煤焦制氫裝置鎖渣閥的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用與改進(jìn)

滕千里 魏劍萍

（中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化公司，浙江 寧波 315207）

煤焦制氫（簡(jiǎn)稱POX）裝置是以煤及石油焦為原料生產(chǎn)氫氣，而生產(chǎn)氫氣的裝置對(duì)整個(gè)煉化企業(yè)是至關(guān)重要的。POX裝置以水煤漿為原料在氣化爐加壓反應(yīng)，氣化后的煤渣在加壓輸送過程中，由于介質(zhì)為高壓煤粉及氮?dú)猓i渣閥的閥體流道、球體、閥座及密封面必然會(huì)受到?jīng)_蝕和磨蝕，又由于在正常生產(chǎn)中鎖渣閥的開關(guān)頻率較高、壓力和溫度從高到低交替變化等因素，對(duì)鎖渣閥的性能提出了較高的要求[1]。

1 POX裝置鎖斗循環(huán)及相關(guān)閥門簡(jiǎn)介

1.1 鎖斗循環(huán)原理簡(jiǎn)介

POX裝置的鎖斗系統(tǒng)是一個(gè)定期收集和排放氣化爐產(chǎn)出灰渣的水封體系，是確保氣化爐連續(xù)運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一。鎖斗循環(huán)分為收渣、卸壓、排渣和充壓4個(gè)階段（如圖1所示），一個(gè)循環(huán)的時(shí)間大約為30 min[2]。

圖1 鎖斗示意圖

鎖斗程序啟動(dòng)后，當(dāng)排渣時(shí)間到時(shí)，鎖斗進(jìn)口閥關(guān)閉，鎖斗循環(huán)泵入口關(guān)閉，循環(huán)閥打開，鎖斗泵自身循環(huán)。鎖斗卸壓閥打開，渣池溢流閥關(guān)閉，鎖斗開始卸壓，鎖斗內(nèi)壓力卸至鎖斗沖洗水罐12V103。卸壓后，關(guān)閉鎖斗減壓閥，打開自鎖斗沖洗水罐12V103至鎖斗的鎖斗沖洗閥及自鎖斗至渣池的鎖斗出口閥，鎖斗開始排渣。排渣計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，到達(dá)預(yù)定時(shí)間后，鎖斗出口閥、鎖斗沖洗閥關(guān)閉。鎖斗充壓閥打開，用來自渣水處理單元高溫?zé)崴?3P101A/B的高壓灰水對(duì)鎖斗進(jìn)行充壓。當(dāng)鎖斗與氣化爐之間的壓差小于設(shè)定值時(shí)，充壓閥關(guān)閉，鎖斗進(jìn)口閥重新打開。與此同時(shí)，鎖斗循環(huán)泵入口閥打開，循環(huán)閥關(guān)閉，鎖斗開始收渣。全部排渣循環(huán)（減壓、排渣、充壓）時(shí)間大約2 min。鎖斗循環(huán)重新開始。

為了保證氣化爐安全運(yùn)行， 鎖斗順控要求鎖渣閥必須在10 s內(nèi)完成開啟或關(guān)閉動(dòng)作，否則，鎖斗順控程序?qū)⑻＃i斗不能進(jìn)行自動(dòng)收渣、排渣。

1.2 鎖斗相關(guān)閥門介紹

一個(gè)氣化爐典型的鎖斗系統(tǒng)共需要配置24臺(tái)鎖渣閥（典型配置見表1），鎖渣閥為固定球硬密封球閥，尺寸較大 （DN450 mm ／ DN400 mm），國(guó)內(nèi)POX裝置基本以進(jìn)口的ARGUS 閥體為主。由于黑水介質(zhì)中含有堅(jiān)硬的金屬固體顆粒，對(duì)鎖渣的閥體、閥座的損害都很大，為了保證閥座與閥體之間的密封面不殘留介質(zhì)，進(jìn)口閥門內(nèi)部都做了特殊處理，如對(duì)閥座做了刮刀式設(shè)計(jì)[3]以實(shí)現(xiàn)對(duì)閥球表面自清洗，對(duì)鎖渣閥閥座下立柱彈簧進(jìn)行改進(jìn)等。國(guó)內(nèi)也有廠家開始制作全國(guó)產(chǎn)化球閥，某企業(yè)為了推進(jìn)鎖渣閥的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，使用了3臺(tái)國(guó)產(chǎn)鎖渣閥，（12KV108(208/308)，2”-900LB即口徑為6.67 cm、壓力等級(jí)為408.23 kg），但自開工以來出現(xiàn)的各類問題故障率較高，占所有24臺(tái)鎖渣閥的90%以上。

