Comparación y análisis de los índices de fuga de metano y helio para la prueba de baja estanqueidad de válvulas

Se introduce que los medios de ensayo especificados en las normas pertinentes para prueba de baja estanqueidad de las válvulas son el metano y el helio, y en el proceso de prueba real, se da el fenómeno de que los fabricantes de válvulas utilizan helio para la evaluación de la prueba por adelantado y luego envían a terceros para la prueba de tipo de baja fuga de metano. La prueba de baja fuga se diseñó para investigar la relación numérica entre el helio y el metano para una estructura de sellado de empaquetadura en las mismas condiciones ambientales, y para proporcionar datos de referencia a los usuarios que necesitan comparar los parámetros.

1. Visión general

En la actualidad, las leyes y normativas relacionadas con las emisiones de gases orgánicos volátiles (COV) han sido publicadas y aplicadas, y válvulas industriales deben cumplir requisitos más exigentes en cuanto a bajo nivel de fugas en diversos sistemas y condiciones de uso. La American Petróleo Institute (API) ha tomado la iniciativa en la aplicación de requisitos de baja fuga para válvulas como requisitos obligatorios, y las principales normas para las pruebas son API 624, API 641, API 622, etc. En la práctica nacional de la industria de válvulas, la norma más utilizada es la ISO 15848, la principal diferencia entre las dos es que las normas de la serie API utilizan metano como gas de prueba, mientras que la norma ISO establece que se puede utilizar helio o metano (en la prueba real la mayor parte del uso de helio), pero en 2015 antes de la revisión de la norma, debido a que los requisitos de la unidad de medición de la tasa de fuga para el metano no tiene operatividad, se utilizó el Helio más real como medio de prueba. Como uno de los principales gases de efecto invernadero, el metano es más informativo para evaluar las emisiones de gases de efecto invernadero, ya que tiene un volumen molecular más pequeño que otros gases de efecto invernadero.
Existen riesgos de seguridad asociados al uso de metano para las pruebas de ciclos de alta y baja temperatura. Si se puede utilizar helio para evaluar el diseño de la junta para que cumpla las normas de la serie API, se puede utilizar para la autoinspección durante la fabricación para reducir el tiempo y el coste de las pruebas de terceros. Según la norma ISO15848, se utiliza helio o metano como medio de prueba para la clase de sello, no hay reciprocidad, y la norma no especifica si hay datos de prueba directos para probarlo. En este documento, diseñamos un dispositivo de prueba y un equipo de medición utilizando helio o metano como medio de prueba, y recopilamos múltiples conjuntos de datos para complementar las lagunas de los datos de prueba pertinentes.

2. 2. Diseño experimental

2.1 Configuración de la prueba

La configuración de la prueba se basa en la herramienta de prueba de baja fuga especificada en API 622-2011, y el tamaño del anillo de empaquetadura de grafito aplicable es Φ254mm×Φ381mm. La configuración de la prueba está diseñada con un puerto de medición de fugas independiente en el prensaestopas, y la sonda del equipo de detección de fugas está conectada al puerto de medición durante la medición (Figura 1).

Figura.1 Herramientas de ensayo

2.2 Equipo de medición

Se utilizaron dos equipos de ensayo para medir el metano: hidrógeno detector de ionización de llama, modelo TVA-2020 (Thermofisher, EE.UU.), con una precisión de medición de ±1×10-4% (v/v). El punto cero y el punto de rango de 0,012% se calibraron antes de la medición. Para las mediciones de helio se utilizó un detector de fugas de espectrómetro de masas de helio, modelo L300i (Leybold, Alemania), con una tasa mínima de detección de fugas de ≤5E-12 Pa-L/s, calibrado con una fuga estándar TL7 incorporada.
Tabla.1 Secuencia de adquisición de datos para la fuga de embalaje de un solo grupo

2.3 Adquisición de datos

La empaquetadura de grafito para la prueba se tomó de seis grupos, que procedían de productos importados, productos de empresas conjuntas (producción nacional) y productos nacionales. Cada grupo de empaquetaduras se ensambló de acuerdo con los reglamentos y requisitos técnicos y, a continuación, se sometió a prueba según el orden de la Tabla 1, y se midieron las cantidades de fuga de metano y helio en las mismas condiciones, y los valores medidos se expresaron en ppmv, y cada medición se repitió 10 veces con un intervalo de 6~10 s. En la prueba no se tuvo en cuenta el efecto del calentamiento o el enfriamiento en las cantidades de fuga de los dos medios de prueba, y la prueba se realizó a temperatura ambiente.
Tabla.2 Datos comparativos de fugas de metano y helio (valores medios)

De acuerdo con la observación de la prueba a largo plazo, incluso si la cavidad interior de la herramienta se despresuriza, la fuga fugitiva en el embalaje todavía se puede medir de forma constante durante un máximo de 30 minutos sin ninguna disminución significativa. Por lo tanto, después de cambiar el medio de prueba, se debe utilizar una bomba de vacío para hacer la succión en el puerto de medición para aspirar el medio residual en el embalaje antes de volver a probar, de lo contrario hay un mayor impacto en el valor de medición.

2.4 Recopilación de datos

Los datos obtenidos de las mediciones comparativas de fugas de metano y helio se promediaron en 10 mediciones como resultados de las mediciones. Los datos pertinentes se recopilaron como se muestra en la (Tabla 2).
A partir de los datos de la Tabla 2, los datos se compilaron como se muestra en la Figura 2.

Figura.2 Relación entre fuga de helio y fuga de metano

3. Conclusión

Según el análisis de los resultados de las pruebas, la relación entre la fuga de helio y la de metano tiende a ser 4 veces mayor con el aumento del volumen de fuga, que es el recíproco de la relación de peso molecular (16 para el metano y 4 para el helio), en las mismas condiciones a temperatura ambiente, excluyendo el error de medición a baja concentración de metano. Es necesario investigar si existe una relación entre la fugacidad del gas y el peso molecular del gas aumentando el número de datos recogidos en diferentes condiciones de prueba (temperatura, presión, medio de comparación, etc.).