高溫高壓蒸汽安全閥腐蝕缺陷修復(fù)及國產(chǎn)化改造

黃

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司機(jī)動(dòng)部, 浙江 寧波 315200)

國內(nèi)某大型煉油廠乙烯裂解汽包等高溫高壓蒸汽工況多個(gè)在用安全閥均采用進(jìn)口產(chǎn)品，使用時(shí)間10～30 a，使用中存在安全閥閥芯密封面泄漏和在線定壓值不準(zhǔn)等問題，解剖后發(fā)現(xiàn)閥芯閥座硬質(zhì)合金層磨損開裂，堆焊研磨修復(fù)困難。如果更換進(jìn)口閥芯閥座，費(fèi)用昂貴，一般超過新購置整閥的30%。技術(shù)管理部門通過廣泛調(diào)研、同國內(nèi)相關(guān)廠家技術(shù)交流，摸索修復(fù)和國產(chǎn)化辦法解決該問題。

1 高溫高壓蒸汽安全閥腐蝕失效分析

對(duì)多個(gè)失效高溫高壓安全閥后進(jìn)行解剖分析發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)的典型故障為密封面腐蝕、沖蝕或硬質(zhì)合金層開裂導(dǎo)致的泄漏。將腐蝕零部件委托給專業(yè)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行失效分析，失效原因主要是密封面硬質(zhì)合金材質(zhì)經(jīng)過長(zhǎng)期使用受到介質(zhì)溫度波動(dòng)和出口管道有凝結(jié)水等因素影響，產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致硬質(zhì)合金開裂損壞。致使主密封高溫蒸汽泄漏后造成彈簧在蒸汽環(huán)境中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，彈簧斷裂后使安全閥突然失效，產(chǎn)生大幅波動(dòng)，對(duì)正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。

1.1 密封面損壞磨損及修復(fù)

如果是星狀的點(diǎn)蝕，用D547，D547Mo類不銹鋼焊條點(diǎn)焊修復(fù)后，再進(jìn)行研磨。如果密封面硬質(zhì)合金層開裂或連續(xù)大塊缺陷，則委托專業(yè)廠家修復(fù)，將硬質(zhì)合金層車削后，預(yù)熱后堆焊鈷基類硬質(zhì)合金層，堆焊至少3 mm，經(jīng)過粗研和精研后上線投用。在初期情況尚可，但其中部分安全閥使用一年左右時(shí)間，密封面就又發(fā)生了蒸汽泄漏，需要再次維修。分析原因主要是由于進(jìn)口閥門大多采用彈性(撓性)閥瓣結(jié)構(gòu)，即熱閥瓣結(jié)構(gòu)。閥芯和閥瓣的尺寸、材料選配經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)，熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)，工作狀態(tài)不能發(fā)生相對(duì)位移，這種帶彈性密封面的密封結(jié)構(gòu)適用于閥座和閥瓣有可能發(fā)生熱變形的場(chǎng)合。當(dāng)高溫介質(zhì)被節(jié)流，節(jié)流的蒸汽使密封面冷卻，在密封面材料中造成溫度梯度，從而引起密封面的翹曲，節(jié)流時(shí)的冷卻程度取決于介質(zhì)的種類及其初始參數(shù)，對(duì)于飽和蒸汽，工作壓力為17.0 MPa時(shí)溫度可能降低至230 ℃，這將導(dǎo)致密封面翹曲和侵蝕，從而造成修復(fù)后的閥芯閥瓣很難達(dá)到原始設(shè)計(jì)要求，特別是原始設(shè)計(jì)資料散失或出口廠家不提供，較難修復(fù)成進(jìn)口閥門原始狀態(tài)[1]。

1.2 彈簧失效及措施

彈簧載荷式安全閥的工作原理是通過彈簧座把作用力傳遞給閥桿，閥桿再把彈力傳遞到閥瓣上。為保證安全閥的可靠運(yùn)行，必須保證彈簧力能平穩(wěn)地傳遞到閥瓣上，但高溫高壓安全閥長(zhǎng)期工作在苛刻環(huán)境，彈簧的力學(xué)性能會(huì)降低且出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，彈簧力減小，導(dǎo)致安全閥密封力不足產(chǎn)生內(nèi)漏，甚至提前起跳。故應(yīng)適時(shí)更新彈簧，進(jìn)行壽命管理，為了防止彈簧松弛，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取較低的許用應(yīng)力值，制造時(shí)進(jìn)行強(qiáng)壓處理，彈簧材質(zhì)至少采用高鉻鎳合金鋼制造，并采用高溫涂料處理等。

1.3 安全閥組件的安裝要求

閥瓣的導(dǎo)向套與閥體的連接是非剛性的，并且不接觸熱的介質(zhì)，但在高溫環(huán)境下因膨脹系數(shù)不同容易卡澀，導(dǎo)致安全閥失效。為了防止閥瓣在導(dǎo)向套中被卡住，就必須按工作溫度的不同，在閥瓣和導(dǎo)向套之間確保一定的間隙，該間隙控制難度大，檢修成功率不高。

