先導(dǎo)式安全閥失效啟跳分析及處理

張 輝

（中化泉州石化有限公司設(shè)備部，福建泉州362103）

先導(dǎo)式安全閥失效啟跳分析及處理

張 輝

（中化泉州石化有限公司設(shè)備部，福建泉州362103）

針對(duì)某加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)出口先導(dǎo)式安全閥1130-PSV01015B，在正常運(yùn)行中突然失效啟跳，且不能回座的事故實(shí)例，從先導(dǎo)式安全閥的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)情況等方面，對(duì)該安全閥的失效啟跳原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的操作維護(hù)建議和改進(jìn)措施。

先導(dǎo)式安全閥 失效啟跳 原因分析

先導(dǎo)式安全閥是常用安全閥的主要類型，主要由主閥和導(dǎo)閥兩部分組成，導(dǎo)閥操作主閥的開啟和關(guān)閉。先導(dǎo)式安全閥具有排量大、不受背壓影響和動(dòng)作靈敏，可以在非常接近開啟壓力下進(jìn)行無(wú)泄漏操作、啟閉壓差小等優(yōu)點(diǎn)，因此在石油化工設(shè)備和工藝中被廣泛應(yīng)用。安全閥在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就必須要求及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，否則浪費(fèi)能源，甚至發(fā)生安全事故［1］。

某公司加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)出口設(shè)計(jì)安裝有兩臺(tái)先導(dǎo)式安全閥1130-PSV01015A／B（一用一備），自2009年5月裝置投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，已連續(xù)正常運(yùn)行2年半時(shí)間。2011年11月25日和2012年5月29日，在裝置正常生產(chǎn)過(guò)程中，循環(huán)氫壓縮機(jī)出口安全閥1130-PSV01015B兩次突然失效啟跳且不能正?；刈ò踩y定壓17.64 MPa，實(shí)際操作壓力均為 15.46 MPa），致使循環(huán)機(jī)出口流量降低觸發(fā)工藝聯(lián)鎖，分別導(dǎo)致裝置非計(jì)劃停工1次，給生產(chǎn)帶來(lái)了較大影響。安全閥主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1 先導(dǎo)式安全閥工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 安全閥設(shè)計(jì)參數(shù)

安全閥設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2 安全閥的工作原理

先導(dǎo)式安全閥由主閥和導(dǎo)閥組成。導(dǎo)閥隨設(shè)備介質(zhì)壓力的變化而動(dòng)作，主閥則由導(dǎo)閥的驅(qū)動(dòng)或控制而動(dòng)作。當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀況時(shí)，導(dǎo)閥閥瓣處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)壓力從主閥進(jìn)口通過(guò)導(dǎo)管和導(dǎo)閥傳入主閥閥瓣（活塞）上方氣室。由于活塞面積大于閥瓣密封面面積，系統(tǒng)壓力對(duì)閥瓣產(chǎn)生一個(gè)向下的合力，使主閥處于關(guān)閉、密封狀態(tài)。

表1 安全閥的設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時(shí)，導(dǎo)閥開啟，同時(shí)滑閥向上移動(dòng)封閉導(dǎo)閥的進(jìn)氣通道。主閥閥瓣上方氣室的介質(zhì)經(jīng)由打開的導(dǎo)閥排出，使主閥閥瓣上方壓力降低，主閥閥瓣在進(jìn)口壓力的推動(dòng)下打開而使系統(tǒng)卸壓。當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到一定值時(shí)，導(dǎo)閥回座并帶動(dòng)頂桿頂開滑閥。系統(tǒng)壓力再次通過(guò)導(dǎo)閥傳入主閥閥瓣上方氣室，并推動(dòng)主閥閥瓣關(guān)閉。其工作原理如圖1所示。

圖1 先導(dǎo)式安全閥工作原理

1.3 先導(dǎo)式安全閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1130-PSV01015B是由北京某石化技術(shù)裝備工程公司設(shè)計(jì)制造的先導(dǎo)式安全閥，型號(hào)為HTXD-2503S。

