飛灰過濾器反吹系統(tǒng)快開角閥故障原因分析及對策

王興壽

(云南天安化工有限公司，云南 安寧 650309)

1 概 述

云南天安化工有限公司(簡稱天安化工)500 kt/a合成氨項目配套1套Shell氣化裝置，其飛灰過濾器(S1501)設置有24組濾棒，S1501反吹系統(tǒng)配置有24臺快開角閥(簡稱反吹閥)，即1組濾棒頂部安裝1臺反吹閥——反吹系統(tǒng)利用快開角閥的快開特性，將超高壓高溫的氮氣吹入過濾系統(tǒng)以清潔濾棒，從而使濾棒能起到更好的過濾作用。如果反吹系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將可能導致濾棒損壞、粗合成氣過濾不合格、氮氣管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定等一系列影響氣化裝置正常運行的問題，嚴重時將導致氣化裝置事故停車?？傊?，快開角閥的正常工作對于飛灰過濾器的長期穩(wěn)定運行起著至關重要的作用。

S1501反吹系統(tǒng)24臺快開角閥采用西門子S7-400PLC系統(tǒng)控制，正常生產(chǎn)時每臺角閥間隔12 min動作反吹濾棒1次，快開角閥每次開關時間為250 ms，每2臺快開角閥啟閉間隔時間為30 s，要求快開角閥打開時間<100 ms、關閉時間<100 ms；快開角閥工作氣源壓力為0.85 MPa，反吹氮氣壓力7.82 MPa、溫度225 ℃，粗合成氣壓力3.9 MPa、溫度345 ℃；快開角閥前后壓差3.9 MPa左右?？梢钥吹?，反吹閥長期在高溫高壓下高頻率、高強度地快速動作。由于S1501反吹閥的快開、快關、高壓差及其結構特性，其在高速動作過程中因對閥座密封、閥內(nèi)件的沖擊而產(chǎn)生較大的閥體震動，嚴重影響反吹閥的使用壽命，曾出現(xiàn)過因震動大而閥門密封損壞、波紋管破裂、閥桿斷裂、閥芯(閥蓋)螺栓松動、氣缸桿斷裂、氣缸活塞螺栓松動等一系列影響反吹閥正常工作的問題。

天安化工Shell氣化裝置自2008年投產(chǎn)以來，生產(chǎn)中陸續(xù)發(fā)生過S1501反吹閥開關不靈活、外漏、內(nèi)漏、閥桿斷裂、閥座損壞、波紋管與內(nèi)部閥桿摩擦嚴重造成波紋管破損密封失效、閥內(nèi)件沖刷嚴重等問題，需頻繁在線更換反吹閥(不停設備，只是關閉反吹閥前后截止閥進行更換)，增加了維護工作量與運行成本及安全風險。2022年以前，天安化工對S1501反吹閥主要進行了如下改進或嘗試：① 因閥桿細2012—2013年曾出現(xiàn)過3次使用中反吹閥閥桿斷裂的現(xiàn)象，于是將閥桿由原來的M24×3 mm加粗為M30×3 mm；② 為降低反吹閥維護成本，嘗試過國內(nèi)某公司生產(chǎn)的“兩段式”波紋管，線下試驗發(fā)現(xiàn)沒有現(xiàn)役“一體式”波紋管密封性好，且其機械強度達不到設計要求，故未安裝至現(xiàn)場使用；③ 整個控制閥的PLC系統(tǒng)硬件、軟件增加了“冗余”，現(xiàn)場重新安裝了手動控制箱，以便在自動控制失效時現(xiàn)場進行手動操作(逐一按順序操控反吹閥)。運行至2022年2月，24臺快開角閥已動作約3.6萬次，陸續(xù)出現(xiàn)內(nèi)漏(閥座密封損壞)、外漏(波紋管破裂)現(xiàn)象。為此，天安化工立項并于2022年5月完成快開角閥的改造(尤其是加裝減震裝置來提升快開角閥的使用壽命)、閥門內(nèi)件的更新工作。以下對有關情況作一簡介。

2 快開角閥損壞原因分析

(1)通過對快開角閥損壞的閥座密封環(huán)進行分析，密封環(huán)材料(聚苯并咪唑，簡稱PBI，是一種特種工程塑料，被認為是目前耐熱性能最好的塑料)及設計、加工方面存在缺陷，或材料配方不適合快開角閥工況——與原廠密封環(huán)外觀顏色有明顯差異，進口原廠密封環(huán)顏色偏灰色，國產(chǎn)密封環(huán)顏色偏黑色。

