海油建滔液位調(diào)節(jié)閥（LV020201）故障技術(shù)性分析及處理

呂朝帥，楊 彪，胡瑞平

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

圖1 閥體結(jié)構(gòu)Fig.1 Valve body structure

0 引言

中海油建滔公司是中海石油化學(xué)股份有限公司與香港建滔投資有限公司出資興建的60 萬(wàn)噸/年甲醇裝置，采用了德國(guó)LURGI（魯奇）工藝技術(shù)[1]，具有能耗低、大型化、運(yùn)行安全可靠、流程簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)。該裝置于2006 年9 月竣工投產(chǎn)，生產(chǎn)裝置已運(yùn)行了14 年，在裝置的運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)工藝包選用的現(xiàn)場(chǎng)個(gè)別的調(diào)節(jié)閥不適應(yīng)某些工段的工藝狀態(tài)，在操作中存在的閥桿高頻振蕩的問題逐步顯露出來(lái)。本文就F-02002 分離罐的液位調(diào)節(jié)閥（LV-020201）在運(yùn)行中的閥桿高頻振蕩的故障問題，進(jìn)行充分的技術(shù)分析，修復(fù)的過程，處理的結(jié)果及得出的結(jié)論，并建議該調(diào)節(jié)閥后續(xù)的處理建議。

1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)介紹

1.1 工藝流程說明

調(diào)節(jié)控制閥（LV-020201）是控制來(lái)自02R001 甲醇合成塔出來(lái)的合成氣，然后經(jīng)過換熱器E02002、E02003、E02004 換熱后的合成氣，經(jīng)分離罐F-02002 進(jìn)行氣液分離，氣相返回合成氣壓縮機(jī)的循環(huán)段，液相流經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥減壓后送到甲醇精餾工段。分離罐F-02002 正常處于可操作的液位高度50%，分離罐上設(shè)置有帶控制的LT-020201 的液位測(cè)量[2]變送器儀表，另外，還設(shè)有3 臺(tái)液位變送器（LT-020202A/B/C）作為分離罐的液位高高（70%）、低低（30%）報(bào)警和高高（80%）、低低（20%）聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)，這些聯(lián)鎖信號(hào)均進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)（SIS）做為聯(lián)鎖保護(hù)。

調(diào)節(jié)閥的閥前壓力為9.88Mpa(a)，閥后壓力為0.85Mpa(a)，介質(zhì)溫度為40℃，正常流量為101336Kg/h，調(diào)節(jié)閥的正常工作壓差為9.28Mpa(a)，正?？刂剖橇鹘?jīng)調(diào)節(jié)閥的液態(tài)粗甲醇經(jīng)過調(diào)節(jié)閥減壓到0.85Mpa(a)后，進(jìn)入后續(xù)工段進(jìn)行精餾，經(jīng)過精餾出高純度的甲醇產(chǎn)品。

圖2 閥座Fig.2 Valve seat

1.2 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)說明

該調(diào)節(jié)閥是氣動(dòng)薄膜控制閥，是氣開式，事故關(guān)閥（FC）調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的行程為100mm，閥桿長(zhǎng)度1000mm，閥桿上帶有490mm 長(zhǎng)的波紋管，閥芯上有5 個(gè)閥芯組成整體閥芯，成葫蘆狀，正常開度MV=75%，調(diào)節(jié)閥是低進(jìn)高出流向。

針對(duì)調(diào)節(jié)閥圖1 的整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行如下的分解說明。圖1 為調(diào)節(jié)閥的閥體剖面圖，圖中⑥部位為調(diào)節(jié)閥的導(dǎo)向槽，其作用是對(duì)閥芯的導(dǎo)向和定位的作用，防止閥芯在流體的作用下減少振動(dòng)；圖中⑦部位為閥座，內(nèi)部分為5 個(gè)臺(tái)階，就是5 個(gè)閥芯腔，它的作用是流體進(jìn)入閥腔后，從底部第一個(gè)閥腔開始向上流動(dòng)，在流動(dòng)過程中，通過閥芯的開度控制流體的流量及對(duì)流體進(jìn)行減壓作用；圖中⑧部分為流體的進(jìn)口，法蘭尺寸為8 寸，壓力等級(jí)為Class900；圖中⑨為調(diào)節(jié)閥的出口，法蘭標(biāo)準(zhǔn)為8 寸，閥體上部位于執(zhí)行器法蘭連接，下部位是閥體的盲法蘭，主要是對(duì)閥體下腔的密封作用及拆檢時(shí)雜物的清理。

