延長S Zorb裝置閉鎖料斗程控球閥使用壽命的探討

李政

(中國石化燕山石化公司，北京 102500)

1 工藝流程及程控閥使用情況簡介

為了適應(yīng)保護(hù)環(huán)境的要求，降低機(jī)動車尾氣中有害氣體的排放，世界各國對發(fā)動機(jī)燃料的質(zhì)量都提出了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，汽油中的烯烴和硫等作為有害物質(zhì)被嚴(yán)格限制。康菲石油公司開發(fā)的S Zorb吸附法(S ZorbSRT)汽油脫硫技術(shù)，可將高硫催化裂化(FCC)汽油轉(zhuǎn)化為低硫汽油，具有脫硫率高、抗爆指數(shù)損失小、氫氣化學(xué)消耗低、能耗低的特點，可以將FCC汽油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接降低到1×10-5以下，汽油辛烷值損失在1個單位以下，對于1.2 Mt/a的S Zorb裝置，當(dāng)生產(chǎn)超低硫汽油時，與加氫處理相比，年操作費用可節(jié)省150萬美元，是中國石化汽油產(chǎn)品質(zhì)量升級的重要措施。

閉鎖料斗控制系統(tǒng)(LMS)是S Zorb裝置控制的核心，通過它的有效運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)吸附劑在反應(yīng)器和再生器中的正常循環(huán)，同時還涉及氫氧環(huán)境的隔離和切換，安全要求很高。S Zorb裝置有31臺閉鎖料斗程序控制球閥，均為兩位式切斷球閥。操作介質(zhì)有高溫油氣、氫氣、氮氣及富含粒度為0～150 μm的吸附劑顆粒，操作工況具有閥門前后壓差大和開關(guān)頻繁等特點，閉鎖料斗典型的操作條件見表1所列?；谝陨咸攸c，要求該球閥耐磨、耐沖蝕，開關(guān)迅速(通常8 s以內(nèi))并且切斷能力高，隔絕及防泄漏能力強(qiáng)，通常設(shè)計要求達(dá)最高的Ⅵ級密封標(biāo)準(zhǔn)。

表1 閉鎖料斗操作條件

根據(jù)表1操作條件，閉鎖料斗系統(tǒng)程控球閥選用金屬密封，目前某公司2套S Zorb裝置在用62臺程控球閥有55臺為MOGAS進(jìn)口金屬密封球閥。在實際運行過程中，這些球閥故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響吸附劑的正常循環(huán)，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，且這些球閥維修難度大、維修成本高，嚴(yán)重制約裝置的長周期運行。降低關(guān)鍵閥門故障率，延長閥門壽命是目前S Zorb裝置長周期運行亟待解決的問題。

2 MOGAS金屬密封球閥結(jié)構(gòu)特點

2號S Zorb裝置閉鎖料斗程控球閥，全部采用進(jìn)口MOGAS公司C系列耐磨球閥，每臺由氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和本體球閥組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該球閥采用雙閥座浮動球設(shè)計，全金屬雙向密封；閥體為全鍛造閥體，材質(zhì)有A182-F316和A182-F22兩種，前者耐815 ℃高溫，后者可承受593 ℃工況[1]；球體、閥座機(jī)體材質(zhì)為410SS，表面采用鍍鉻，超音速噴涂金屬粒子表面處理工藝，經(jīng)過處理后的球體及閥座表面硬度能達(dá)到45～65HRC[3]。球體與閥座全部以手工配對研磨，保證其密封等級達(dá)到Ⅵ級。此外，該球閥采用超大球體設(shè)計，可得到較寬密封面，防止很小的刮擦造成的泄漏，并可防止意外超行程轉(zhuǎn)動造成的泄漏。閥座鋒利邊緣具有球體自刮擦和自清潔作用，防止微粒進(jìn)入密封面導(dǎo)致密封面破壞，造成泄漏。彈簧結(jié)構(gòu)采用碟形，有效防止固體顆粒堆積。填料由3個模壓成型的三明治式的組合純石墨環(huán)和2個填充有纏繞絲的石墨抗擠壓環(huán)兩部分組成，密封泄漏量小于500 μg/g。閥桿設(shè)計有軸肩，為防飛出壓力密封閥桿，壓力越大密封越緊。