2 失效啟跳經(jīng)過(guò)及原因分析

2.1 失效啟跳經(jīng)過(guò)及處理

2012年5月29日加氫處理裝置因循環(huán)氫流量低觸發(fā)工藝聯(lián)鎖，切斷進(jìn)料130 min。導(dǎo)致聯(lián)鎖動(dòng)作的原因：循環(huán)氫壓縮機(jī)出口安全閥1130-PSV1015B故障啟跳且不能正常復(fù)位（安全閥定壓17.64 MPa，當(dāng)時(shí)操作壓力15.46 MPa），系統(tǒng)內(nèi)高壓氫氣自安全閥往火炬系統(tǒng)泄放，反應(yīng)系統(tǒng)壓力急劇下降，導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)出口氫氣流量低觸發(fā)工藝聯(lián)鎖，裝置被迫非計(jì)劃停工。

安全閥啟跳后裝置系統(tǒng)壓力急劇降低，反應(yīng)系統(tǒng)壓力自14.04 MPa降至8.4 MPa。當(dāng)班操作人員判斷并確認(rèn)引起事件原因，在較短時(shí)間內(nèi)投用備用安全閥，關(guān)閉故障安全閥前閥門，及時(shí)切斷泄漏源，避免了事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 安全閥解體檢查和失效分析

安全閥在省特檢院專業(yè)人員拆檢解體后發(fā)現(xiàn)：主閥瓣密封面融化損壞嚴(yán)重；閥瓣活塞外圈O型圈有明顯熔脹軟化現(xiàn)象，閥瓣兩個(gè)O型圈之間的外圈表面附有部分橡膠粉末；閥瓣組件燒結(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致主閥瓣在導(dǎo)套內(nèi)卡澀無(wú)法拆卸；導(dǎo)閥內(nèi)滑梭上部O型圈破損嚴(yán)重；壓圈和閥軸連接處的O型圈斷裂且脫落至壓圈外（此O型圈正常應(yīng)該在壓圈內(nèi)）。該安全閥解體后內(nèi)構(gòu)件檢查情況如圖2至圖5所示。

圖2 閥瓣組件

圖3 閥瓣主密封面

圖4 壓圈和閥軸連接處的O型圈

從安全閥啟跳前后的壓縮機(jī)出口壓力曲線來(lái)看，循環(huán)機(jī)出口壓力基本都穩(wěn)定在15.46 MPa，不存在超壓現(xiàn)象，因此可以排除是工藝超壓的原因。

圖5 滑梭上部O型圈

另外，根據(jù)失效安全閥解體檢查的情況來(lái)看，其導(dǎo)閥引壓管通暢無(wú)堵塞，導(dǎo)閥各內(nèi)構(gòu)件也未見水蒸氣和其他雜質(zhì)，同時(shí)參考安全閥啟跳前后3 d循環(huán)機(jī)出口氫氣采樣組成分析，并無(wú)異常，因此也可以排除是由于引壓管堵塞或工藝介質(zhì)組成變化導(dǎo)致安全閥失效啟跳。

根據(jù)安全閥兩次失效后拆檢解體的結(jié)果，進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)兩次啟跳過(guò)程及結(jié)果非常相似，二者之間存在一些共同點(diǎn)：（1）兩次均是在正常操作壓力下（15.46 MPa）發(fā)生起跳，且都未能正常復(fù)位；（2）起跳后均出現(xiàn)導(dǎo)閥內(nèi)滑梭和閥座等關(guān)鍵位置的動(dòng)密封O型圈破損和脫落；（3）閥瓣主密封面都發(fā)生了嚴(yán)重熔化，閥瓣O型圈都存在熔脹現(xiàn)象。對(duì)解體后的導(dǎo)閥進(jìn)行顯微放大檢查后發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)閥內(nèi)閥軸、壓圈和閥座等密封面存在細(xì)微機(jī)械損傷和變形等缺陷。通過(guò)深入細(xì)致地交流和討論后認(rèn)為：很可能正是由于這些密封面缺陷的存在，致使安全閥在正常投用時(shí)密封面的O型圈逐漸失去密封作用，導(dǎo)致安全閥在未達(dá)到定壓值的情況下，突然失效啟跳和不能正常復(fù)位。這也可以解釋為什么該安全閥在線投用一段時(shí)間后才失效起跳的原因。導(dǎo)閥閥座密封面缺陷形貌如圖6所示。