圖2 為調(diào)節(jié)閥的閥座部位[3]，閥座與閥體的連接為螺紋連接，圖中⑤為流體的入口，入口是10 個(gè)同一尺寸∮20 均勻分布的圓孔，其作用是限制流體，初次減壓及流體的均勻分布的作用，流體經(jīng)過圓孔后進(jìn)入閥芯的二次限流與減壓，閥座的材質(zhì)為316L。閥座內(nèi)腔分布4 個(gè)腔室，每個(gè)腔室的高度都不一樣，從下向上逐步加大，腔室的間隙是一樣的，流體流經(jīng)4 個(gè)后，最后在閥座的上部流出，上部是第5 個(gè)閥芯來(lái)控制，也是閥座的密封面，也是流體流量的控制線。

2 調(diào)節(jié)閥的高頻振蕩故障現(xiàn)象

2.1 閥芯的磨損

調(diào)節(jié)閥從投產(chǎn)之時(shí)，每在75%的開度下，調(diào)節(jié)閥的閥桿就一直存在高頻的振動(dòng)狀態(tài)，造成了閥芯的導(dǎo)向部位的多次均勻磨損如圖3 中的?所示，磨損深度達(dá)1.85mm，寬度達(dá)26mm。

圖3 閥芯Fig.3 Spool

2.2 閥桿的磨損

從圖4 中可以看出，在離閥桿末端105mm 處開始磨損，磨損寬度為27mm，深度為1.65mm。另外，閥門定位器的反饋桿也存在輕微的磨損。

從閥門的磨損部位、磨損的寬度及磨損的深度可以看出各部位的磨損是均勻的，閥芯的磨損導(dǎo)向部位的寬度表示閥門的正常閥門高頻振動(dòng)下的開度，磨損的深度表示磨損的時(shí)間段。閥桿的磨損部位是閥桿在護(hù)管的限位槽內(nèi)因閥桿的高頻振動(dòng)造成的磨損。

3 調(diào)節(jié)閥故障的原因分析

閥桿離末端350mm 處設(shè)有波紋管，該閥桿進(jìn)行了波紋管的處理，主要作用是防止甲醇的泄漏，減少對(duì)閥桿填料的承壓沖擊，減少填料的泄漏，起到關(guān)鍵作用。

從整個(gè)調(diào)節(jié)閥來(lái)看，在裝置開車階段，閥門處于小的開度，導(dǎo)向部位還處于與導(dǎo)槽緊貼的狀態(tài)，隨著閥門的開度的上升到正常開度，閥芯和閥桿的重心向上抬高，造成閥芯與閥桿的穩(wěn)定性差，同時(shí)，閥門的開度上升，流體的流量也在增加，流體流量、壓力的變化也是造成閥芯與閥桿的高頻振動(dòng)的主要原因。因?yàn)?，流體從進(jìn)口要經(jīng)過10 個(gè)∮20 的入口流道，經(jīng)過5 個(gè)葫蘆狀的閥芯與閥座的間隙，最后從閥座上面流出，在出口側(cè)的壓力比同平面的進(jìn)口側(cè)的壓力要低，加上閥桿的系統(tǒng)彈性，在流體流量和壓力變化時(shí)，閥桿與閥芯的不穩(wěn)定性，壓力的變化加上閥芯導(dǎo)向的上移，重心的抬高，閥芯的不穩(wěn)定性增加，流體的波動(dòng)、閥桿的振動(dòng)，勢(shì)必造成閥桿與導(dǎo)向內(nèi)側(cè)的高頻摩擦。由于閥座的材料比閥芯的材料的硬度大，很大程度上造成閥芯的磨損，同時(shí)，閥桿與護(hù)管限位槽內(nèi)側(cè)也存在高頻碰磨，造成閥芯和閥桿的磨損。

