采用低逸散性阀门可以减少挥发性有机物的排放。
目前，普遍适用于转1/4周阀门逸散性泄漏型式试验的标准分别是API 641—2016《转1/4周阀门逸散性泄漏的型式试验》和ISO 15848—1—2015 A1—2017（E）《工业阀门—逸散性泄漏测量、试验和鉴定程序第1部分：阀门型式试验的分类和鉴定程序》。
标准分析
1. API 641—2016标准
API 641—2016标准规定了转1/4周阀门的逸散性泄漏型式试验的要求和验收准则。阀门的型式试验主要依据美国环境保护署EPA method 21法规关于易挥发有机物逸散的检测和评定方法。API 641标准适用的阀门公称尺寸≤NPS24，压力等级≤Class1500，压力温度额定值≥6.89bar。
API 641标准规定型式试验介质应是纯度最低为97%的甲烷，检测方法为吸枪法。在整个试验过程中阀门密封系统不允许进行任何调整，在各测量点所进行的动态和静态测量泄漏量均＜0.01%。
API 641标准规定试验阀门应经受610次机械循环和3次热循环，机械循环和热循环应在阀门处于环境温度下开始。转1/4周阀门试验循环如图1所示。
图1 转1/4周阀门试验循环
API 641标准按试验阀门最大温度额定值进行分组，以260℃为分界点，将试验阀门分成A～F组，并对每个组别的阀门试验参数T e、P e和P a作出了规定。转1/4周阀门分组见表1。
表1 转1/4周阀门分组
2. ISO 15848—1—2015标准
ISO 15848—1—2015标准规定了用在逸散性空气污染物和危险性流体的切断阀和控制阀的阀杆密封系统和阀体连接部位的型式试验和鉴定程序。
ISO 15848—1—2015标准将试验阀门分为切断阀和调节阀，分别规定了3种不同次数的机械循环和热循环。切断阀和调节阀耐久等级见表2。
表2 切断阀和调节阀耐久等级
ISO 15848—1—2015标准规定型式试验的介质应是纯度最低为97%的氦气或纯度最低为97%的甲烷。ISO15848—1—2015标准根据试验介质的不同，分别规定了阀杆密封处的密封等级和自阀体密封处的泄漏量。在整个试验过程中阀门密封系统允许进行调整。阀杆密封处的泄漏量见表3和表4。
表3 阀杆密封等级（氦气）
表4 阀杆密封等级（甲烷）
ISO 15848—1标准2017年发布的修订版将室温温度范围调整为5～40℃，替代了2015年发布的修订版中室温温度范围－29～40℃。因此，试验阀门温度等级由5组调整为6组。
API 641—2016与ISO 15848—1—2015标准对比
API 641—2016标准按试验阀门最大温度额定值进行分组，从表1中可知阀门热循环试验时高温Te≤260℃，阀门高温试验压力Pe和常温试验压力Pa最大值不超过41.4bar。ISO15848—1—2015标准将温度等级分为6组，从表5可得出阀门热循环试验时高温T test最大值为400℃，阀门高温试验压力为试验温度下壳体材料所允许的额定压力，常温试验压力为壳体材料压力温度额定值。
表5 温度等级
API 641—2016标准对所有满足表1分组要求的试验阀门需进行610次机械循环和3次高温循环。ISO15848—1—2015标准对试验阀门耐久等级进行了明确的划分和规定。此外对于密封等级，ISO15848—1—2015标准比API 641—2016标准划分得更细致，从某种程度上，API 641—2016标准对密封等级的要求比ISO15848—1—2015标准要求严格。
A P I 641标准规定试验检测方法为吸枪法。ISO15848—1—2015标准对于阀杆密封等级为AH级采用真空法；对于阀杆密封等级为BH和CH级采用真空法或包覆法；对于自阀体密封处的泄漏量采用吸枪法。
