄漏量要小于VI級控制閥的閥座泄漏量。隨著DN的增大,金屬密封通用閥門與VI級控制閥的閥座泄漏量指標(biāo)的差別越來越大。這與控制閥尺寸加大后,閥體、閥芯、連接驅(qū)動部件如閥桿以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的配合難度加大、配合間隙增加、閥座與關(guān)閉件的密封角或接觸面積設(shè)計等密切相關(guān)。

②DN在DN65～DN100時,按閥座泄漏氣泡數(shù)計算,止回閥除外的金屬密封通用閥門的閥座泄漏量要大于VI級控制閥閥座泄漏量。這可能與API 598-2016中闡述的閥座泄漏氣泡數(shù)與泄漏體積的換算比1 mL等于100氣泡有關(guān)。若按體積漏率計算,則結(jié)果相反。

綜上可知,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的止回閥除外的金屬密封通用閥門的閥座氣泡泄漏量一般要小于控制閥閥座氣泡泄漏量。

2 泄漏檢測裝置設(shè)計與測量穩(wěn)定性

基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置包括激光對射裝置、容積罐、檢漏管、氣泡計數(shù)器、定時器、安裝臺、連接管與閥等部件。其中,檢漏管采用外徑6 mm、壁厚1 mm的光滑管。該裝置原理為通過激光對水或其他液體介質(zhì)與氣泡的反射率/折射率的不同進(jìn)行氣泡數(shù)的采集計數(shù)。當(dāng)有氣泡產(chǎn)生并通過時,激光發(fā)射光被遮擋,激光接收端未能接收到激光光線。未接收1次計數(shù)為1,依次累加。為了研究基于激光對射的氣泡泄漏檢測裝置的測量穩(wěn)定性,本文對6氣泡/s以下的不同氣泡形成數(shù)速率、不同設(shè)定時間(15～180 s)等參數(shù)進(jìn)行了組合試驗。

基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

激光對射泄漏檢測裝置對閥座泄漏檢測過程的氣泡形成速率穩(wěn)定性測量結(jié)果如表2所示。

通過對激光對射氣泡泄漏檢測裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究,可以得出以下結(jié)論。

①表2中:σ的最大值1.11%出現(xiàn)在設(shè)定氣泡形成速率不大于1氣泡/s的測試過程。隨著設(shè)定氣泡形成速率的增加,σ呈逐漸變小趨勢,且速率大于1氣泡/s后的σ均小于0.7%。以上結(jié)果說明了激光對射氣泡泄漏檢測裝置在多個設(shè)定氣泡形成速率條件下具有優(yōu)越的多值重復(fù)測量穩(wěn)定性。

②本文設(shè)偏差μ為在同一設(shè)定氣泡形成速率情況下等于氣泡的最大值減去最小值并除以其平均值。表2中計算得到的μ均小于1.5%,即最大值為1.39%、最小值為0.37%。隨著設(shè)定氣泡形成速率的增加,μ呈逐漸減少趨勢。這體現(xiàn)了激光對射氣泡泄漏檢測裝置在單個氣泡形成速率條件下具有優(yōu)越的單值重復(fù)測量穩(wěn)定性。

3 氣泡形成速率與單個氣泡的關(guān)系

文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[7]中,描述的泄漏氣體體積與氣泡數(shù)一般規(guī)定為某一常數(shù)。這與文獻(xiàn)[8]中闡述的“氣泡上升速度與氣泡半徑的平方成正比”相矛盾。為此,本文研究激光對射氣泡泄漏檢測過程中氣泡形成速率與單個氣泡的關(guān)系。

本文采用了基于激光對射的氣泡泄漏檢測裝置、被測針形閥、微壓調(diào)節(jié)閥、數(shù)顯壓力表、集體排水量具、質(zhì)量流量計等組成的測試單元,在給定的測試時間(60 s)內(nèi),對不同設(shè)定氣泡形成速率區(qū)間內(nèi)的氣泡形成速率對單個氣泡體積的影響關(guān)系進(jìn)行了研究。

通過數(shù)值統(tǒng)計計算軟件對表3中的單個氣泡體積、閥座氣泡泄漏速率進(jìn)行了2階多項式算法擬合回歸,以形成趨勢線。R2為趨勢線擬合程度指標(biāo)。該指標(biāo)為0～1之間的數(shù)值,反映趨勢線的估計值與對應(yīng)的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度。R2越大,則趨勢線的可靠性越高。

表3 閥座氣泡泄漏速率與單個氣泡體積測試結(jié)果

基于激光對射的氣泡泄漏檢測方法的閥座氣泡泄漏速率與單個氣泡體積測試結(jié)果如表3所示。

閥座泄漏速率-單個氣泡體積關(guān)系趨勢曲線如圖2所示。

圖2 閥座泄漏速率-單個氣泡體積關(guān)系趨勢曲線

由表3、圖2可得以下結(jié)論。

①單個氣泡體積與氣泡形成速率或閥座氣泡泄漏速率成正比關(guān)系,即通過閥座泄漏的氣體體積與氣泡數(shù)的換算關(guān)系應(yīng)是個變量。因為隨著閥座氣泡泄漏速率的增大,單個氣泡體積或氣泡半徑也會增大,那么一定氣體體積與氣泡數(shù)的換算系數(shù)也會隨著氣泡泄漏速率的增大而變小。該結(jié)論進(jìn)一步驗證了文獻(xiàn)[8]描述的“氣泡泄漏速率與氣泡半徑成正比”論述的準(zhǔn)確性。

