催化裝置滑閥三種典型故障分析及維修策略

鄧斌

（中國石化股份有限公司長嶺分公司，湖南岳陽 414000）

滑閥主要由電液執(zhí)行機構(gòu)和閥體兩部分構(gòu)成[1]。閥體目前以冷壁式為主，由100～150 mm的耐磨隔熱雙層襯里和碳鋼外閥體組成，即使內(nèi)部溫度高達700℃左右，其外表壁溫也能控制在150℃以下。電液執(zhí)行機構(gòu)是以電動機泵作為動力，液壓油為介質(zhì)，由電液伺服系統(tǒng)控制液壓油壓實現(xiàn)閥門開關(guān)調(diào)節(jié)。閥體部分由節(jié)流錐、閥板、閥桿、導(dǎo)軌、閥座圈、填料等組成?；y在催化裂化裝置中非常關(guān)鍵，滑閥故障往往引起裝置停工，帶來巨大經(jīng)濟損失甚至人身傷害。該文主要通過對行業(yè)內(nèi)煉化企業(yè)催化裂化裝置近10年滑閥運行及拆檢的情況進行收集統(tǒng)計，找出滑閥運行檢修中存在的共性問題并進行深入分析，提出完善對應(yīng)的維修策略。

1 滑閥典型故障統(tǒng)計及案例

1.1 滑閥典型故障統(tǒng)計

對煉化行業(yè)內(nèi)28家企業(yè)49套裝置近十年滑閥螺栓斷裂、導(dǎo)軌斷裂和填料泄漏三種故障案例進行統(tǒng)計，如表1所示。

從表1可以看出，滑閥導(dǎo)軌螺栓斷裂、滑閥導(dǎo)軌斷裂和閥桿填料泄漏是滑閥最典型的3種故障類型，也是直接影響滑閥安穩(wěn)運行的最危險的設(shè)備本體故障。

表1 近10年來各企業(yè)滑閥三種典型故障頻次表

1.2 典型故障案例

1.2.1 案例一

某煉油企業(yè)1.2 Mt/a催化裂化再生滑閥2019年5月份停工大檢修，發(fā)現(xiàn)兩根導(dǎo)軌其中一根的2顆螺栓齊根斷裂，另外一根導(dǎo)軌1顆螺栓齊根斷裂。如下圖1。初步分析斷口形貌呈脆性斷裂特征，通過進一步金相分析為穿晶斷裂。查閱日常運行操作參數(shù)，發(fā)現(xiàn)多次出現(xiàn)超溫工況導(dǎo)致導(dǎo)軌螺栓產(chǎn)生高溫蠕變；且上一檢修周期未進行更換，螺栓服役時間近6年。

圖1 某再生滑閥導(dǎo)軌螺栓斷裂

1.2.2 案例二

2011年11月某煉油催化裝置停工檢修，拆檢斜管段滑閥發(fā)現(xiàn)下方導(dǎo)軌靠外端面1/3處出現(xiàn)貫穿性橫向裂紋，如圖2所示。通過檢測發(fā)現(xiàn)裂紋深度達51 mm，該貫穿裂紋沿連接螺母與導(dǎo)軌接觸處自上而下穿透，存在較大隱患。

圖2 某滑閥導(dǎo)軌貫穿裂紋

1.2.3 案例三

某催化裂化裝置2016年8月大修完開工，待生滑閥閥桿填料密封出現(xiàn)催化劑泄漏，裝置采取降負荷、兩器降壓處理。由于在線處理填料風(fēng)險較高，僅采用石墨盤根更換填料函外層3圈填料，壓實后使用半年再次泄漏并再次降負荷進行在線處理，通過注膠來更換外層填料，并在閥桿填料函外端加焊填料函堵漏處理，如圖3所示。

圖3 某催化裂化裝置待生滑閥填料泄漏加焊填料函

2 故障原因分析

2.1 滑閥導(dǎo)軌螺栓斷裂原因分析

在催化裂化裝置運行過程中，滑閥長期在高溫環(huán)境運行?；y設(shè)計中所有內(nèi)構(gòu)件均依靠導(dǎo)流錐由螺栓懸掛固定，導(dǎo)流錐、閥座圈、導(dǎo)軌及閥板作為主要的受力部件，由連接螺栓承受了介質(zhì)壓差和內(nèi)構(gòu)件的全部重量。這種特殊結(jié)構(gòu)使得導(dǎo)軌連接螺栓承受著較大的拉伸力。滑閥導(dǎo)軌螺栓的材質(zhì)一般為高溫合金，常使用的材料是高溫合金GH4033，具有耐高溫?zé)煔飧g、抗H、N腐蝕的能力，同時有抗?jié)B碳腐蝕和S腐蝕的能力，強熱性能較高[2]。由于長期在高溫環(huán)境下工作，螺栓要經(jīng)受交變應(yīng)力、周期性沖擊拉伸、高溫蠕變沖擊，當(dāng)螺栓使用到一定周期時，不可避免會產(chǎn)生高溫疲勞；此外，根據(jù)材料力學(xué)分析，隨著螺栓服役周期的延長，如果滑閥的工作溫度長時間超溫或反復(fù)超溫，滑閥螺栓使用壽命變短，高溫損傷導(dǎo)致斷裂風(fēng)險增大。另一方面，導(dǎo)軌螺栓受催化劑沖刷磨損，也會造成螺栓表面缺陷，形成螺栓應(yīng)力集中區(qū)，這是螺栓斷裂的另一個原因。