圖1 MOGAS C系列程控耐磨球閥結(jié)構(gòu)示意

3 程控閥故障現(xiàn)象及原因分析

該公司目前有2套S Zorb裝置，總結(jié)裝置建設(shè)和維護(hù)經(jīng)驗，由安裝問題造成的程控球閥故障，一般3個月左右便會暴露。不同部位球閥在使用中因其他原因也出現(xiàn)一些問題，其壽命影響S Zorb裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)。2號S Zorb裝置2013年10月24日建成投產(chǎn)，截至2014年10月發(fā)生故障統(tǒng)計見表2所列。

表2 2號S Zorb裝置程控球閥故障統(tǒng)計

續(xù)表2

3.1 閥門內(nèi)漏

閥門內(nèi)漏是目前影響裝置穩(wěn)定運行的主要故障，S Zorb裝置在實現(xiàn)閉鎖料斗氫氧環(huán)境隔離以及吸附劑循環(huán)過程中，充分考慮了閥門內(nèi)漏的影響，要求閥門零泄漏，同時在每條料腿上設(shè)置多臺閥門，在工藝上保證了安全。閥門內(nèi)漏導(dǎo)致安全性能降低、吸附劑損耗增加、程序運行中斷、運行時間延長、吸附劑循環(huán)不暢，進(jìn)一步影響加工量和產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1.1噴涂層破壞

在閥球、閥座表層硬化過程中，如果控制不好噴涂工藝，硬化層硬度不夠，表層碳化鎢硬化層與閥球、閥座基材結(jié)合不好，容易發(fā)生脫落。球閥頻繁啟閉，在吸附劑顆粒環(huán)境中，閥球與閥座之間吸附劑顆粒刮研不干凈，二者之間存在摩擦發(fā)熱，最終導(dǎo)致閥球或閥座表面硬化層磨損。

3.1.2吸附劑堆積

吸附劑固體顆粒尺寸最大為200～300 μm，最小僅為1 μm，而且在苛刻的介質(zhì)條件下，聚集在閥球表面，會引起閥門結(jié)垢，硬度很高，常規(guī)的辦法很難將其從閥球表面清理下來，這些聚集物的存在，一方面不能使閥球閥座的密封面很好地接觸，導(dǎo)致閥門的內(nèi)漏，一方面加劇了閥球和閥座的磨損。進(jìn)口端閥座與閥體之間存在間隙，吸附劑顆粒進(jìn)入該間隙，如果不能及時帶走，便積存在里面，導(dǎo)致碟簧失效，最終閥門密封失效造成泄漏。

3.1.3反向受壓

由于閉鎖料斗的介質(zhì)、溫度、壓力由程序控制，閥門兩側(cè)壓差大小周期變化，反向壓差導(dǎo)致閥門密封性能下降，在壓力波動情況下，反向壓差大于碟簧的預(yù)緊力而使閥門發(fā)生泄漏，長時間導(dǎo)致密封面沖刷而失效[2]。

3.1.4工藝因素影響

操作溫度低的部位要比溫度高的部位球閥磨損嚴(yán)重，如再生器一側(cè)的球閥發(fā)生內(nèi)漏的機(jī)會要比反應(yīng)器一側(cè)的大。如果吸附劑帶液，球閥工況變成氣、固、液三相，工況更加惡劣，此時磨損更嚴(yán)重。位號XV16，XV17這些部位的球閥，介質(zhì)內(nèi)的吸附劑很少，但是磨損卻很嚴(yán)重，與溫度低、介質(zhì)帶液有很大關(guān)系。

