Metano ir helio nuotėkio rodiklių palyginimas ir analizė atliekant mažo sandarumo vožtuvų bandymą

Nustatyta, kad atitinkamuose standartuose nurodytos bandymų terpės, skirtos mažo vožtuvų nuotėkio bandymas yra metanas ir helis, o faktiniame bandymų procese vožtuvų gamintojai iš anksto bandymams įvertinti naudoja helį, o paskui siunčia trečiąją šalį atlikti metano mažo nuotėkio tipo bandymą. Mažo nuotėkio bandymas buvo sukurtas siekiant ištirti helio ir metano skaitinį ryšį tarp pakuotės sandariklio struktūros tomis pačiomis aplinkos sąlygomis ir pateikti pamatinius duomenis naudotojams, kuriems reikia palyginti parametrus.

1. Apžvalga

Šiuo metu išleisti ir įgyvendinti įstatymai ir taisyklės, susiję su lakiųjų organinių dujų (LOJ) išmetimu, ir pramoniniai vožtuvai are required to meet higher requirements for low leakage performance in various systems and conditions of use. The American Nafta Institute (API) standard has taken the lead in implementing low leakage requirements for vožtuvai kaip privalomi reikalavimai, o pagrindiniai bandymų standartai yra API 624, API 641, API 622 ir kt. Vidaus vožtuvų pramonės praktikoje dažniau naudojamas standartas yra ISO 15848, pagrindinis skirtumas tarp šių dviejų standartų yra tas, kad API serijos standartuose kaip bandomosios dujos naudojamas metanas, o ISO standarte numatyta, kad galima naudoti helį arba metaną (faktiniame bandyme dažniausiai naudojamas helis), tačiau 2015 m., prieš peržiūrint standartą, kadangi nuotėkio greičio matavimo vieneto reikalavimai metanui neturi operatyvumo, faktiškai kaip bandomoji terpė buvo naudojamas helis. Metanas, kaip pagrindinės šiltnamio efektą sukeliančios dujos, yra informatyvesnis vertinant išmetamų šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį, nes jo molekulinis tūris yra mažesnis nei kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų.
Naudojant metaną aukštos ir žemos temperatūros cikliniams bandymams, kyla pavojus saugai. Jei sandariklio konstrukcijos atitikčiai API serijos standartams įvertinti galima naudoti helį, jį galima naudoti savikontrolei gamybos metu ir taip sumažinti trečiosios šalies bandymų laiką bei išlaidas. Pagal ISO15848 standartą helis arba metanas naudojamas kaip sandariklio klasės bandymo terpė, nėra abipusiškumo ir standarte nenurodoma, ar yra tiesioginių tai įrodančių bandymų duomenų. Šiame straipsnyje suprojektavome bandymo prietaisą ir matavimo įrangą, kurioje kaip bandymo terpė naudojamas helis arba metanas, ir surinkome kelis duomenų rinkinius, kad papildytume atitinkamų bandymų duomenų spragas.

2. Eksperimentinis planas

2.1 Bandymo sąranka

Bandymo sąranka pagrįsta API 622-2011 nurodytomis mažo nuotėkio bandymo priemonėmis, o taikytinas grafito sandarinimo žiedo dydis yra 254 mm × 381 mm. Bandymo sąranka suprojektuota su atskira nuotėkio matavimo anga prie sandarinimo riebokšlio, o atliekant matavimus prie matavimo angos prijungiamas nuotėkio nustatymo įrangos zondas (1 pav.).

Pav.1 Bandymo įrankiai

2.2 Matavimo įranga

Metanui matuoti buvo naudojami du bandymų įrangos komplektai: vandenilis liepsnos jonizacijos detektoriumi, modelis TVA-2020 (Thermofisher, JAV), matavimo tikslumas ±1×10-4% (v/v). Prieš matavimą buvo sukalibruotas nulinis taškas ir 0,012% diapazono taškas. Matuojant helį buvo naudojamas helio masės spektrometro nuotėkio detektorius, L300i modelis (Leybold, Vokietija), kurio mažiausias nuotėkio aptikimo greitis ≤5E-12 Pa-L/s, sukalibruotas naudojant įmontuotą TL7 standartinį nuotėkį.
Lentelė.1 Vienos grupės pakuočių nuotėkio duomenų gavimo seka

2.3 Duomenų gavimas

Grafito pakuotė bandymui buvo paimta iš šešių grupių: importuotų produktų, bendros įmonės produktų (vietinės gamybos) ir vietinių produktų. Kiekviena pakuočių grupė buvo surinkta pagal techninius reglamentus ir reikalavimus, po to bandymai buvo atliekami 1 lentelėje nurodyta tvarka ir tomis pačiomis sąlygomis buvo matuojamas metano ir helio nuotėkis, išmatuotos vertės buvo išreikštos ppmv, o kiekvienas matavimas buvo kartojamas 10 kartų 6~10 s intervalu. Atliekant bandymą neatsižvelgta į šildymo ar šaldymo poveikį abiejų bandomųjų terpių nuotėkiui, bandymas buvo atliekamas kambario temperatūroje.
2 lentelė Lyginamieji metano ir helio nuotėkio duomenys (vidutinės vertės)

Remiantis ilgalaikio bandymo stebėjimais, net jei įrankio vidinėje ertmėje sumažėja slėgis, neorganizuotas nuotėkis iš pakuotės gali būti matuojamas nuolat iki 30 min. be jokio reikšmingo sumažėjimo. Todėl, pakeitus bandomąją terpę, prieš pakartotinį bandymą matavimo angą reikia siurbti vakuuminiu siurbliu, kad būtų išsiurbta prie įvorės likusi terpė, nes priešingu atveju matavimo vertei bus padaryta didesnė įtaka.

2.4 Duomenų lyginimas

Lyginamųjų metano ir helio nuotėkio matavimų metu gauti duomenys buvo išvestas 10 matavimų vidurkis kaip matavimo rezultatai. Atitinkami duomenys buvo surinkti taip, kaip parodyta (2 lentelėje).
Remiantis 2 lentelėje pateiktais duomenimis, buvo parengti 2 paveiksle pateikti duomenys.

2 pav. Helio nuotėkio ir metano nuotėkio santykis

3. Išvada

Remiantis bandymų rezultatų analize, didėjant nuotėkio tūriui, helio nuotėkio ir metano nuotėkio santykis yra 4 kartus didesnis, t. y. molekulinės masės santykio atvirkštinis dydis (16 - metanui ir 4 - heliui), esant toms pačioms sąlygoms kambario temperatūroje, neskaitant matavimo paklaidos, kai metano koncentracija yra maža. Reikia ištirti, ar yra ryšys tarp dujų nuotėkio ir dujų molekulinės masės, didinant duomenų, surinktų skirtingomis bandymo sąlygomis (temperatūra, slėgis, lyginamoji terpė ir t. t.), skaičių.