2.2 滑閥導(dǎo)軌斷裂原因分析

在滑閥運行期間，受催化劑等介質(zhì)流動產(chǎn)生的動能及閥板重量對導(dǎo)軌的影響，導(dǎo)軌除了承受拉伸應(yīng)力之外，還受到剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和銳角產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響，受力情況復(fù)雜。此外，導(dǎo)軌在初期安裝中如果沒有達到導(dǎo)軌與閥座圈接觸面平整度要求，在導(dǎo)軌與閥座圈螺栓緊固后，導(dǎo)軌會產(chǎn)生橫向彎曲應(yīng)力；其次在連接螺栓安裝完后習(xí)慣性進行點焊固定防松，同時介質(zhì)具有一定的腐蝕性，這會產(chǎn)生局部焊接變形或焊接應(yīng)力集中，在腐蝕作用下形成應(yīng)力腐蝕，伴隨導(dǎo)軌長期使用易出現(xiàn)橫向開裂現(xiàn)象。

2.3 閥桿填料泄漏原因分析

2.3.1 填料使用周期過長

部分企業(yè)大修期間對滑閥閥桿填料不做全面檢查。例如只將外層填料進行更換或直接在外層增補填料，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)舊填料無法完全填充壓實，且外側(cè)新增填料達不到密封效果。此外，對滑閥閥桿填料日常維護的重視程度不夠，日常對填料函部分的檢查沒有嚴格執(zhí)行。

2.3.2 閥桿套筒反吹風(fēng)或蒸汽出現(xiàn)中斷

一旦閥桿套筒反吹風(fēng)（蒸汽）中斷，閥桿填料就會失去有效保護，造成填料與閥桿間混入催化劑顆粒，會直接加劇填料的磨損導(dǎo)致泄漏。與此同時，高溫催化劑進入套筒后造成套筒填料溫度升高，填料承受高溫導(dǎo)致性能下降，失去密封彈性；加上滑閥頻繁調(diào)節(jié)，加劇了磨損，所以填料極易出現(xiàn)泄漏。一般情況下，滑閥套筒密封吹掃風(fēng)或蒸汽中斷原因主要有兩種。一種是限流孔板孔徑偏小出現(xiàn)堵塞；另一種較為常見，是采用填料前段注膠堵死了閥桿反吹風(fēng)或蒸汽通道。

3 維修策略

3.1 導(dǎo)軌螺栓維修策略

3.1.1 定期更換導(dǎo)軌螺栓

對滑閥螺栓維修策略重點應(yīng)放在故障預(yù)防和預(yù)防性檢修更換螺栓工作上[3]。通過對各企業(yè)滑閥檢修情況進行調(diào)研分析，推薦滑閥導(dǎo)軌螺栓在使用5～8年之后進行更換。如在使用周期內(nèi)出現(xiàn)超溫情況，該導(dǎo)軌螺栓更換周期還應(yīng)縮短。鑒于當(dāng)前國內(nèi)石化企業(yè)催化裂化裝置運行周期部分采用3年一修，部分企業(yè)實現(xiàn)4年一修的周期管理，對4年一修的企業(yè)應(yīng)采取每周期更換；對于3年一修的企業(yè)，建議2個生產(chǎn)周期對滑閥導(dǎo)軌螺栓進行一次全面更換。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)28家企業(yè)49套裝置，有6家企業(yè)14套裝置滑閥導(dǎo)軌螺栓采取每周期更換，導(dǎo)軌螺栓逢周期更換已逐漸成為趨勢。

此外，在更換導(dǎo)軌螺栓時，經(jīng)常會碰到有螺栓拆卸困難的情況。根據(jù)使用條件和要求，每條導(dǎo)軌最多可以允許一顆螺栓不拆，這些不拆的螺栓使用到下一周期必須全部更換。對于拆卸困難的導(dǎo)軌螺栓，考慮將螺栓鉆碎后攻絲恢復(fù)內(nèi)螺紋，也可以將滑閥整體切割下線。

3.1.2 嚴格控制好螺栓檢修安裝質(zhì)量

滑閥導(dǎo)軌螺栓檢修安裝建議采取如下措施：（1）逐個檢查清理螺栓表面雜質(zhì)，確保螺紋表面清潔無雜質(zhì)；（2）在螺栓擰入螺孔之前，建議對螺桿噴涂防咬合劑，防止螺栓在長期高溫工況下出現(xiàn)螺紋咬合，造成下次更換時難以拆卸；（3）螺栓安裝時，螺栓緊固受力要盡量保證均勻。建議采用測力扳手緊固，確保每個螺栓的預(yù)緊力相同。如果條件允許可以使用定力矩技術(shù)緊固螺栓；（4）在螺母緊固完成后，建議將螺母與螺桿采取點焊防松或雙螺母加點焊防松，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)軌螺栓采用雙螺母加點焊防松措施