圖4 閥桿Fig.4 Valve stem

4 調(diào)節(jié)閥的處理

首先，是對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行解體檢修。處理的第一部位是對(duì)磨損的閥芯導(dǎo)向部位的處理主要是對(duì)磨損部位的清理，重新補(bǔ)焊，補(bǔ)焊的尺寸要大于導(dǎo)向部位的直徑，然后經(jīng)過車床的加工，在加工的過程中，考慮到導(dǎo)向槽無(wú)法處理，另外內(nèi)檢磨損輕微，所以在導(dǎo)向位置增加0.1mm 厚度，補(bǔ)償閥座導(dǎo)向內(nèi)腔的磨損尺寸，減少與導(dǎo)向槽內(nèi)側(cè)的回裝間隙，也是增加閥芯的穩(wěn)定性的策略。

第二，是對(duì)閥桿護(hù)管限位磨損部位的處理。依然按照原尺寸補(bǔ)焊加工處理，因?yàn)樵撐恢媚p不嚴(yán)重，對(duì)閥門的一定時(shí)間段內(nèi)安全性運(yùn)行不構(gòu)成影響。

通過上述的處理，安裝、調(diào)試及投運(yùn)，在調(diào)節(jié)閥開度到達(dá)MV=75%時(shí)，調(diào)節(jié)閥的高頻振蕩消除，故障問題得到解決。

5 存在問題分析

1） 閥芯的設(shè)計(jì)存在不足。閥芯過長(zhǎng)、過多，5 個(gè)閥芯承擔(dān)著減壓、流體分配、限流等多種功能，受運(yùn)行中多種因素變化的干擾，閥芯的平衡性、穩(wěn)定性很容易被破壞，通過這種的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不適用于高壓差，高靜壓的工藝裝置的生產(chǎn)工段，多閥芯的不協(xié)調(diào)性，任何一個(gè)閥芯的損傷都會(huì)影響到流經(jīng)流體的壓力變化、流量變化，以及在外部干擾的情況下，克服干擾的能力不一樣，也是造成閥桿高頻振蕩的原因之一。

2） 閥桿過長(zhǎng)存在不足。閥桿的長(zhǎng)度為1000mm，閥桿過長(zhǎng)，整體調(diào)節(jié)閥的高度也加長(zhǎng)，調(diào)節(jié)閥的重心上移；再加上，閥桿長(zhǎng)、重心抬高、閥桿的穩(wěn)定性差，也會(huì)引發(fā)運(yùn)行中克服振蕩的穩(wěn)定性差，造成閥桿振蕩磨損的次要原因。

3） 閥桿波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不足。解決甲醇的外漏問題有很多方法，采用波紋管結(jié)構(gòu)，存在加工難度大，修復(fù)的可行性差，容易開裂損壞，使用壽命短，修理難度大，無(wú)形中增加了閥桿的長(zhǎng)度，造成振蕩磨損后果。

6 結(jié)論

由于閥門設(shè)計(jì)和選型上的不合理，運(yùn)行中存在閥桿的高頻振蕩是在所難免，雖然經(jīng)過了修理、修復(fù)基本上解決了振蕩的問題，這只是暫時(shí)的處理辦法，受外部和閥門本身因素的影響，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，閥門的閥桿高頻振蕩還會(huì)發(fā)生，閥芯、閥桿的磨損依然存在。

因?yàn)殚y門存在設(shè)計(jì)上的不足，如果要徹底解決調(diào)節(jié)閥的閥桿高頻振蕩的問題，需要重新設(shè)計(jì)、重新選型，特別是要結(jié)合本次調(diào)節(jié)閥存在的問題、造成的原因及影響因素都要進(jìn)行充分地分析，充分地論證結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和選型。需要改變閥體的結(jié)構(gòu)、密封方式，降低閥門高度，減少閥桿長(zhǎng)度，采用多級(jí)降壓方式與單一閥芯等措施，解決閥門閥桿的高頻振蕩帶來(lái)的故障，減少檢修次數(shù)，滿足工藝操作要求，確保裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。