(2)實測發(fā)現(xiàn)，進口原廠閥座設計預壓縮量為0.3 mm，國產(chǎn)閥座設計預壓縮量為0.6 mm，相較于快開角閥密封環(huán)原設計壓縮量偏大，導致閥門軸向密封比壓偏大；閥座與閥座定位環(huán)設計為過渡配合，間隙量為-0.013 mm，間隙設計值偏小，閥座熱膨脹間隙不夠；隔離環(huán)與密封環(huán)的安裝配合尺寸設計不合適。上述原因會導致快開角閥在高頻、高速動作時閥芯對閥座產(chǎn)生較大的沖擊而造成閥座徑向擠壓破裂脫落。

(3)S1501反吹系統(tǒng)通過快開角閥間斷用7.82 MPa、225 ℃的超高壓高溫氮氣反吹過濾元件，閥門氣源采用0.85 MPa氮氣[0.85 MPa氮氣是為閥門氣缸上下運動(開或關)提供動力源的通過前系統(tǒng)減壓而來的，7.82 MPa、225 ℃氮氣是流過閥芯的工作介質，二者分別由空分裝置氮氣系統(tǒng)不同壓力等級氮氣管網(wǎng)提供]，加之閥門開關動作過程較快——250 ms，這些都會對快開角閥氣缸上蓋及下蓋、閥座密封環(huán)、閥桿及波紋管、開合螺母等部件產(chǎn)生較大的沖擊力——通過廠家模擬測試及理論計算，閥門工作時，在閥門與活塞桿處會產(chǎn)生3～5 t的沖擊力。另外，由于管道支撐固定位置有限，較大的沖擊力還會引起閥門產(chǎn)生較大的震動。

(4)生產(chǎn)廠家為防止快開角閥閥桿過細而斷裂，將快開角閥閥桿由原來的φ30 mm加粗至φ32 mm，波紋管上法蘭蓋孔φ36 mm，閥桿工作時理論上左右偏心只有2 mm；實際安裝稍有不同心，疊加震動時左右擺動就會加劇波紋管與閥桿的摩擦，導致波紋管破損(摩擦損壞的波紋管局部裂紋為肉眼可見極小的一條不規(guī)則細長小裂痕)，介質從破損處流出而造成閥門外漏。波紋管安裝時“對中性”不好，會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，造成波紋管磨損或者密封失效而造成泄漏。出現(xiàn)故障時24臺快開角閥“對中性”統(tǒng)計見表1(注：C系列閥門為第三代產(chǎn)品，即閥門4根固定支撐桿縮短，在原A/B系列閥門固定支撐的1/2處通過改造就固定在法蘭盤上，原A/B系列閥門基本上是固定在閥門底部接近閥芯上部；此舉的主要目的是使閥門動作過程整體晃動減小，從而避免振動大而造成閥桿與波紋管摩擦、氣缸出現(xiàn)異常抖動而影響其使用效果)?？梢钥吹剑珹、B、D、E、G、H、L、N、P、Q、R、S、T、U這14臺快開角閥波紋管與法蘭蓋孔內(nèi)壁最小間隙均小于2 mm，而H、N閥波紋管幾乎與法蘭蓋孔內(nèi)壁摩擦。

表1 快開角閥閥桿與波紋管“對中性”統(tǒng)計 mm

3 快開角閥故障時的應急處理

(1)在保證快開角閥及工藝參數(shù)正常的情況下，工藝人員按頗爾公司(Pall Corporation)的技術數(shù)據(jù)適當降低反吹閥的氣源壓力，減小閥門關閥時對閥座密封環(huán)的沖擊。

(2)現(xiàn)場選擇具有代表性的2～3臺反吹閥，電磁閥排氣孔增加阻尼器(φ6 mm)，收集數(shù)據(jù)，待其運行正常后，進行剩余電磁閥排氣孔阻尼器安裝，減小關閥時對閥座密封環(huán)的沖擊。

(3)若波紋管發(fā)生輕微泄漏，會有微量的7.82 MPa、225 ℃超高壓高溫氮氣流出，為及時判斷波紋管是否泄漏，準備一定數(shù)量的手持式帶探頭分析儀，用遮擋物遮住波紋管四周進行“欠氧分析”。

(4)準備一定數(shù)量的快開角閥在現(xiàn)場，當閥門出現(xiàn)故障時予以在線更換。

(5)正常情況下反吹氣加熱器(E3051)氮氣流量約2 000 m3/h(標態(tài))，若閥門內(nèi)漏氮氣流量至少增加300 m3/h，此時查看DCS畫面流量數(shù)據(jù)應該有明顯的上升趨勢，因此，在DCS中一定流量范圍內(nèi)設置報警提示此氮氣流量的變化，以利操作人員快速作出反應。

