逸散泄漏是溫室氣體的重要源頭之一。大氣中的甲烷具有很大的潛在威脅，因?yàn)樗男顭崮芰κ嵌趸嫉?8倍。在整座煉油廠的甲烷逸散泄漏總量中，閥門的逸散泄漏一般占60%，其中80%的泄漏發(fā)生在閥桿部位。

源于閥門的甲烷等物質(zhì)的泄漏，范圍和規(guī)模都大得驚人。想象一下單是一座煉油廠就有成百上千臺(tái)閥門，通常都是24小時(shí)不間斷運(yùn)行。全世界的油氣生產(chǎn)和下游行業(yè)估計(jì)每年都會(huì)泄漏1.05億噸甲烷。

為此，諸如油氣行業(yè)氣候倡議組織(OGCI) 等機(jī)構(gòu)早已行動(dòng)起來(lái)，在全球最大規(guī)模的石油和天然氣生產(chǎn)商們的配合下，致力于降低上游甲烷泄漏。OGCI的宗旨就是要在2025年前，將成員企業(yè)的上游甲烷排放總量降低三分之一以上。這意味著每年雲(yún)要減小60萬(wàn)噸甲烷逸散泄漏。

API 641和ISO 15848標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)低泄漏認(rèn)證有著基于不同體系的標(biāo)準(zhǔn)。本文關(guān)注的主要是API 641和ISO15848-1:2015標(biāo)準(zhǔn)。

API 641主要是針對(duì)直角回轉(zhuǎn)閥最常用的工業(yè)閥門。API 641適用于所有閥桿密封材料，并將最大允許泄漏率設(shè)定為較為苛刻的100ppmv (ppmv: 百萬(wàn)分之一體積單位)。同時(shí)它也規(guī)定，試驗(yàn)必須進(jìn)行610次機(jī)械循環(huán)和3次熱循環(huán)，在此基礎(chǔ)上測(cè)試閥門達(dá)到5年預(yù)期壽命時(shí)的泄漏情況。根據(jù)A組試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)過(guò)程中溫度會(huì)在常溫和500F/260C之間交替變化，同時(shí)按照每組100次循環(huán)，分階段進(jìn)行閥門開/關(guān)循環(huán)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中壓力始終保持在600psig。每次進(jìn)行閥門開/關(guān)循環(huán)前進(jìn)行1次靜態(tài)泄漏測(cè)量，完成一-組閥門循環(huán)之后進(jìn)行14次靜態(tài)泄漏測(cè)量。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，伴隨溫度的變化進(jìn)行7次動(dòng)態(tài)泄漏測(cè)量。

如果閥門]采用的是石墨基盤根，必須先對(duì)盤根進(jìn)行API 622試驗(yàn)，然后再對(duì)閥門進(jìn)行API 641試驗(yàn)。當(dāng)然如果未規(guī)定盤根需要達(dá)到API 622標(biāo)準(zhǔn)，也就無(wú)需進(jìn)行這樣的試驗(yàn)了，比如PTFE等材質(zhì)的盤根就不用做試驗(yàn)。根據(jù)API 641標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論盤根是何種材質(zhì)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都不允許對(duì)閥門盤根進(jìn)行任何調(diào)整或重新緊固。

再看ISO 15848-1:2015，工 業(yè)閥門關(guān)于逸散泄漏的測(cè)量、試驗(yàn)及鑒定規(guī)程，它對(duì)于隔離閥和控制閥都適用，并闡明了閥桿/閥軸密封、閥體密封部位的泄漏測(cè)量規(guī)程。根據(jù)這些具體標(biāo)準(zhǔn)，控制閥必須在40%和60%開度之間循環(huán)。對(duì)于密封等級(jí)、耐久等級(jí)和溫度等級(jí)也都有專門的定義。

密封等級(jí)的測(cè)試可以用氦氣或甲烷作為試驗(yàn)介質(zhì)。當(dāng)然后者更切合溫室氣體排放問題，也是各個(gè)密封等級(jí)的最大允許泄漏率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試介質(zhì)。CM級(jí)的允許泄漏率是≤500ppmv，B M級(jí)是≤100ppmv, AM級(jí)則是全世界最苛刻的甲烷泄漏標(biāo)準(zhǔn)≤50ppmv。值得注意的是，上述標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)閥桿密封的泄漏。控制閥閥體密封的甲烷泄漏必須≤50ppmv才能通過(guò)認(rèn)證。

耐久等級(jí)對(duì)于隔離閥和控制閥有著不同的標(biāo)準(zhǔn)。CC1級(jí)耐久等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)是:控制閥在完成2萬(wàn)次操作循環(huán)后，至少能夠達(dá)到相應(yīng)密封等級(jí)對(duì)泄漏率的最低要求。CC2級(jí)耐久等級(jí)要求完成6萬(wàn)次操作循環(huán)，CC3級(jí)要求完成10萬(wàn)次循環(huán)，并且都至少能達(dá)到密封等級(jí)對(duì)泄漏率的最低要求。

此外，ISO 15848-1針對(duì)逸散泄露測(cè)量，也闡明了溫度等級(jí)的定義:t-196°C，t-46°C ( 從-46°C到室溫)，tRT (從29°C到+40°C)，t200°C (從室溫到200°C)，t400°C(從室溫到+400°C)。顯然各個(gè)溫度等級(jí)同存在部分重量的區(qū)間，而且每個(gè)等級(jí)中都會(huì)出現(xiàn)“室溫”,有些是作為最高溫度，有些則是最低溫度。

