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正确认识控制阀阀座泄漏量正确认识控制阀阀座泄漏量 李宝华 摘要摘要 控制阀阀座泄漏量是一项重要的出厂检验、型式检验的规定项目，也是控制阀安 装前的试验重点和在线功能安全的保障基础，制造厂、设计方和用户对此都格外 关注。国际标准和国家标准对控制阀阀座泄漏有明确的规定，规范了泄漏等级、 试验介质、试验程序和阀座最大泄漏量。 关键词关键词控制阀标准；阀座泄漏；泄漏等级；试验程序；阀座泄漏量计算。 引言引言 控制阀是工业生产中采用最多的终端控制元件，常常决定着过程控制是否及时有效。如果控制阀出现 故障，控制回路将被迫中断控制操作，有可能引发更大的系统故障、安全风险以及造成难以估量的经济损 失。在所有控制阀故障中，无法紧密关闭和阀座泄漏量超过规定值是用户最为担心的问题之一。 控制阀阀座泄漏量是一项重要的出厂检验、型式检验的规定项目，也是控制阀安装前的试验重点和在 线功能安全的保障基础，制造厂、设计方和用户对此都格外关注。 对于控制阀阀座泄漏，控制阀业界以及标准化组织都十分重视，国际标准和中国国家标准对控制阀阀 座泄漏有明确的规定，规范了泄漏等级、试验介质、试验程序和阀座最大泄漏量，并及时修订。 尽管有明确的标准和规范，但国内控制阀制造厂、设计方和用户中还是有不少人对控制阀阀座泄漏量 及试验有点模糊不清、对阀额定流量系数和阀额定容量混为一谈，更是在阀额定容量计算上错误频出。本 文试说明控制阀阀座泄漏的现行标准、检验和例行试验、阀额定容量、允许阀座最大泄漏量及其计算等。 现行的国际和国家标准现行的国际和国家标准 有关控制阀阀座泄漏的现行标准有 （（1））GB/T 17213.4-2005工业过程控制阀 第 4 部分 检验和例行试验 （IDT/等同 IEC 60534-4-1999（2.0 版本） ） ，2006 年 4 月 1 日起实施。 该国标的条目 7 为“液体静压和阀座泄漏量试验”和条目 7.3“阀座泄漏” ，制定了阀座泄漏等级、规 定了试验程序和各泄漏等级的阀座最大泄漏量、 定义和计算以及附录 A 的阀座泄漏量计算示例等内容均等 同 IEC 60534-4-1999（2.0 版本）标准，只是与最新的 IEC 60534-4-2006（3.0 版本）在泄漏等级 IV-S1 （GB/T 17213.4-2005 缺少液体试验）和泄漏等级 V（GB/T 17213.4-2005 缺少气体试验）的选择试验 方法的规定上有些不同。 （（2））GB/T 4213-2008 气动调节阀 ，2009 年 2 月 1 日起实施。 新修订的该国标替代已作废的 GB/T 4213-92，适用产品仍为采用气动执行机构的控制阀（调节阀） ， 并说明该国标的规范性引用文件包含 GB/T 17213工业过程控制阀系列所有部分（GB/T 17213 系列 目前有 16 个现行标准）并作为依据进行了标准修正。 GB/T 4213-2008 的条目 5.6 为技术要求中的“泄漏量” ，规定了符合 IEC 标准的泄漏等级与最大阀座 泄漏量；条目 5.6.5 强调了“在计算确定泄漏量的允许值时，阀的额定容量应按 GB/T 17213.2 规定的方 法计算” ；将 92 版标准的“压力降条件判定”修订为与 IEC 标准相一致的“阻塞流公式条件判定” ；阀额 定容量的计算公式是按规定试验条件对系数取值并圆整后的，使用起来较简便。在条目 6.9 中规定了符合 IEC 标准的泄漏量的试验程序。只是在泄漏等级 V 中较 IEC 60534-4-2006 标准少了规定气体试验。 （（3））IEC 60534-4-2006 3.0 版本版本工业过程控制阀 第 4 部分 检验和例行试验 Industrial-process control valves - Part 4 Inspection and routine testing。 国际电工委员会 （IEC） 的该标准 3.0 版于 2006 年 6 月发布， 用于替代 IEC 60534-4-1999 （2.0 版本） 。 其中的条目 5.5 是“阀座泄漏试验” ，标准中的表 3“各泄漏等级的最大阀座泄漏量”新增规定了在泄漏等 级 IV-S1 的液体试验和泄漏等级 V 的气体试验。 IEC 标准被各国、各制造商和用户普遍采用，WTO 协议更是要求各成员国应以国际标准为基础，以避 免技术壁垒。对于工业过程控制阀，目前也只有 IEC 组织发布有一系列的标准，并被欧盟及大部分国家的 标准化组织采用。当 IEC 60534-4-2006（3.0 版本）发布后，也迅速被很多国家及标准化组织修订原有标 准并等同采用，如欧洲标准化组织及其成员国欧盟 EN 60534-4-2006、英国 BS 60534-4-2006、德国 DIN EN 60534-4-2007，等。