3.2 導(dǎo)軌維修策略

（1）從導(dǎo)軌表面磨損情況考慮，如果導(dǎo)軌表面磨損部位磨損深度不超過2 mm，可以考慮對導(dǎo)軌合金面進行司太立6號高溫合金修復(fù)，并通過機加工修復(fù)表面使其滿足使用要求，然后用硬度儀進行表面硬度檢測，要求硬度≥HRC38；如果磨損深度≥2 mm，建議直接對導(dǎo)軌進行更換；

（2）檢查導(dǎo)軌表面裂紋，在導(dǎo)軌長200 mm的表面范圍內(nèi)，可以允許有不多于10條0.1～0.4 mm寬的裂紋；小于0.1 mm寬的裂紋不能超過20條；同時對表面檢測硬度≥HRC38，裂紋寬度和數(shù)量超過以上數(shù)值，或硬度不滿足要求，建議直接進行更換。另外，裂紋垂直于閥板運行方向，且深度不超過1 mm的可以繼續(xù)使用至下一周期更換；如果裂紋平行于閥板運行方向，則建議立即更換。

（3）根據(jù)導(dǎo)軌材料使用性能周期進行調(diào)研分析，建議導(dǎo)軌使用2個生產(chǎn)周期進行一次更換。

3.3 預(yù)防閥桿填料泄漏維修策略

3.3.1 優(yōu)化閥桿填料函結(jié)構(gòu)設(shè)計

少部分企業(yè)滑閥閥桿密封填料函采用單級密封結(jié)構(gòu)，應(yīng)利用大修機會進行升級，改造為兩級密封結(jié)構(gòu)形式[4]，如圖5。這種結(jié)構(gòu)在填料發(fā)生泄漏的情況下，可以采取加大填料函的吹掃氣量，并在油環(huán)處注入塑料質(zhì)的液體填料或石墨粉混合潤滑脂填料，代替更換壓蓋填料函的填料實現(xiàn)一段時間的密封，從而實現(xiàn)不停工檢修的目的。

圖5 填料結(jié)構(gòu)

3.3.2 增強填料耐磨強度

裝填料前對填料函內(nèi)腔及閥桿部位表面進行清理、打磨、拋光處理?，F(xiàn)場安裝完畢后還應(yīng)適當(dāng)調(diào)整工作填料的壓緊量，以保證填料函的密封性能；對閥桿不應(yīng)抱得過緊，以免填料及閥桿過早磨損和功耗過大。此外在滑閥設(shè)計中，填料函的內(nèi)側(cè)一般設(shè)置一個DN15，配有PN2.5（2.5 Mpa）管法蘭的吹掃管，用以吹掃并冷卻閥桿。吹掃介質(zhì)可以根據(jù)滑閥使用條件不同選擇采用0.5 MPa的壓縮空氣或1.0 MPa的低壓蒸汽，耗氣量為12 Kg/h或15～20Nm3/h。吹掃壓力由安裝在進氣管路上的降壓孔板及手閥控制。經(jīng)分析，降壓孔板后吹掃壓力與滑閥內(nèi)腔工作壓差宜維持在0.15～0.2 MPa。

4 結(jié)論及建議

通過收集和統(tǒng)計催化裂化裝置滑閥故障和三種典型案例實例，總結(jié)分析出滑閥故障發(fā)生的主要原因為：

（1）滑閥長期在高溫、催化劑沖刷環(huán)境下服役，以及高溫?zé)煔庵蠬、N化合物的高溫腐蝕；

（2）滑閥經(jīng)受交變應(yīng)力、周期性沖擊拉伸、高溫蠕變沖擊，還有可能因工藝長時間超溫或反復(fù)超溫而更為苛刻。

（3）隨著裝置大型化及原料劣質(zhì)化，催化裂化裝置的參數(shù)及長周期運行都對滑閥設(shè)備的管理提出了更高要求。

從滑閥設(shè)計制造、檢修安裝、運行維護及更新等方面著手，用設(shè)備完整性的體系思維對滑閥全生命周期進行管理，提升滑閥的長周期可靠性。建議采取如下維修策略：

（1）按照檢修策略進行特閥的檢修，尤其是高溫螺栓、導(dǎo)軌、填料盤根等應(yīng)換盡換，做好特閥檢修期間的隱蔽檢查；

（2）加強安裝質(zhì)量的控制，抓好關(guān)鍵質(zhì)量點，如導(dǎo)軌螺栓的安裝力矩的確定，使用定力矩技術(shù)等；

（3）運行期間加強檢查，如盤根的情況、反吹風(fēng)（蒸汽）和松動風(fēng)（蒸汽）等參數(shù)的檢查。