3.2 閥門開關(guān)超時

長期投用后，由于閥檢時間延長，吸附劑的循環(huán)時間相應(yīng)延長，對于提高加工量和產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)安全都是不利的。球閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括電磁閥、回訊器等電氣元件，隨著球閥運行周期的延長，這些部件也經(jīng)常發(fā)生故障，導(dǎo)致球閥不動作或開關(guān)緩慢，通過在線判斷，及時更換電氣元件，可以很好地解決該類故障。執(zhí)行機(jī)構(gòu)靠風(fēng)壓推動打開，靠彈簧復(fù)位關(guān)閉，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作次數(shù)的增加導(dǎo)致彈簧的彈性疲勞，影響了閥門的開關(guān)速度。同時，由于閥門開關(guān)動作頻繁、管線振動等影響，閥體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)半脫開也經(jīng)常發(fā)生。

4 主要對策及建議

鑒于閉鎖料斗工藝的特殊性，吸附劑顆粒對球閥的磨損不可避免，在實際運行過程中應(yīng)做好如下幾方面的工作，提高耐磨球閥的使用壽命。

4.1 提高設(shè)計、安裝、使用維護(hù)水平

金屬密封球閥作為S Zorb裝置關(guān)鍵設(shè)備之一，應(yīng)引起工程設(shè)計、施工、使用、維護(hù)以及維修各個環(huán)節(jié)相關(guān)人員的足夠重視，通過制定符合實際要求的設(shè)計、安裝和施工規(guī)范，以及操作規(guī)程、維修策略和規(guī)程，實現(xiàn)金屬密封球閥的全過程科學(xué)管理，有利于提高球閥的使用壽命，降低裝置生產(chǎn)成本。

所有閉鎖料斗程控球閥標(biāo)有承壓端，圖紙以PE 作為標(biāo)記，承壓端與非承壓端區(qū)別在于承壓端有碟簧，對于圖紙標(biāo)記承壓端的安裝方向同樣重要。而球閥的安裝方向不一定與介質(zhì)流動方向一致，也不能僅以兩端壓力高低做判斷，而應(yīng)考慮球閥兩端介質(zhì)，以吸附劑進(jìn)入閥球和閥座密封面的可能性最小加以綜合考慮。裝置在開工階段，特別是首次開工，務(wù)必將管線內(nèi)焊渣、雜物等清除干凈，保持管線干燥無水分。

4.2 改單向密封為雙向密封

鑒于雙向密封的優(yōu)點，對原設(shè)計結(jié)構(gòu)為單向密封的XV1022閥改造，在低壓端閥座與閥體之間增加碟簧，將單向密封變更為雙向密封，保證該閥在雙向受壓工作環(huán)境下均能保證密封性能，降低泄漏。雙向密封閥體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將原閥體按原低壓面的結(jié)構(gòu)對高壓面進(jìn)行加工，閥體與法蘭連接用石墨金屬復(fù)合墊片、盤根為一次成型石墨環(huán)，石墨金屬復(fù)合密封墊片具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐高低溫、良好的壓縮回彈性、較好的強(qiáng)度等特點，便于安裝、拆卸，不易損壞，可防止介質(zhì)對墊片的侵蝕，提高了耐壓耐腐蝕性能。實施過程中，需要多次微調(diào)打壓面并對改造后的閥門進(jìn)行打壓試驗，包括對閥體、氣缸的調(diào)整，使兩面的泄漏量均符合密封要求。

圖2 雙向密封閥體結(jié)構(gòu)示意

4.3 閥門氣路改進(jìn)

針對程控球閥動作慢的問題，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的原理，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作次數(shù)的增加導(dǎo)致彈簧的彈性疲勞，影響了閥門的開關(guān)速度，從而影響了閉鎖料斗的正常運行。為了彌補(bǔ)彈簧的彈性疲勞造成的輸出力減小，現(xiàn)將原有的兩位三通電磁閥改為兩位五通電磁閥，電磁閥的2路進(jìn)氣分別接入到原彈簧室和原氣缸室，改進(jìn)后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及氣路如圖3所示。在閥門關(guān)閉的時候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動力由風(fēng)壓和彈簧彈力共同作用，使閥門的動作速度提高，這樣就徹底解決了閥門由于彈簧長期使用彈性疲勞輸出力降低關(guān)閉慢的問題。改造后測試閥門的開關(guān)時間為： 閥門開啟時4 s，閥門關(guān)閉時5 s，完全滿足程序?qū)刂魄蜷y的時間按要求。

