阀门逸散性密封等级的工程设计探讨
彭晨飞
浙江永盛科技股份有限公司 浙江杭州市 311407
摘要：近年来，我国的各行各业建设的发展迅速，石油化工装置因多含有毒有害、易燃易爆介质而备受环保关注，在当今环保问题日趋严峻的背景下，人们日益重视石化装置中介质的泄漏问题。如美国1990年再度修订《净化空气法》的一个主要目的就是减少189种化学品总量90%的逸散，德国和欧盟其他国家也对有毒有害介质向大气逸散污染作出相关规定要求，我国环保部在2014年12月发布了整治方案以贯彻落实《大气污染防治行动计划》。石化行业挥发性有机化合物（VOCs）主要源自流体设备密封处的逸散，特别是管道法兰和阀门密封处泄漏。阀门逸散性泄漏在工程上常简称微泄漏或低泄漏，国内外都出台了专门的逸散性试验标准来规范检测阀门的微泄漏。
关键词：阀门逸散性；密封等级；工程设计探讨
引言
挥发性有机物是形成臭氧、细颗粒物等二次污染物的重要前体物，有研究表明50%以上的挥发性有机物来源于石油化工行业工艺设备的逸散泄漏和排放。据统计石油化工行业工艺设备中阀门占比约为70%，因此，采用低逸散性阀门可以减少挥发性有机物的排放。
1重要性
石油化学工业的迅猛发展，一方面给人类生活带来了巨大变化；另一方面，相当一部分石化产品具有一定危险和危害性，对人类健康和环境构成了巨大威胁。具有极度危害或高度危害的毒性介质如氯甲醚、光气、苯、氯乙烯、丙烯及乙烷等，其相对分子质量一般都比较小，容易从生产设备中泄漏出去，又不易目测发现，而这些物质一旦有微量泄漏就会对环境、操作人员造成不可挽回的严重伤害。阀门作为石油化工装置中不可缺少的设备，其种类多、数量大，是装置中主要泄漏源之一。随着人们安全环保意识的日益增强，对石油化工装置中有毒、可燃、易爆以及挥发性有机物（VOC）介质允许泄漏等级要求也越来越严，人们越来越重视逸散性泄漏，美国石油协会API600－2015版标准就已明确规定：按该标准制造的阀门必须通过API624标准的型式试验，以满足逸散性泄漏的要求。
2主要标准介绍
目前国内外常用的逸散性泄漏阀门检测标准主要如下：1）美国环境保护署EPAmethod21挥发性有机组分泄漏检测。2）ISO15848－1《工业阀门逸散性泄漏测量、试验和鉴定程序——第一部分：阀门型式试验的分类和鉴定程序》。3）ISO15848－2《工业阀门逸散性泄漏测量、试验和鉴定程序——第二部分：阀门产品验收试验》。4）壳牌石油公司SHELLMESCSPE77/300《工业阀门型式试验程序和技术规范》。5）壳牌石油公司SHELLMESCSPE77/312《微泄漏产品试验》。6）GB/T26481《阀门的逸散性试验》。7）API622《阀门填料逸散性试验程序》，该标准是单独对填料性能进行评价的。8）API624《安装石墨填料的升降阀杆阀门逸散性泄漏的型式试验》，该标准只对阀杆进行考核，并要求安装的填料须经API622型式试验合格。
3逸散性密封等级选用
石油化工行业的工程设计中，国内外标准规范对有毒有害、易燃易爆介质阀门的微泄漏均有要求。GB/T20801.3—2006对GC1级管道阀门，要求阻止介质在填料处的外泄漏；GB50316—2000对A1类流体和ASMEB31.3—2016对M类液体工况用阀门，都有类似要求。但上述标准对阀门逸散性泄漏量并没有给出明确限制，具体的密封等级需要设计人员考虑。
随着“市场监管总局关于特种设备行政许可有关事项的公告〔2019年第3号〕”对压力管道分级的调整，尤其是对GC1分级作出的调整，以剧毒介质为代表的急性毒性指标成为压力管道安全设计及密封等级选用的主要考虑，这与GBZ230—2010规定的考虑急性毒性、致癌性、腐蚀性等9项指标后加权平均计算介质危害级别有很大不同，与考虑长期职业接触的泄漏控制也不同。