在亚洲，有日本的 JIS B2005-42008，而中国也有修订的计划。 （（4））ANSI/FCI 70-2-2006 控制阀阀座泄漏 Control Valve Seat Leakage 。 美国国家标准委员会ANSI/流体控制学会FCI的该标准2006最新版是为了与IEC 60534-4-2006标准 相一致而修订的，替代已作废的 ANSI/FCI 70-2-2003。尽管最初的 IEC 60534-4 是在 FCI 70-2 和 ASME B16.104 基础上形成的，但现在是 ANSI/FCI 要与 IEC 标准保持一致。ANSI/FCI 70-2-2006 在前言中也说 到是从 1998 年起开始和保持 IEC 60534-4-2006 标准的一致性。而在国内业界至今传播最广的是更早时 间作废的 ANSI/FCI 70-2-1991-1998，还有不少国内外制造厂家和设计方及用户仍在引用该作废版标准， 这就很容易在市场竞争中引起技术摩擦。 ANSI/FCI 70-2-2006 在前言中还提到以前曾有美国机械工程师学会 ASME B16.104-1976 标准 （ANSI/FCI 70-2-1991 与其等同） 。ASME 早就宣布这个标准已经作废而不延续，控制阀阀座泄漏的标准 按照 ANSI/FCI 70-2-2006。 ANSI/FCI 70-2-2006 并重申该标准适用调节型和自力式控制阀，不包含开关控制阀，若为切断隔离 或紧密关闭应用时，建议按照美国石油组织 API 598 标准阀门检验和试验 Valve Inspection and Testing 。 （（5））EN 1349-2008工业过程控制阀 Industrial process control valves 。 EN 1349-2008 是欧洲标准，欧盟各国也有等同的标准，如德国的 DIN EN 1349-2008、英国的 BS EN 1349-2008，等。EN 1349-2008 中的控制阀阀座泄漏量标准（表 2）基本上与 IEC 60534-4-2006 标准一 致，也只是在泄漏等级 V 中少了规定气体试验。 上述 5 个国际标准和国家标准在控制阀阀座泄漏的泄漏等级、试验程序及试验介质、阀座最大泄漏量 及阀额定容量定义和计算上是基本一致的，有关规定是非常明确的，可以说 IEC 60534-4-2006 标准在国 际上被普遍认可，更先进和更适用一些，本文主要围绕此标准进行说明。 此外，国内还有部分行业标准涉及到控制阀阀座泄漏，如 SH/T 3521-2007 石油化工仪表工程 施工技术规程 ， 该规程主要提出了石油化工仪表工程施工中的技术要求， 在条目 6.8 “执行器” 中的 6.8.4 是控制阀阀座泄漏量试验的规定。在其规定内容中有关阀额定容量的计算公式是相同于已作废标准 GB/T 4213-92 版本，采用压力降判定方法的。 控制阀阀座泄漏量控制阀阀座泄漏量 控制阀阀座泄漏量是指在规定的试验条件下，试验介质流过关闭状态控制阀的流量。试验介质为常温 下的液体（水）或气体（清洁的空气或氮气） 。试验条件包括执行机构调整到符合规定的工作条件并施加 所需的关阀推力或扭矩、试验介质施加在阀体的正常或规定入口、阀体出口通大气或连接低压损并出口通 大气的测量装置，等。 控制阀阀座泄漏量与泄漏等级、试验介质和试验程序、阀额定流量系数和阀额定容量有关。 阀额定流量系数和阀额定容量阀额定流量系数和阀额定容量 流量系数流量系数（flow coefficient）是控制阀在规定条件的规定行程下流过阀的特定体积流量（容量） 。流量 系数有国际单位制的KV（m 3/h）和英美单位制的 CV（US gal/min 美国加仑/分）之分。 流量系数KV是在阀两端静压损失（P⊿ kv）为 10 5Pa（1bar） 、流体是 278K 至 313K（5oC 至 40oC）温 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 度范围内的水，在规定的行程下流过阀的特定体积流量/容量（体积流量的单位是 m 3/h） 。 流量系数CV是在压力下降（P⊿ Cv）1 psi 的情况下，温度范围为 40 oF 至 100oF（4oC 至 38oC 的水在 1 分钟流过的美国加仑数（US gal/min） 。 流量系数的换算关系为 KV /CV 0.865 CV 1.156 KV 有关流量系数（流通能力）的计算及公式，国际国内现行的相关标准都已一致，都是基于 IEC 60534-2-1-1998工业过程控制阀 第 2-1 部分流通能力 安装条件下流体流量的计算公式 。