圖3 改進(jìn)后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及氣路示意

改造后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在安全角度上也能夠滿足設(shè)計要求：

1)當(dāng)系統(tǒng)斷電時，由于程序設(shè)定電磁閥帶電程控球閥開啟，電磁閥失電程控球閥關(guān)閉，所以當(dāng)系統(tǒng)斷電時閥門會處于關(guān)閉的安全狀態(tài)。

2)當(dāng)系統(tǒng)斷風(fēng)時，閥門無論開或閉，均會經(jīng)過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧輸出力使閥門回到安全位置。

4.4 做好工藝調(diào)整，避免程序的中斷

工藝過程對球閥的運行影響很大，程控一旦非正常中斷，吸附劑管道溫度下降，對球閥運行不利；若球閥關(guān)閉順序不能按照正常程序中斷，吸附劑堆積在閥門及管道內(nèi)，加劇閥門的磨損；通過調(diào)整管道上不同閥門開關(guān)延時設(shè)定值，可以改善下方球閥的工作狀況；提高操作溫度、增加相關(guān)管道伴熱，盡量避免吸附劑帶液，可以改善球閥的工作環(huán)境；通過優(yōu)化閉鎖料斗各步序的時間，改善閥門前后壓差，有利于球閥的運行。

4.5 預(yù)知維修和強(qiáng)制更換

制訂程控球閥預(yù)知維修策略，對每臺閥門從上線時間到下線時間，故障維修時的監(jiān)護(hù)人、故障類型、故障部位、故障現(xiàn)象、故障處理過程，處理時間等信息均詳細(xì)記錄。在深入了解工藝運行情況和程控球閥運行模式的基礎(chǔ)上，與工藝主管人員共同摸索制訂程控閥門內(nèi)漏判斷指導(dǎo)手冊，具體判斷方法見表3所列。

表3 閉鎖料斗程控閥內(nèi)漏判斷指南

利用上位機(jī)監(jiān)控將閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運行時間引入上位機(jī)，實時監(jiān)控并記錄，通過歷史趨勢判斷故障，實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)知維修。隨著氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作次數(shù)的增加，彈簧的彈性系數(shù)有所下降，執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障日益凸顯。通過在上位機(jī)上增加程控球閥的閥檢時間，可以隨時記錄閥門的開關(guān)時間和運行狀況，通過趨勢記錄并加以分析，判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障出現(xiàn)的時間，有針對性地進(jìn)行維修或改造。

因工藝原因，球閥工況無法改變時，一些特定部位閥門作為易損件管理并定期更換。如03閥因安裝位置原因，通常3個月需要更換。如果采取定期更換，在閥門磨損初期予以送廠家研磨修理，球閥仍可循環(huán)使用，大幅降低了裝置維護(hù)成本。

4.6 科學(xué)建立備件儲備

通過清掃、研磨、重新噴涂硬化層或更換內(nèi)件的辦法，及時將替換下來的球閥修復(fù)，使其真正達(dá)到備用的目的，有的單位定期將懷疑有問題的球閥拆下來清掃修理，也是避免故障擴(kuò)大化，降低維修難度、降低維修成本的一種策略。此外，盡可能采購?fù)粡S家的程控球閥可以使部分同規(guī)格型號的閥通用，降低備用閥門數(shù)量。

5 結(jié)束語

本文介紹了汽油吸附脫硫裝置閉鎖料斗系統(tǒng)所用的MOGAS金屬密封球閥的特點及結(jié)構(gòu)，總結(jié)閥門在運行中常見的球閥表層硬化質(zhì)量問題，閥球、閥座涂層磨損，閥球上沉積吸附劑焦塊，反向受壓和開關(guān)超時等故障，進(jìn)行了原因分析。最后提出應(yīng)對措施，包括提高設(shè)計、安裝、使用維護(hù)水平封方向，對閥門密封改造，做好工藝調(diào)整，避免程序的中斷，做好備用閥門儲備等。