②當(dāng)設(shè)定氣泡形成速率為(0,3]氣泡/s時,單個氣泡體積約等于0.15 mL。

③當(dāng)氣泡形成速率為10.818氣泡/s時,趨勢線擬合程度指標(biāo)R2達(dá)到0.995,表明擬合可靠性非常好。當(dāng)設(shè)定氣泡形成速率大于8.18氣泡/s時,趨勢線擬合程度指標(biāo)R2呈下降趨勢。因此,不建議R2小于0.98的應(yīng)用,即不建議將激光對射泄漏檢測裝置用于氣泡形成速率大于10氣泡/s的氣泡泄漏檢測應(yīng)用。這是因為該應(yīng)用可能會帶來較為明顯的測量不準(zhǔn)確性。

4 氣體泄漏體積換算關(guān)系的準(zhǔn)確性

為了提升閥座氣泡泄漏測量結(jié)果表征的準(zhǔn)確性,以及便于閥門廠家、用戶等對標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定氣泡數(shù)與氣體泄漏體積換算關(guān)系的合理運用,本節(jié)結(jié)合第3節(jié)中基于激光對射的氣泡泄漏檢測的分析,對現(xiàn)有國內(nèi)外閥門標(biāo)準(zhǔn)中涉及的內(nèi)容進(jìn)行了以下比對研究。

①API598-2016規(guī)定:當(dāng)介質(zhì)為空氣時,1氣泡=0.01 mL;當(dāng)采用一個管內(nèi)徑為2～4 mm的管進(jìn)入水中時,其插入水中深度為3～6 mm;管端應(yīng)切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

②MESC SPE 77/300-2012[9]規(guī)定:介質(zhì)為空氣時,1氣泡=0.3 mL空氣;采用管壁厚1 mm、內(nèi)徑4 mm的6 mm管浸入水中5～10 mm;管端應(yīng)切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

③IEC 60534-4-2021規(guī)定:介質(zhì)為空氣時,1氣泡=0.15 mL;采用管壁厚1 mm、內(nèi)徑4 mm的6 mm管浸入水中5～10 mm;管端應(yīng)切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

④ANSI FCI 70-2-2013規(guī)定:介質(zhì)為空氣時,1氣泡=0.15 mL;采用管壁厚1 mm、內(nèi)徑4 mm的6 mm管浸入水中3～6 mm;管端應(yīng)切平并光滑無倒角或毛刺,且管軸中心線垂直于水表面。

經(jīng)分析可知,上述4項標(biāo)準(zhǔn)采用的測試管內(nèi)徑基本相同、測試管浸入水中深度相近,但氣泡數(shù)與泄漏體積之間的換算關(guān)系卻不同。這明顯是不合理的。這種不合理的前提是對測試管漏孔出口周邊上的液體表面張力產(chǎn)生的壓力對氣泡形成及速率的影響、測試管漏孔上方液柱高度產(chǎn)生的壓力對氣泡形成及速率的影響等因素忽略不計。

針對上述不合理現(xiàn)象,結(jié)合第3節(jié)的分析與驗證,本文分析如下。

①在氣泡形成速率≤3氣泡/s情況下,IEC 60534-4:2021規(guī)定的氣泡數(shù)與氣體泄漏體積的換算關(guān)系為1氣泡=0.15 mL更為科學(xué)合理。

②API 598-2016或MESC SPE 77/300-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氣泡數(shù)與氣體泄漏體積的換算關(guān)系應(yīng)限定為明確的條件使用或不建議采用。

③測試管浸入水中深度5～10 mm更為合理。這樣既可以避免氣體泄漏飛濺,又可以避免采用集氣排水法測量時,檢驗員手持量筒上下輕微移動帶來的不確定性。

④建議國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系統(tǒng)一規(guī)定氣泡泄漏檢測測試管規(guī)格如外徑6 mm、壁厚1 mm,以便實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的國際化并軌實施與產(chǎn)品的規(guī)范性。

此外,相同泄漏檢測氣體、不同壓力或溫度時,閥座氣體泄漏量換算建議參考IEC 60534-4:2021以及文獻(xiàn)[10]。相同溫度與壓力、不同泄漏檢測氣體時閥座氣體泄漏量的換算建議參考文獻(xiàn)[8]。泄漏量與檢漏氣體的粘滯系數(shù)成反比。

5 結(jié)論

石油石化、電力等系統(tǒng)中閥門閥座泄漏頻繁發(fā)生,凸顯了提升閥座密封性能、閥座泄漏檢測、優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等方面的重要性。本文通過基于激光對射的閥座氣泡泄漏檢測裝置的設(shè)計與科學(xué)試驗,對激光對射的氣泡泄漏檢測裝置的測量穩(wěn)定性、激光對射泄漏檢測時氣泡形成速率或泄漏速率與單個氣泡體積的關(guān)系、國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定氣泡數(shù)與氣體泄漏體積換算關(guān)系的準(zhǔn)確性等進(jìn)行研究,得出了激光對射的氣泡泄漏檢測裝置擁有優(yōu)越的測量穩(wěn)定性、氣泡形成速率與單個氣泡體積成正比等重要結(jié)論。本文指出了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于氣泡數(shù)與氣體泄漏體積換算關(guān)系的不合理之處,并基于激光對射閥座氣泡泄漏檢測試驗分析結(jié)果提出了科學(xué)的應(yīng)用建議,以及不同溫度、壓力和泄漏檢測氣體時閥座氣體泄漏量之間換算的參考建議。本文為完善閥座氣泡泄漏機(jī)理的研究、豐富閥座氣泡泄漏檢測技術(shù)、提升泄漏檢測效率與準(zhǔn)確性、縮小國內(nèi)外閥門產(chǎn)品差距以及國家標(biāo)準(zhǔn)修訂提供了技術(shù)支持。