如美国国 际自动化学会（原美国仪表学会）的 ANSI/ISA 75.01.01-2007 MOD IEC 60534-2-1-1998（ANSI/ISA 75.01-1985 早已作废） ；我国的 GB/T 17213.2-2005 IDT（等同）IEC 60534-2-1-1998；GB/T 4213-2008 中则特别说明流量系数“应按 GB/T 17213.2 规定的方法计算” 。 额定流量系数额定流量系数 C（rated flow coefficient）是额定行程下的流量系数值，依单位制或为KV或为CV 。对 于特定的某台控制阀来说，就是制造厂按设计操作条件计算选型后定制供货的在额定行程下的控制阀流量 系数KV或CV。SAMSON 称为KVS或CV。 阀额定容量阀额定容量（ratde valve capacity）是指在规定试验条件规定试验条件和额定行程下，试验流体（气体或液体）流 经控制阀时的流量。 阀额定容量和流量系数有关，但有区别。流量系数是规定的标准条件标准条件下，是控制阀阀前后压差在 1bar （100kPa、10 5Pa）下流过的水的 m3/h 数；而阀额定容量是在规定的泄漏量试验条件 试验条件下，阀压差并不一 定是 1bar（100kPa、10 5Pa）时的流量标准值。或者说这是在实际操作（试验）条件下的流通能力，是需 要按操作条件进行计算和修正的，这与控制阀按应用的操作条件选型计算同理。 试验程序试验程序 IEC 60534-4-2006 标准规定了泄漏量检验的 2 个试验程序 试验程序试验程序 1 试验介质的压力应在 300kPa - 400kPa（3bar-4bar）表压之间，如果此压力低于 350kPa（3.5bar） ， 则应在买方规定的最大工作压差5的范围内。 试验程序试验程序 2 试验压差应在买方规定的控制阀前后最大工作压差5以内。 其它标准与之不同的有 GB/T 4213-2008 中的试验程序 1 规定试验介质压力应为 0.35MPa（350kPa、3.5bar） ，当阀的允许 压差小于 0.35MPa 时用设计规定的允许压差。 ANSI/FCI 70-2-2006 中的试验程序 1 规定试验介质压力为 50psi（340kPa、3.4bar） 。 GB/T 4213-2008 中的试验程序 2 规定为阀的最大工作压差。 试验压力的不同取值及压力单位影响阀额定容量计算过程，这一点要在计算中加以注意。 泄漏等级和允许最大泄漏量泄漏等级和允许最大泄漏量 IEC 60534-4-2006 标准规定的控制阀阀座泄漏等级（参见表 1）有 6 个级别 7 项 等级 I（1 级）为基础级，泄漏量由制造方和购买方商定，不要求进行试验。 等级Ⅱ（2 级） ，使用试验程序 1 的液体或气体试验介质，允许最大泄漏量 5x10 -3x 阀额定容量（即 0.5阀额定容量） 。 等级Ⅲ（3 级） ，使用试验程序 1 的液体或气体试验介质，允许最大泄漏量 10 -3x 阀额定容量（即 0.1 阀额定容量） 。 等级Ⅳ（4 级） ，使用液体介质可选试验程序 1 或 2，气体介质选试验程序 1，允许最大泄漏量 10 -4x 阀额定容量（即 0.01阀额定容量） 。 等级Ⅳ-S1（4-S1 级，通常为阀芯阀座经研磨的金属密封） ，使用液体介质可选试验程序 1 或 2，使用 气体介质选试验程序 1，允许最大泄漏量 5x 10 -6x 阀额定容量（即 0.0005阀额定容量） 。 w w w . b z f x w . c o m 等级Ⅴ（5 级） ，使用液体介质用试验程序 2，允许最大泄漏量 1.8x 10 -7x⊿p x D（D 为阀座直径 mm） l/h；使用气体介质用试验程序 1，允许最大泄漏量 10.8x 10 -6x⊿p x D Nm 3/h。 等级 Ⅵ （6 级，亦称气泡级） ，使用气体介质用试验程序 1，允许最大泄漏量 3x 10 -3x⊿p x 泄漏率系 数。这个泄漏率系数与阀座直径、每分钟毫升数或每分钟气泡数有关（泄漏速率参见表 1 的注 2） 。 表 1 IEC 60534-4-2006 各泄漏等级的阀座最大泄漏量 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 阀额定容量的计算阀额定容量的计算 在进行控制阀阀座泄漏试验时，必须掌握正确的阀额定容量计算方法、按照被检验控制阀的额定流量 系数KV或CV和设计的阀压差等操作条件先计算出该控制阀的最大允许泄漏量、 进而计算和试验得出数据， 来判断控制阀阀座密封性能是否达标。 阀额定容量计算是按规定的流量计算公式、按规定的试验条件和额定最大行程计算出试验流体（气体 或液体）流经控制阀时的流量。相关计算公式见式 1 至式 4。 对于液体流体，要先依据阻塞流公式进行应用条件判定，然后再选用不同的计算公式。 