延遲焦化裝置焦炭塔四通閥故障分析及處理措施

（中化弘潤石油化工有限公司，山東 濰坊 262500）

某公司2008年建成投產(chǎn)1 Mt/a延遲焦化裝置，該裝置主要以減壓渣油、瀝青等重質(zhì)油為原料，原料經(jīng)加熱爐加熱到495～500℃后進(jìn)入焦炭塔進(jìn)行深度裂化和縮合反應(yīng)，生產(chǎn)出干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油和石油焦。延遲焦化工藝普遍設(shè)置A、B共2座焦炭塔，一塔進(jìn)料生焦，一塔除焦吹掃，2座塔交替使用。四通閥位于加熱爐出口到焦炭塔之間的渣油管線上，對焦化油起控制作用，是切換焦炭塔進(jìn)料的核心閥門。為了確保延遲焦化裝置運行可靠，焦炭塔進(jìn)料管線上的四通閥和兩端的隔斷閥均選用進(jìn)口的VALL高溫球閥。在延遲焦化裝置生產(chǎn)運行中，當(dāng)從甩油線切換到A塔時，焦炭塔四通閥多次出現(xiàn)故障，導(dǎo)致延遲焦化裝置停工。

文中分析了四通閥產(chǎn)生故障的原因，并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 四通閥結(jié)構(gòu)及工作原理

焦炭塔四通閥是由加拿大VELAN INC.公司生產(chǎn)的VALL高溫球閥，由閥體、閥芯 （閥桿與球體）、耦合保護(hù)套、密封閥座、波紋管、導(dǎo)流筒及閥座插件等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 四通閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示圖

閥門閥桿與球體為一體鑄件，通過電動執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動閥門球體實現(xiàn)對通流介質(zhì)的通斷控制。四通閥內(nèi)的通流介質(zhì)一般為高溫渣油或者含有焦粉的高溫焦化油氣，故采用蒸汽對閥門內(nèi)部閥腔、閥座波紋管以及填料等部位進(jìn)行吹掃，以防止閥門內(nèi)結(jié)焦。

四通閥上使用電動執(zhí)行機構(gòu)，閥門有1個進(jìn)口、3個出口，3個出口分別連接A、B塔的入口和開停工期間的甩油口。四通閥的球體旋轉(zhuǎn)120o，A、B塔分別完成進(jìn)料、生焦、除焦的過程，A、B塔每24 h切換1次，如此反復(fù)。

2 四通閥故障現(xiàn)象及分析

2.1 故障現(xiàn)象

四通閥本身結(jié)構(gòu)較為特殊，正常工況下A、B塔進(jìn)料線周期性切換操作頻繁，工作溫度較高且易結(jié)焦，而且連接四通閥的管線也較多。2010年停工后對工藝管線進(jìn)行了改造，但每次在A、B塔間切換進(jìn)料時，四通閥必須經(jīng)多次旋轉(zhuǎn)才可以切換成功，電動執(zhí)行機構(gòu)力矩百分?jǐn)?shù)在40%～65%，給生產(chǎn)運行帶來不穩(wěn)定因素。裝置運行9個月后，四通閥電動執(zhí)行機構(gòu)力矩百分?jǐn)?shù)大于90%，進(jìn)料由甩油開工線切換到A塔時四通閥卡澀不動，電動執(zhí)行機構(gòu)過載，裝置被迫停工。

2.2 故障分析［1-4］

對閥門進(jìn)行拆檢維修，發(fā)現(xiàn)四通閥殼體在管線應(yīng)力作用后有輕微的變形，3個閥口距離閥體的中心距最大偏差值為0.6 mm，波紋管工作壓縮位移為2 mm。

一般情況下，拆卸清洗閥門或更換零件后，通常在四通閥安裝前進(jìn)行預(yù)組裝、水壓測試和空負(fù)荷調(diào)試。為防止密封閥座與閥座插件之間互相接觸而導(dǎo)致卡澀，預(yù)組裝時在3個閥座插件與閥體之間留0.8 mm的間隙，而拆檢前此間隙為0，說明四通閥安裝前調(diào)試的預(yù)留間隙在閥門安裝就位后即消失了。分析認(rèn)為是因與四通閥相連接的管線法蘭直接作用在閥座插件上，使閥座插件與閥體間隙變?yōu)?，進(jìn)而增加了波紋管工作位移量。經(jīng)測量，在波紋管自由狀態(tài)下，密封閥座與閥座插件臺階的距離為2.5 mm（圖2）。在減去波紋管工作位移2 mm后，剩余的0.5 mm間隙就是在閥體變形和預(yù)留間隙為0的情況下消失的。因此，必須保證閥體與閥座插件之間的間隙不小于0.5 mm，否則可能產(chǎn)生密封閥座和閥座插件的接觸相碰，使密封閥座失去彈性將所有外力施加給閥球，導(dǎo)致閥門卡澀。

圖2 密封閥座與插件結(jié)構(gòu)裝配示圖

3 四通閥波紋管最大位移計算［5-12］

四通閥的3個波紋管均為U型，波紋數(shù)10，具體結(jié)構(gòu)見圖3。波紋管材質(zhì)Inconel 625是以鉬和鈮為主要強化元素的固溶強化合金。

圖3 四通閥波紋管結(jié)構(gòu)