表1 24臺(tái)鎖斗閥配置情況

2 國(guó)產(chǎn)鎖渣閥故障原因及分析

POX裝置自2019年投產(chǎn)以來，鎖渣閥出現(xiàn)了不同類型的故障，導(dǎo)致氣化爐降負(fù)荷運(yùn)行或者切爐停工處理。

2.1 鎖渣閥閥桿卡澀

2019年出現(xiàn)了多臺(tái)次的鎖渣閥卡澀導(dǎo)致閥門開關(guān)超時(shí)，經(jīng)拆解后檢查閥體內(nèi)腔、球體、閥座以及閥桿等部位，確認(rèn)球體和閥座組件、球體下軸情況較好，沒有發(fā)現(xiàn)劃痕、擦傷等問題； 但是閥桿與閥體軸孔配合面劃傷嚴(yán)重，閥體相應(yīng)軸孔表面局部劃傷，如圖2所示。

圖2 鎖渣閥拆檢情況和軸套

鎖渣閥閥桿卡澀包括2個(gè)原因：1）閥桿的表面拉毛嚴(yán)重，閥桿與軸孔配合處的噴涂層幾乎磨損殆盡，閥桿表面沒有硬化層的保護(hù)，實(shí)際在線運(yùn)動(dòng)的是閥桿基體與閥體之間的干磨損。2）閥桿和球體軸孔直接連接位置的間隙沒有控制好也是其中的原因之一[4]。

故障處理包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容：1）去除閥桿原表面硬化層，采用超音速噴涂WC表面硬化處理，再重新組裝調(diào)試后開始進(jìn)行模擬開關(guān)動(dòng)作試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為水、閥門前端試驗(yàn)壓力為9.2 MPa～11.2 MPa，經(jīng)壓力試驗(yàn)測(cè)試，閥門密封性能完好，沒有發(fā)現(xiàn)閥座泄漏情況發(fā)生。2）經(jīng)局部熱處理后，將精加工與閥體軸孔配合，確保間隙在合理公差范圍內(nèi)。3）閥桿和軸孔配合處增加了軸套保護(hù)，可以解決閥桿磨損和拉傷的問題，可以保證在鎖斗系統(tǒng)中長(zhǎng)期使用；增加保護(hù)軸套的措施可以減少部分摩擦力矩，保護(hù)閥桿表面不受磨損。

2.2 鎖渣閥閥座抱死

2019年3月鎖渣閥再次出現(xiàn)卡澀，閥門開關(guān)超時(shí)，再次拆解發(fā)現(xiàn)球體和閥座之間的設(shè)定間隙不符合出廠要求，導(dǎo)致閥座背面的密封圈膨脹后，球體被閥座抱死。

鎖渣閥閥座抱死的原因有以下2個(gè)：1）閥座柔性石墨密封圈在高溫黑水灰水介質(zhì)中膨脹過大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拆解后測(cè)量，密封圈比圖紙軸向尺寸大了1 mm。2）裝配球體和閥座之間的設(shè)定間隙沒有符合設(shè)計(jì)要求，因此在閥座背面的密封圈（柔性石墨材質(zhì)）膨脹后，球體被閥座抱死。