对于非阻塞流（判定式p △FL 2（p 1 – FF pV） ）的不可压缩流体（液体） ，计算按照 式 1a 是 GB/T 4213-2008 中按规定的试验条件取值圆整后的计算公式（式 2a 同） ，其中流量系数取 K V和FP 1、FR 1。同时压力单位是 kPa，因此才有常数 0.1（N1） ，这个地方常有人忽视压力单位量纲而 计算错。 对于阻塞流（判定式p △≥FL 2（p 1 – FF pV） ）的不可压缩流体（液体） ，计算按照 对于可压缩流体（气体）是否阻塞流要考虑压差比条件（X FγX T 或X ≥FγX T ） ，判定后再选用不同 的流量单位和计算公式（见表 2） 。 可压缩流体（气体）非阻塞流的，计算公式为 （式 2） Q 0.1FLKv （式 2a） （式 1） （式 1a） Q 0.1Kv w w w . b z f x w . c o m 式 3c 是 GB/T 4213-2008 中按规定的试验条件取值圆整后的计算公式（式 4c 同） 。 阻塞流的可压缩流体（气体）的计算公式为 GB/T 4213-2008 规定的阀额定容量计算方法见表 2（同式 1a、2a、3c、4c） 。 阀额定容量计算出准确结果后，再计算对应各泄漏等级的阀座最大允许泄漏量轻而易举。 阀额定容量计算举例阀额定容量计算举例 以最常见的单座阀型为例，如 SAMSON 3241 型单座控制阀 举例DN 80（阀座孔径 80mm） 、PN40； 行程 15mm、流开；流量系数 KV 80 ； 阀座密封等级可达到 IV、IV-S1、V、VI（软密封） ； 压力恢复系数 FL 0.90、压差比系数 XT 0.72 。 试验条件温度 20 oC2 oC；大气压 86-106kPa（取值 100kPa） 。 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 试验介质5 oC 至 40 oC 的清洁气体（空气或氮气、相对密度为 1）或水。 （1）采用试验程序 1，试验介质为水 试验按照 GB/T 4213-2008 规定的压差 0.35MPa（350kPa、3.5bar） 。 应用条件判定 p1 350 100 450 （kPa 绝压） FL 2（p 1 – FFpv）0.90 2 x （450 – 0.96 x 2.34）362.68 kPa ⊿p 350 FγX T 为阻塞流；计算Y值 Y 1 – x /（3FγX T） 0.640 使用公式 4c 进行计算 Qg 0.19x0.640 x450 x80 0.72 3714.5 m 3/h （4）采用试验程序 1，试验介质为空气 试验按照 GB/T 4213-2008 规定采用小于 0.35MPa（3.5bar）的允许压差（制造厂或用户商定的） ， 按 0.2MPa（200kPa） 。 应用条件判定 p1 200 100 300 （kPa 绝压） FγX T 1 x 0.72 0.72 x ⊿p/p1 200/300 0.67 x FγX T 为非阻塞流；计算Y值 Y 1 – x/（ 3FγX T） 0.69 使用公式 3c 进行计算 Qg 0.28x0.69x300 x80 0.67 3795.4 m 3/h 通过上述计算举例得出阀额定容量阀额定容量，再按各泄漏等级Ⅱ至Ⅳ-S1 中规定的系数算出最大允许泄漏量， 就能确认具体的泄漏试验了。对于泄漏等级 V 和 VI 的最大泄漏量计算，只要确定试验压差和阀座孔径就 能计算。泄漏等级 VI 还要加乘泄漏率系数，若实际阀座孔径偏于标准中列举的 2mm 以上，泄漏率系数还 需用内推法进行计算。 结束语结束语 控制阀技术在过程控制、信息技术和自动化技术推动下，已有很大进展，同时寻求、完善和执行统一 的控制阀标准，是控制阀制造商、设计方和用户的共识。 通过了解有关控制阀泄漏量的现行国际和国家标准，说明和分析相关计算方法，使确定阀额定容量和 计算最大泄漏量明晰起来，就更好地说明问题，更好地适应设计方、用户以及工业现场需求。 参考文献 1. GB/T 4213-2008. 气动控制阀，2009 2. GB/T 17213.4-2005. 工业过程控制阀 第 4 部分检验和例行试验，2006 3. IEC 60534-4-2006. Industrial -process control valve - Part 4 Inspection and routing testing，2006 4. ANSI/FCI 70-2-2006. control valve seat leakage，2006 5.EN 1349-2008. Industrial -process control valve，2008.6 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载