在对非试验阀门延伸准则上，API 641—2016标准要求对影响密封性能的所有部件的公差等级和表面精度与试验阀门相同，而ISO15848—1—2015标准仅要求阀杆密封和阀体密封材料及阀门结构与试验阀门相同。其次，ISO15848—1—2015标准未对阀门总的密封装置高度范围提出要求，而API 641—2016标准要求总的密封装置高度的尺寸为测试阀门的75%～125%。
以江苏神通阀门股份有限公司Class600金属硬密封蝶阀样机为例，阀体材质为CF8M，分别取API641—2016和ISO15848—1—2015对阀门填料处低泄漏等级的标示证书。两种型式试验参数对比见表6。
表6 型式试验参数对比
型式试验过程中常见问题探讨
1. 泄漏量超标
样机在试验循环中，当泄漏量超出标准值，意味着样机型式试验失败。因此，阀杆密封处和阀体密封处的密封性能对整个试验过程至关重要。
阀体密封处泄漏点通常为端法兰与试压盲板连接处，压力等级＞Class300的阀门，阀体端法兰与试压盲板处密封一般选用八角垫。经试验验证八角垫可重复性差，二次装配后密封性能无法满足要求。江苏神通阀门股份有限公司提出了一种新型法兰密封结构，将隔环与缠绕垫片组合使用，经试验验证该结构密封性能良好，
端法兰密封处的泄漏量远小于标准规定值。
为了保证阀杆密封处的泄漏量，在选择填料时应选择低泄漏填料，阀杆、填料函公差可参照API 622标准4.1.1全部条款要求或执行填料厂家推荐值。常用低泄漏填料类型主要有两种，一种是编织填料，一种是组合填料。不同类型填料装配方法不同，样机装配时应特别注意。经试验验证两种不同类型填料按照相应的装配方法装配后均可满足阀门逸散性型式试验的要求。拆解后的填料如图2和图3所示。
图2 编织填料
图3 组合填料
2. 轴承卡阻
样机在高温试验循环时，往往会出现阀门开关时间变长，驱动装置出现扭动或异响。由于阀门在高温条件下工作，因热胀导致阀杆与轴承配合间隙减小，特别是当两者采用不同材料时，其线胀系数不同，可能导致高温下阀杆与轴承卡阻，因此需对阀杆与轴承之间的配合间隙进行修正。
通常情况下，生产图上标注的尺寸配合公差是以20℃为基准的，对于高温条件下工作的阀门，其阀杆与轴承之间的配合间隙修正计算公式为：
式（1）及式（2）中，负号用在当温度提高、孔的尺寸扩大的情况下；正号用在当温度提高、孔的尺寸缩小的情况下。
为了防止轴承卡阻，除了需对阀杆与轴承之间的配合间隙进行修正外，还需对阀杆与轴承配合面进行硬化处理，阀杆外表面和轴承内表面喷涂钴基合金，确保两配合面之间硬度差≥5HRC。
通过对轴承与阀杆配合间隙修正和表面硬化处理，样机在经受610次机械循环和3次高温循环后，阀杆与轴承配合面未出现咬合、点蚀、磨损和擦伤等现象。拆解后的阀杆与轴承如图4和图5所示。
图4 阀杆表面硬化处理区域
图5 轴承内表面硬化处理区域
结语
近几年，国家环保部门对石油化工厂挥发性有机物排放提出了更高的要求，越来越多的设计院和业主要求阀门厂商持有API 641—2016或ISO 15848—1—2015逸散性泄漏型式试验证书，阀门厂家生产的阀门符合逸散性排放物标准的要求。通过对逸散性泄漏型式试验标准分析和对比，以及对型式试验过程中的常见问题分析，可为低逸散性阀门设计及逸散性泄漏试验提供借鉴。
以上节选自《通用机械》2020第6期
阀门逸散性泄漏标准分析和型式试验过程中的问题探讨
作者：黄赛荣 等
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