單層波紋管最大位移計算公式為：

式（1）～式（2）中，Smax為波紋管單波最大位移，δ0為波紋管單層壁厚，a為波厚，D為波紋管外徑，d為波紋管內(nèi)徑，mm；Ka為波深影響系數(shù)，Kb為相對波深系數(shù)；σs為波紋管材料屈服強度，E為波紋管材料彈性模量，MPa。

波紋管的 D=346 mm、d=316 mm，K=D/d=1.095，小于 JB/T 6169—2006《金屬波紋管》［13］中規(guī)定的最小值，根據(jù)JB/T 6169—2006中表A.2波深系數(shù)數(shù)據(jù)表，按圖4所示相對波深系數(shù)擬合曲線得出Kb=220。

圖4 相對波深系數(shù)擬合曲線

將 δ0=2 mm、a=9.5 mm、D=346 mm、d=316 mm、Kb=220、σs=410 MPa、E=205 MPa 代入式 （1）～式（2），計算可得Smax=0.272 mm。波紋管層數(shù)N=10，總最大位移量即為2.72 mm。

工作狀態(tài)中，在滿足纏繞墊片密封要求的前提下，考慮到閥體結(jié)構(gòu)的變形量，可將波紋管的工作位移量減少0.3 mm，將閥座臺階與閥座插件的間隙增大到2.8 mm。3個閥口的工作位移量平均變?yōu)?.7 mm，既可以避免密封閥座與閥座插件臺階的接觸，又能保證密封效果。

4 四通閥故障處理措施

4.1 加裝調(diào)整墊片

在閥座插件和閥體內(nèi)8個沉頭內(nèi)六方螺栓處加裝8個90 mm×30 mm×1.2 mm的鋼制調(diào)整墊片（圖 5）。

圖5 調(diào)整墊片安裝位置

調(diào)整墊片可以傳遞管線法蘭對閥座插件的壓緊力，使之作用在閥體上，固定閥座插件與閥體的間隙，進(jìn)而保證波紋管工作位移量不發(fā)生變化。在500℃高溫工作狀態(tài)下，閥球受到3個方向的推力而自動定位中心點，保證波紋管、閥座受力均勻，避免因安裝四通閥導(dǎo)致閥座插件卡死。

4.2 加大纏繞墊片厚度

波紋管工作位移量變小后，為了防止閥體密封的纏繞墊片泄漏，將纏繞墊片厚度從原來的3.2 mm改為3.8 mm，增加的墊片厚度大于改變的工作位移量。安裝3個閥座插件時，在同時緊固前將密封墊片放置在與閥體結(jié)合面處，再從3個閥口分別放置調(diào)整墊片，最后緊固3個閥口的沉頭內(nèi)六方螺栓將調(diào)整墊片壓緊。

4.3 研磨閥球與密封閥座

四通閥多次卡澀后，閥球和密封閥座之間相對擠壓產(chǎn)生劃痕，劃痕深度一般不超過0.2 mm，且劃痕面積不超過總接觸面積的30%。這種情況下可以將10#金剛砂均勻涂抹在閥球表面與密封閥座進(jìn)行對研。若劃痕深度超過0.2 mm且面積超過總接觸面積的30%，則要更換新的密封閥座或閥球，必須重新測量波紋管工作位移量，對調(diào)整墊片厚度進(jìn)行調(diào)整，使總的工作位移量保持不變。

5 四通閥改造效果分析

加裝調(diào)整墊片后組裝調(diào)試四通閥，四通閥密封泄漏試驗中水壓試驗高壓1.49 MPa，泄漏量小于19 mL/min（0.9 cc），冷態(tài)旋轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)試驗力矩百分?jǐn)?shù)為0，說明組裝優(yōu)良。裝置現(xiàn)場安裝四通閥后，從開工到閥體溫度升到490℃需要2～3 d，在此升溫和恒溫階段每間隔1 h旋轉(zhuǎn)360°，保證四通閥在工作狀態(tài)時不會卡澀。

改造前后四通閥電動執(zhí)行機構(gòu)運行力矩百分?jǐn)?shù)對比見圖6。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，改造前在啟動升溫階段四通閥力矩百分?jǐn)?shù)急劇增大，此時管線受熱后應(yīng)力作用于閥體上，當(dāng)溫度升到500℃左右后，力矩百分?jǐn)?shù)逐漸趨于規(guī)律波動。改造后在升溫和恒溫階段四通閥電動執(zhí)行機構(gòu)力矩百分?jǐn)?shù)均平滑上升，工作狀態(tài)下A、B塔切換力矩百分?jǐn)?shù)為9%～14%，A、B塔切換時密封效果良好，閥座插件纏繞墊片未發(fā)生泄漏。

圖6 改造前后四通閥電動機構(gòu)運行力矩百分?jǐn)?shù)對比

6 結(jié)語

對延遲焦化裝置焦炭塔四通閥故障原因進(jìn)行了分析，并對四通閥進(jìn)行了改造。四通閥改造后投用2 a來沒有發(fā)生過卡澀故障，保障了延遲焦化裝置的正常生產(chǎn)。到下一個大修周期（3 a），調(diào)整墊片和波紋管依然可以使用。采用文中改造措施節(jié)省了大量的物力和人力，解決了四通閥的卡澀問題，可為煉化行業(yè)延遲焦化裝置四通閥運行卡澀故障處理提供參考。