2 國產(chǎn)化改造工作

綜合考慮成本、維修和使用效果等多方面因素，從2017年開始在1號(hào)乙烯裂解爐汽包高溫高壓安全閥上進(jìn)行了國產(chǎn)化改造，該安全閥的具體工況見表1。

表1 該安全閥的具體工況

2.1 安全閥定徑技術(shù)選擇

安全閥的定徑根據(jù)API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《泄壓閥裝置的尺寸計(jì)算和選擇》，蒸汽的定徑公式如下：

式中：A為所需的有效排放面積，mm2;W為所需泄放量，kg/h;Pdr為額定排放壓力(該壓力等于整定壓力加上允許超過壓力，再加上大氣壓，MPa);Kdr為額定排量系數(shù)，取0.869;Kb為排量的背壓修正系數(shù)，對(duì)于常規(guī)式安全閥，處于臨界流動(dòng)時(shí)，取1.0;Kc為裝爆破片時(shí)的聯(lián)合修正系數(shù)，當(dāng)不安裝爆破片時(shí)，取1.0;KN為Napier公式的修正系數(shù)，根據(jù)計(jì)算取1.027;KSH為過熱蒸汽修正系數(shù)，取1。

計(jì)算得到所需的有效排放面積為269.82 mm2，選擇“G”喉徑，對(duì)應(yīng)的排放面積為380.13 mm2。

2.2 高溫高壓安全閥的結(jié)構(gòu)選擇

根據(jù)ASME第Ⅰ卷《動(dòng)力鍋爐建造規(guī)則》要求，該安全閥應(yīng)滿足：超過壓力≤3%Ps，啟閉壓差≤4%Ps。密封性能應(yīng)滿足在96%Ps下進(jìn)行密封性試驗(yàn)，無可見及可聽見的泄漏。同時(shí)，閥門應(yīng)當(dāng)具有良好的動(dòng)作性能，運(yùn)行過程中無顫振、卡阻現(xiàn)象。這一工況要求高于常規(guī)安全閥工況要求，對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)提出特殊要求：(1)采用彈性熱閥瓣結(jié)構(gòu)，以提高其在高溫高壓蒸汽工況下的密封性能。(2)具有多重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保證閥門性能可調(diào)，滿足性能指標(biāo)要求。(3)導(dǎo)向件的結(jié)構(gòu)、工藝應(yīng)保證閥門對(duì)中性良好，彈簧力傳遞平穩(wěn)，無卡阻現(xiàn)象。(4)閥門的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用敞開式結(jié)構(gòu)，減小高溫對(duì)彈簧和其他重要零部件的影響。

2.3 彈性熱閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前閥瓣的結(jié)構(gòu)形式主要分為剛性閥瓣和彈性閥瓣兩種，具體結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 剛性閥瓣結(jié)構(gòu)

圖2 彈性閥瓣結(jié)構(gòu)

對(duì)于剛性閥瓣密封結(jié)構(gòu)，在閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥瓣內(nèi)部長(zhǎng)期與高溫介質(zhì)接觸，外部與閥體腔體內(nèi)空氣接觸，由于溫度差的存在，導(dǎo)致閥瓣密封面極易因?yàn)闊嶙冃味l(fā)生翹曲，從而產(chǎn)生泄漏。同時(shí)當(dāng)閥門工作壓力與開啟壓力比較接近時(shí)，作用于閥瓣密封面上的密封比壓較小，介質(zhì)也會(huì)容易發(fā)生泄漏。

而彈性熱閥瓣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使密封面上溫度分布均勻，減少了因密封面熱變形而帶來的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)當(dāng)閥門工作壓力與開啟壓力比較接近時(shí)，密封面會(huì)發(fā)生輕微“踮腳”現(xiàn)象，密封接觸面積會(huì)適當(dāng)減小，以保證密封比壓，提升密封效果。

但是，彈性閥瓣的密封唇在閥門回座時(shí)會(huì)承受很大沖擊作用，產(chǎn)生較大應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)需要引起足夠重視。應(yīng)對(duì)密封唇處最大應(yīng)力進(jìn)行校核，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。利用ANSYS有限元仿真工具對(duì)閥瓣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，得到應(yīng)力云圖，如圖3所示。計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)力最大值為486.83 MPa，約占閥瓣材料Inconel 718屈服極限的47%，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 閥瓣應(yīng)力云圖

2.4 閥座設(shè)計(jì)

安全閥閥座長(zhǎng)期承受高溫高壓蒸汽作用。閥座作為安全閥中關(guān)鍵承壓件，需要嚴(yán)格保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。按照以下閥座壁厚計(jì)算公式對(duì)閥座強(qiáng)度進(jìn)行校核。閥座壁厚計(jì)算示意圖見圖4。

圖4 閥座壁厚計(jì)算示意

同時(shí)，閥座的選材應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注材料在高溫下的強(qiáng)度和蠕變性能。為提高閥座密封面的耐熱性、耐磨性和硬度，保證閥門的密封性，在閥座密封面堆焊鈷基合金Stellite1。

2.5 調(diào)節(jié)圈的設(shè)計(jì)