由于導(dǎo)閥閥座密封面存在缺陷和隱患，在長(zhǎng)時(shí)間高壓氫氣的作用下，可能在閥座密封處某一點(diǎn)開始泄漏，這就造成高壓氫氣在此處節(jié)流。由于氫氣在節(jié)流的情況下溫度會(huì)上升，使閥座密封的O型圈在高溫下慢慢局部破損失效（導(dǎo)閥閥瓣O型圈整體完好而只是在一點(diǎn)發(fā)生斷裂，說(shuō)明O型圈只是局部失效），最終導(dǎo)致主閥氣室壓力從導(dǎo)閥閥座處迅速泄放，主閥突然提前開啟。另外，導(dǎo)閥的閥座密封失效，使主閥氣室不能及時(shí)補(bǔ)氣，而沒(méi)有氣室上部壓力的作用，就沒(méi)有足夠的向下的壓力使主閥閥瓣復(fù)位，導(dǎo)致主閥不能回座。安全閥起跳后導(dǎo)致大量高壓氫氣自主閥閥瓣處向火炬線迅速泄壓，由于不能及時(shí)復(fù)位，氫氣在閥瓣的節(jié)流作用下產(chǎn)生大量的熱量，使得閥瓣主密封面熔化損壞嚴(yán)重和O型圈出現(xiàn)熔脹現(xiàn)象。這些現(xiàn)象與安全閥的拆檢結(jié)果也比較吻合。因此，認(rèn)為安全閥導(dǎo)閥內(nèi)閥軸、壓圈和閥座等密封面存在細(xì)微機(jī)械損傷和變形等缺陷，是導(dǎo)致此次安全閥失效起跳的根本原因。另外，主閥及導(dǎo)閥內(nèi)O型圈的材質(zhì)選型不當(dāng)也可能是導(dǎo)致事故發(fā)生的另一原因。

圖6 導(dǎo)閥閥座密封面缺陷

3 結(jié)論及建議

（1）先導(dǎo)式安全閥1130-PSV1015B導(dǎo)閥內(nèi)閥軸、壓圈和閥座等密封面均存在細(xì)微機(jī)械損傷和變形等缺陷，是導(dǎo)致其突然失效啟跳及未能復(fù)位的根本原因。

（2）安全閥失效起跳后，大量高壓氫氣自主閥瓣處排放至火炬管網(wǎng)。由于閥瓣處的高壓差和節(jié)流作用，導(dǎo)致氫氣在泄壓時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使閥瓣底盤顏色變黑，同時(shí)熔化了氟塑料密封圈，并導(dǎo)致閥瓣下端O型圈（離閥座較近的一端）熔脹變形，閥瓣和導(dǎo)套卡滯在一起，使閥瓣無(wú)法回座。

（3）此安全閥密封件材質(zhì)設(shè)計(jì)選型不當(dāng)。原設(shè)計(jì)主閥和導(dǎo)閥內(nèi)O型圈材質(zhì)均為三元乙丙橡膠，其抗老化性能較好，但是其耐油和耐芳烴性能較差。建議對(duì)O型圈材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)和更換，將原來(lái)的三元乙丙橡膠升級(jí)為氟橡膠（FKM V9000）。

（4）建議省特檢院在先導(dǎo)式安全閥定壓維護(hù)時(shí)，嚴(yán)格按照《HTXD先導(dǎo)閥維護(hù)使用》操作，特別是導(dǎo)閥的安裝和調(diào)試一定要嚴(yán)格執(zhí)行，防止由于定壓拆檢導(dǎo)致內(nèi)構(gòu)件密封面損壞。

（5）認(rèn)真排查裝置內(nèi)同類型安全閥的使用和維護(hù)狀況，根據(jù)廠家提供的現(xiàn)場(chǎng)操作及檢驗(yàn)的指導(dǎo)意見，細(xì)致認(rèn)真檢查和維護(hù)，以防止此類事故的再次發(fā)生。

［1］ 王明禮.先導(dǎo)式安全閥的故障判斷和處理［J］.安全技術(shù)，2009，9（1）：25-26.

Reason Analysis and Treatment on System Crash of Pilot Operated Safety Valve

Zhang Hui
（Equipment Department of SINOCHEM Quanzhou Petrochemical Co.，Ltd.，Quanzhou 362103，China）

As for the system crash and unrecoverable accident happened on pilot operated safety valve 1130-PSV01015B of a hydrocracking unit circulating hydrogen compressor outlet，reasons were analyzed from the aspects of principle and structure feature of valve and field situation，corresponding maintenance suggestions and improvement measures were proposed.

pilot operated safety valve，system crash，reason analysis

2017-07-14；修改稿收到日期：2017-09-21。

張輝，工程師，本科，中化泉州石化有限公司設(shè)備部主管。E-mail：zhanghui8212＠126.com

（編輯 王菁輝）