3.1密封等级定性选择
针对有毒有害介质，工程设计中很难定量判定介质毒性指标与泄漏量，从而选用合理的密封等级。按照2019年3号公告，GC1管道中急性毒性为I级，可以选用A级密封阀门；GC1管道中急性毒性为II级，可以选用B级密封阀门。GC2管道中急性毒性为II级，如业主或专利商无特殊要求，从成本控制角度出发，工程设计中建议不作密封等级要求。某国外业主项目中，对纯氢氰酸管道阀门，业主原设计采用欧氯标准冲刷型波纹管截止阀，但对混合物中氢氰酸浓度较低的管道阀门，只要求采用一些特殊填料以提高密封性能。考虑到建设地为长三角地区，实际设计中增加了B级密封等级的要求，同时结合氢氰酸浓度范围、GB管道分级以及ASMEB31.3-2016，作出了工程规定，既满足国内标准要求，又在成本可控的范围内增强了阀门密封可靠性。
3.2密封等级定量选择
针对可燃介质和VOCs，工程设计中可以采用扩散理论，定量计算气体泄漏扩散过程中遵循运动普遍适用的守恒定律，即三大守恒定律，具体可以采用安全评价中常用的扩散模型和量化分析软件。SAFETI系列软件由挪威船级社开发，主要应用于石化行业量化风险分析且应用广泛。PHAST，LEAK和SAFETI是SAFETI下属3个软件，其中PHAST能模拟计算介质泄漏扩散过程，定量计算燃烧热辐射、有毒云团和爆炸冲击波的影响程度和范围。设计中可以根据定量计算的结果，结合成本控制来合理选择阀门密封等级。
3.3在役检验方法
阀门在役逸散性检验是基于环保要求制定的。目前，针对石油化工行业挥发性有机物的测定已制定了相应的标准和规范，如美国的EPA21Method和EPA95Protocol，欧盟的环境空气质量指令（2008/50、EC）和CEN/TC264－WG38等，我国在新大气污染防治法中增加了关于有机挥发物的检测控制与防治。各标准都提出了有逸散性泄漏的设备都需要检验，其中阀门是作为整个装置有机挥发物重点的检验部位，如《石化行业挥发性有机物综合整治方案》及《石化行业VOCs污染源排查工作指南》都明确了需要对在役阀门逸散性检测与修复。逸散性常用的检测手段有FID检测和IＲ摄像机检测2种方法。FID是一种氢燃料接触氧气燃烧产生火焰的方法测量有机物成分的含量，其是一种高灵敏度便携式检测器，对几乎所有的有机物都有响应，且检测响应快。IＲ摄像机是用红外摄像机固定在某些重点监控部位，实现24h不间断检测。另外，通过声发射检测方法也实现了对阀门泄漏的在线检测。声发射检测通过对阀门泄漏过程的声学机理分析，确定阀门泄漏率与声发射特征参量的关系，进而判断阀门是否存在泄漏及泄漏量。阀门逸散性在役检验方法，无论FID检测和IＲ摄像监测还是声发射检测都具有不影响设备运行实现在线实时检测的功能，且检测直观，能准确定量逸散性泄漏量。但FID相比其他两种方法，需要人员移动操作且对数据采集点的位置要求较高。IＲ红外检测是通过图像处理计算泄漏率。声发射检测是通过探头固定信号采集及处理。FID检测数据更直观，IＲ和声发射更适合复杂环境下的在线监测，有效保护检验过程的安全。
结语
阀门的逸散性能直接关系到整个装置的安全。所以不仅要从严抓制造环节的产品质量，也要合理使用环节的监测与检验，及时发现和处理问题，完善阀门制造与在役的逸散性检验工作，确保石油化工装置用阀门安全可靠。
参考文献：
[1]黄明亚，胡军，张继伟，等.阀门逸散性国内外标准的分析与研究[J].阀门，2015（4）：34-37.
[2]刘兰，尚洪宝.逸散性泄漏阀门标准分析和密封技术探讨[J].自动化仪表，2018，39（6）：67-70，74.
[3]杨兴有.阀门的微泄漏等级及工业应用[J].化工设备与管道，2013，50（2）：59-62.
[4]吴惠萍.管道输送有毒有害气体泄漏扩散数值模拟研究[D].赣州：江西理工大学，2014.