控制閥需要新的設(shè)計(jì)

如前文所述，無(wú)論是哪座煉油廠，閥門都是甲烷逸散泄漏的主要源頭。此外源于閥桿以及驅(qū)動(dòng)閥門的膜式執(zhí)行器的泄露，最高可達(dá)80%。暫不去說(shuō)排放大量甲烷的執(zhí)行器，下文先講一講控制閥本身的設(shè)計(jì)。

煉油廠常用于工藝控制的截止閥一-般都是多回轉(zhuǎn)閥桿，或是通過(guò)上下移動(dòng)在全開/全關(guān)之間循環(huán)的線性運(yùn)動(dòng)閥桿。為了使盤根有效實(shí)現(xiàn)密封，填料函螺栓必須充分緊固，從而壓縮下方的法蘭、彈簧和隨動(dòng)件，進(jìn)而將壓力傳遞給盤根，并在閥桿周圍實(shí)現(xiàn)緊密的密封。填料函壓蓋螺栓的緊固扭矩，是決定盤根承受的載荷的關(guān)鍵因素。

即使盤根得到了充分載荷，截止閥閥帽和閥桿固有的幾何結(jié)構(gòu)，仍使它們具有容易泄漏的特性。制造商手里的所謂“低泄漏”閥門，通常泄漏率都是500ppmVe之所以每年都有無(wú)數(shù)噸產(chǎn)品流失到大氣環(huán)境中，這些閥門的泄漏就是根源之一。執(zhí)行器工作時(shí)輸出的巨大扭矩，閥桿的縱向移動(dòng)，這些因素都對(duì)盤根的密封機(jī)制具有破壞效應(yīng)，因此需要進(jìn)行日常的現(xiàn)場(chǎng)檢查和調(diào)整。

為了緩解上述負(fù)面效應(yīng)，Clarke閥門公司設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的控制閥，它的幾何結(jié)構(gòu)以及功能性操作，與目前全世界普遍使用的截止閥不同。這種新設(shè)計(jì)的百葉閥從緊密關(guān)閉到全開，只需閥桿直角轉(zhuǎn)動(dòng)九十度。通過(guò)一套小齒輪和齒圈，將閥桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成三個(gè)連鎖活瓣的繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這三個(gè)連鎖活瓣控制著閥門的流道孔徑。這意味著閥桿無(wú)需任何上下位移，而且閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角行程，也遠(yuǎn)小于截止閥。

百葉閥的閥帽也具有輔助保持系統(tǒng)壓力的功能和特性，有助于避免閥門頂部接口處的逸散泄漏。閥帽向下施加載荷，將彈簀蓄能密封元件緊壓在下方盤根環(huán)組件上。盤根環(huán)組件由一組堆疊放置的標(biāo)準(zhǔn)0型圈和PTFE (聚四氟乙烯)軸套構(gòu)成，彈簧蓄能密封元件位于組件頂端，受到壓力時(shí)能有效膨脹。這樣的設(shè)計(jì)避免了一般閥門都會(huì)需要的盤根螺栓、螺母、彈簧、隨動(dòng)件，而且不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行任何調(diào)整或重新緊固。此外閥體和閥帽接口處也用一個(gè)O型圈密封 。

百葉閥只需一臺(tái)低扭矩、高能效的電動(dòng)執(zhí)行器就可以驅(qū)動(dòng)，擺脫了原先那種笨重、高扭矩，而且每次驅(qū)動(dòng)閥門都會(huì)向大氣環(huán)境排放甲烷的執(zhí)行器。三個(gè)連鎖活瓣的開啟方向垂直于工藝介質(zhì)的流動(dòng)方向，因此閥門開啟或關(guān)閉時(shí)，部件受到的流體阻力明顯降低。

總結(jié)

根據(jù)Yarmouth科研技術(shù)有限公司所做的獨(dú)立試驗(yàn)，設(shè)計(jì)他待的百葉閥既符合API641直角回轉(zhuǎn)閥標(biāo)準(zhǔn)。也符合ISO 15848-1:2015工業(yè)控制閥標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行API 641試驗(yàn)時(shí)，閥門的平均淮清率是6.25ppmv,輕松滿足了低于100ppmv的要求。進(jìn)行ISO 15848-1試驗(yàn)時(shí)，閥門在執(zhí)行10萬(wàn)次機(jī)械循環(huán)的過(guò)程中，泄漏率始終低于10ppmv。

閥門的設(shè)計(jì)性能如此卓越，自然吸引了油氣行業(yè)氣候倡議組織(OGCI) 等相關(guān)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。事實(shí)上OGCI已于2018年,對(duì)Clarke公司的防泄漏技術(shù)投入了550萬(wàn)美元。新的設(shè)計(jì)能將每臺(tái)閥門的甲烷排放減少95%。油氣生產(chǎn)商們正在加快步伐，用新技術(shù)新產(chǎn)品替代數(shù)百萬(wàn)臺(tái)在役的截止閥。照此趨勢(shì)，業(yè)界無(wú)疑有望在更短時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)OGCI及其它相關(guān)機(jī)構(gòu)制定的逸散泄漏降低目標(biāo)。