采用上下雙調(diào)節(jié)圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖5。上調(diào)節(jié)圈用來調(diào)節(jié)全開啟壓力，即排放壓力，下調(diào)節(jié)圈用來調(diào)節(jié)回座壓力，可以精確調(diào)整回座壓力和排放壓力，利用蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生的反力和張力來保證閥門在3%的超壓范圍內(nèi)達(dá)到全排量開啟。同時(shí)也能充分利用安全閥進(jìn)口蒸汽提供回座背壓，并可調(diào)節(jié)以達(dá)到啟閉壓差的要求[2]。該種超壓低、啟閉壓差小的特性既可有效保護(hù)系統(tǒng)的安全，又能避免蒸汽過量的泄放，最終降低系統(tǒng)的能量損失。

圖5 雙調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)

2.6 彈簧材質(zhì)的選擇

此次國產(chǎn)化的安全閥彈簧一律選擇高溫合金鋼材料制作，表面涂鍍高溫漆防腐處理。彈簧在繞制后，需進(jìn)行消除塑性變形的立定處理，將彈簧緩慢壓至圈與圈相接觸3～5次。之后，進(jìn)行熱強(qiáng)壓處理，熱強(qiáng)壓處理要保持恒溫，將彈簧壓至并圈負(fù)荷下進(jìn)行熱強(qiáng)壓處理，應(yīng)在210 ℃下保溫24 h以上，以提升彈簧的熱穩(wěn)定性。

2.7 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改良安全閥結(jié)構(gòu)，保證良好的散熱功能，防止高溫蒸汽對(duì)彈簧產(chǎn)生不利影響。對(duì)整體安全閥進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，得到溫度場(chǎng)分布,見圖6。仿真結(jié)果表明，改良的結(jié)構(gòu)散熱效果良好,當(dāng)介質(zhì)溫度為500 ℃時(shí)，彈簧處溫度小于75 ℃?？紤]到安全閥實(shí)際在線狀態(tài)處于常閉，該狀態(tài)下彈簧及內(nèi)件溫度更低。

2.8 試用改進(jìn)情況

2017年底，在1號(hào)裂解爐汽包上試用兩臺(tái)，但投用半年后，出現(xiàn)安全閥微漏蒸汽的情況，拆檢分析認(rèn)為:泄漏應(yīng)為閥門整體熱應(yīng)力變形量大于彈性閥瓣的彌補(bǔ)能力，造成密封面受力不均和閥瓣密封力不夠所致[3]。為了提高密封可靠性對(duì)閥門制造做了如下改進(jìn)：

圖6 安全閥溫度場(chǎng)分布圖

(1)對(duì)閥體和閥蓋進(jìn)行兩次人工時(shí)效處理，減少鑄造應(yīng)力的影響。

(2) 對(duì)堆焊并進(jìn)行粗加工后的閥體組件，在最后的精加工前對(duì)閥桿進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。

(3)對(duì)出廠安全閥進(jìn)行冷態(tài)及熱態(tài)密封性試驗(yàn),建議泄漏等級(jí)提高一級(jí)驗(yàn)收。

兩臺(tái)經(jīng)過改造的安全閥在2018年底投用，已平穩(wěn)運(yùn)行近一年，國產(chǎn)化工作初見成效。

3 結(jié) 論

(1)目前在用高溫高壓安全閥以進(jìn)口設(shè)備為主，經(jīng)過長(zhǎng)周期運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)閥芯缺陷或彈簧應(yīng)力松弛等問題，維修難度大、費(fèi)用高且效果還不理想，所以在安全閥采購前期就要充分交流，在技術(shù)協(xié)議中明確廠家需提供的數(shù)據(jù)資料，為后期的維修提供便利。日常維修也要建立檔案，記錄閥門各配合間隙等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，積累經(jīng)驗(yàn)，才能提高維修的成功率。依托有成熟經(jīng)驗(yàn)、有完善的熱處理和精加工的專業(yè)單位維修，考慮到該維修難度大，可適當(dāng)延長(zhǎng)維修質(zhì)保期。

(2) 高溫高壓安全閥安裝的好壞，直接影響安全閥閥芯閥座的密封性能，特別是對(duì)高溫工況下的正常運(yùn)行非常重要。高溫高壓安全閥一般每年進(jìn)行一次在線定壓，應(yīng)選擇靈敏度高的定壓設(shè)備，靈敏度低的定壓設(shè)備會(huì)使安全閥出現(xiàn)頻跳現(xiàn)象，損壞密封面，導(dǎo)致內(nèi)漏。

(3)近幾年部分閥門廠開展了高溫高壓安全閥國產(chǎn)化工作，但效果不甚理想，考慮該類安全閥的重要性，因此務(wù)必要求國產(chǎn)化廠家應(yīng)具有鍋爐安全閥ASME第Ⅰ章的專業(yè)認(rèn)證。要求安全閥出廠在空氣試驗(yàn)基礎(chǔ)上必須進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，在閥門內(nèi)件選材、閥芯閥座熱處理、密封面精加工和出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等方面盡量提高等級(jí)要求，確?？煽啃浴?/p>