故障處理包括4個(gè)方面的內(nèi)容：1）更換了符合設(shè)計(jì)尺寸要求的標(biāo)準(zhǔn)閥座密封圈（柔性石墨圈）。2）對(duì)閥座密封圈進(jìn)行了預(yù)裝壓緊處理，即在裝配球體前，先將座閥組件安裝進(jìn)閥體內(nèi)部，然后采用專用閥座密封圈預(yù)緊工裝進(jìn)行預(yù)緊處理。使閥座、閥座密封圈及相關(guān)配件達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的狀態(tài)。3）將球體與閥座組件裝配進(jìn)閥體內(nèi)腔后檢查閥座和閥體之間的預(yù)緊間隙（該尺寸為設(shè)計(jì)時(shí)考慮的球體、閥座及柔性石墨圈在高溫下尺寸變化后的預(yù)留尺寸，以避免球體被閥座組件抱死）。4）裝配完畢后，手動(dòng)開關(guān)閥門，檢查閥門扭距是否過大，在開關(guān)過程中是否有操作扭距變化過大的情況等。

2.3 鎖渣閥抖動(dòng)爬行

2019年6月該鎖渣閥在開關(guān)過程中又出現(xiàn)抖動(dòng)爬行狀態(tài)，開關(guān)時(shí)間不合格導(dǎo)致鎖斗停運(yùn)。閥門拆解后判定閥門出現(xiàn)輕微抖動(dòng)爬行的原因?yàn)殚y座柔性石墨密封圈在高溫黑水灰水介質(zhì)中膨脹過大，由于工廠試驗(yàn)是常溫水，而實(shí)際工況是200 ℃以上的灰水，使實(shí)際運(yùn)行時(shí)間隙不足，導(dǎo)致閥門使用過程中球體被閥座局部抱死的現(xiàn)象產(chǎn)生。

故障處理包括以下2點(diǎn)：1）閥蓋座端鉆彈簧孔外平面位置車深0.7 mm。2）增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩力，避免摩擦力增加時(shí)能自動(dòng)克服爬行現(xiàn)象。執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)保證至少1.5倍的安全系數(shù)，確保氣源壓力在0.4 MPa時(shí)也可以正常工作。

2.4 鎖渣閥回訊故障

鎖渣閥原始設(shè)計(jì)的回訊安裝在頂部，與工藝副線管道位置過近，不利于拆裝，增加了閥門故障后的更換時(shí)間，且回訊目標(biāo)頭為非磁鐵材質(zhì)，一旦開關(guān)出現(xiàn)微小不到位或者回訊本身松動(dòng)等情況就會(huì)無法接收回訊命令，也是導(dǎo)致閥門開關(guān)時(shí)間超時(shí)的原因之一。

解決措施包括如下2點(diǎn)：1）閥門回訊安裝位置進(jìn)行改裝。把磁感應(yīng)回訊安裝固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體之間的支架上，既便于維護(hù)，也增加了更換閥門時(shí)的空間。2）感應(yīng)頭更換為目標(biāo)磁鐵，增強(qiáng)了回訊感應(yīng)能力，以避免開關(guān)時(shí)間超時(shí)。

經(jīng)過多次和閥門廠家一起研究和改進(jìn)，故障率和整閥更換次數(shù)已經(jīng)降低了95%以上，經(jīng)過1年多的運(yùn)行，未出現(xiàn)閥門超時(shí)、卡澀等任何故障，且在裝置檢修期間解體檢查，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥體和附件等都未發(fā)現(xiàn)任何異常。

3 結(jié)論

由于進(jìn)口鎖渣閥價(jià)格昂貴，制造周期長(zhǎng)，零配件供應(yīng)不及時(shí)，維修不方便[5]，因此鎖渣閥國(guó)產(chǎn)化是必然趨勢(shì)。通過該工廠和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題的解決處理，為國(guó)產(chǎn)閥門改進(jìn)提供了平臺(tái)，也打破了該類產(chǎn)品長(zhǎng)期被進(jìn)口閥門所壟斷，為國(guó)產(chǎn)鎖渣閥門提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前，經(jīng)過改進(jìn)后的閥門使用情況良好，鎖渣閥使用壽命超過8 000 h，降低了維修費(fèi)用，鎖斗順控程序安全穩(wěn)定地運(yùn)行，確保了POX裝置氣化爐安全穩(wěn)定地運(yùn)行[5]。