Comparação e análise das taxas de fuga de metano e hélio para o teste de baixa fuga das válvulas

É introduzido que os meios de ensaio especificados nas normas relevantes para ensaio de baixa estanquidade das válvulas são o metano e o hélio e, no processo de ensaio real, verifica-se o fenómeno de os fabricantes de válvulas utilizarem previamente o hélio para a avaliação do ensaio e, em seguida, enviarem a terceiros o ensaio do tipo de baixa fuga com metano. O ensaio de baixa estanquidade foi concebido para investigar a relação numérica entre o hélio e o metano para uma estrutura de vedação de embalagem nas mesmas condições ambientais e para fornecer dados de referência aos utilizadores que necessitem de comparar os parâmetros.

1. Visão geral

Atualmente, as leis e regulamentos relacionados com as emissões de gases orgânicos voláteis (COV) foram lançados e implementados, e válvulas industriais são obrigados a cumprir requisitos mais elevados de desempenho de baixa fuga em vários sistemas e condições de utilização. A norma americana Petróleo Institute (API) assumiu a liderança na implementação de requisitos de baixa fuga para válvulas como requisitos obrigatórios, e as principais normas de ensaio são API 624, API 641, API 622, etc. Na prática da indústria nacional de válvulas, a norma mais utilizada é a ISO 15848, a principal diferença entre as duas é que as normas da série API utilizam o metano como gás de ensaio, enquanto a norma ISO prevê a utilização de hélio ou metano (no ensaio efetivo, a maior parte da utilização de hélio), mas em 2015, antes da revisão da norma, uma vez que os requisitos da unidade de medição da taxa de fuga para o metano não são operacionais, o hélio foi utilizado como meio de ensaio. Sendo um dos principais gases com efeito de estufa, o metano é mais informativo para a avaliação das emissões de gases com efeito de estufa, porque tem um volume molecular mais pequeno do que outros gases com efeito de estufa.
Existem riscos de segurança associados à utilização de metano para testes de ciclos de alta e baixa temperatura. Se o hélio puder ser utilizado para avaliar a conformidade da conceção do vedante com as normas da série API, pode ser utilizado para auto-inspeção durante o fabrico, a fim de reduzir o tempo e o custo dos ensaios efectuados por terceiros. De acordo com a norma ISO15848, o hélio ou o metano são utilizados como meio de ensaio para a classe de vedantes, não há reciprocidade e a norma não especifica se existem dados de ensaio directos que o comprovem. Neste documento, concebemos um dispositivo de ensaio e um equipamento de medição utilizando hélio ou metano como meio de ensaio e recolhemos vários conjuntos de dados para colmatar as lacunas nos dados de ensaio relevantes.

2. Conceção experimental

2.1 Configuração do teste

A configuração do teste baseia-se nas ferramentas de teste de baixa fuga especificadas na norma API 622-2011, e o tamanho do anel de embalagem de grafite aplicável é Φ254mm×Φ381mm. A configuração do teste foi concebida com uma porta de medição de fugas separada no empanque, e a sonda do equipamento de deteção de fugas é ligada à porta de medição durante a medição (Figura 1).

Figura.1 Ferramentas de teste

2.2 Equipamento de medição

Foram utilizados dois conjuntos de equipamento de ensaio para a medição do metano: hidrogénio detetor de ionização de chama, modelo TVA-2020 (Thermofisher, EUA), com uma precisão de medição de ±1×10-4% (v/v). O ponto zero e o ponto de alcance de 0,012% foram calibrados antes da medição. Para as medições do hélio, utilizou-se um detetor de fugas do espetrómetro de massa de hélio, modelo L300i (Leybold, Alemanha), com uma taxa mínima de deteção de fugas de ≤5E-12 Pa-L/s, calibrado com uma fuga padrão TL7 incorporada.
Tabela.1 Sequência de aquisição de dados para uma fuga de embalagem de grupo único

2.3 Aquisição de dados

A embalagem de grafite para o teste foi retirada de seis grupos, que foram retirados de produtos importados, produtos de empresas comuns (produção nacional) e produtos nacionais. Cada grupo de embalagem foi montado de acordo com os regulamentos e requisitos técnicos, e depois testado de acordo com a ordem na Tabela 1, e as quantidades de fuga de metano e hélio foram medidas sob as mesmas condições, e os valores medidos foram em ppmv, e cada medição foi repetida 10 vezes com um intervalo de 6~10 s. O teste não considerou o efeito do aquecimento ou arrefecimento nas quantidades de fuga dos dois meios de teste, e o teste foi realizado à temperatura ambiente.
Quadro 2 Dados comparativos das fugas de metano e hélio (valores médios)

De acordo com a observação do teste de longo prazo, mesmo que a cavidade interna do ferramental seja despressurizada, o vazamento fugitivo na embalagem ainda pode ser medido de forma constante por até 30 minutos sem qualquer diminuição significativa. Por conseguinte, depois de mudar o meio de ensaio, deve ser utilizada uma bomba de vácuo para efetuar a sucção no orifício de medição para sugar o meio residual na embalagem antes de voltar a testar, caso contrário, haverá um maior impacto no valor da medição.

2.4 Recolha de dados

Os dados obtidos a partir das medições comparativas das fugas de metano e hélio foram calculados como média de 10 medições como resultados de medição. Os dados relevantes foram compilados conforme indicado no (Quadro 2).
Com base nos dados da Tabela 2, os dados foram compilados como mostra a Figura 2.

Figura.2 Rácio entre a fuga de hélio e a fuga de metano

3. Conclusão

De acordo com a análise dos resultados dos ensaios, o rácio entre a fuga de hélio e a fuga de metano tende a ser 4 vezes superior com o aumento do volume de fuga, que é o recíproco do rácio do peso molecular (16 para o metano e 4 para o hélio), nas mesmas condições à temperatura ambiente, excluindo o erro de medição a baixa concentração de metano. É necessário investigar se existe uma relação entre a fugacidade do gás e o peso molecular do gás, aumentando o número de dados recolhidos em diferentes condições de ensaio (temperatura, pressão, meio de comparação, etc.).