4 優(yōu)化改進措施

4.1 改進閥座密封環(huán)材質

通過對損壞的5個快開角閥閥座密封環(huán)進行分析，其損壞形狀[約3 cm(長)×1 cm(寬)的均勻裂痕]即截面基本一致，懷疑為閥座密封環(huán)材料強度不夠、韌性不足。實際測量進口原廠閥座預壓縮量為0.30 mm，國產(chǎn)閥座預壓縮量為0.60 mm，國產(chǎn)閥座預壓縮量較大，易造成閥門過渡配合，間隙量為-0.013 mm，間隙量比原廠進口的稍小，膨脹系數(shù)不夠，在高溫、高壓差、高頻率、高速狀態(tài)下閥門動作就會形成較大的沖擊力。簡言之，由于國產(chǎn)閥座預壓縮量設計不合理，閥門動作過程中沖擊力集中在閥座和閥座金屬環(huán)處，易造成閥座密封環(huán)損壞。通過與廠家進行技術交流與探討，將快開角閥閥座材質由PBI升級為PEEK CF30[PEEK CF30是添加30%碳纖維的PEEK(聚醚醚酮)改性材料，通過添加碳纖維提高PEEK材料的耐磨性和抗摩擦性能，材料有更高的導熱率，機械性能好，并具有較高的彈性模量、機械強度、耐蠕變性和耐磨性；PEEK CF30材料沖擊強度[1]為5 kJ/m2，為PBI材料的2倍，韌性更好，在高速高頻沖擊下不容易損壞；長期工作溫度可達310 ℃，滿足介質是粗合成氣以及高壓差(約4.0 MPa)的使用工況及技術要求]。

4.2 改變閥座密封環(huán)加工尺寸

經(jīng)理論計算，將快開角閥閥座預壓縮量由0.6 mm調(diào)整為0.35 mm，并適當增加閥座密封面寬度邊緣——車30°倒角，減小閥座的工作密封比壓；閥座與閥體調(diào)整間隙為0.5 mm；閥座與閥座定位環(huán)調(diào)整為間隙配合，間隙0.35 mm，以保證閥座熱膨脹量及避免閥芯受到?jīng)_擊后的損壞破裂。

4.3 改變閥桿設計尺寸

經(jīng)與廠家技術人員溝通，將快開角閥閥桿尺寸由原設計的φ32 mm改為φ30 mm，這樣既可保證閥桿的機械強度，又可增大閥桿與波紋管的間隙，其間隙理論上可達到2 mm，可避免閥門動作時閥桿與波紋管內(nèi)壁相互摩擦而影響波紋管的使用壽命，以免造成閥門外漏。

4.4 加裝減震器

天安化工通過前期對其他單位快開角閥加裝減震器使用效果進行調(diào)研，結合自身快開角閥實際使用情況，決定對24臺快開角閥全部加裝減震器，減小閥門動作時產(chǎn)生的震動，預防閥門故障。減震器工作原理為：當角閥活塞向上運動時，上腔室形成一個液壓腔室，液壓油在設定調(diào)節(jié)通道中節(jié)流流通，產(chǎn)生液壓阻尼，減緩或降低氣缸活塞對缸蓋的沖擊；當角閥活塞向下運動時，下腔室形成一個液壓腔室，液壓油在設定調(diào)節(jié)通道中節(jié)流流通，產(chǎn)生液壓阻尼，減緩或降低氣缸作用力對閥芯、閥座的沖擊；并設定角閥活塞向上和向下運動時產(chǎn)生的液壓阻尼都在活塞行程的最后3 mm左右，以保證閥門開關速度不受影響，氮氣噴吹性能得到保證。廠家給出的理論計算結果為，角閥震動可減小50%～60%?？扉_角閥加裝減震器前后閥門運行正常后隨機進行在線反吹效果(壓差)的統(tǒng)計，見表2。可以看出：加裝減震器前后壓差變化趨勢基本一致；在外部條件、工況一定時，安裝減震器后產(chǎn)生的壓差比安裝前略大一點，這是由于加裝減震器后閥門啟閉大概延時8 ms所致(如果不滿足工況要求，可以分別適當調(diào)整減震器頂部閥門開/關的阻尼限流螺栓，以滿足使用需求)。

表2 加裝減震器前后快開角閥壓差對比 Bar

4.5 波紋管上法蘭蓋孔加導向環(huán)

為徹底解決快開角閥上下動作過程中波紋管與法蘭蓋孔內(nèi)壁摩擦的問題，進行設計改進：在法蘭孔上部分增設兩瓣左右對稱的耐磨導向套，閥門由閥芯導向環(huán)、上法蘭孔兩瓣對稱耐磨導向套、波紋管尾端與開合螺母螺紋連接，3個“支撐點”形成一條直線，即使閥門因震動大波紋管晃動也不會造成摩擦其內(nèi)外壁。

4.6 嚴格控制檢修質量

快開角閥運行至今已使用15 a以上，由于歷次拆卸維修以及高溫導致的支撐桿變形，4根固定支撐桿達不到原來設計的505 mm[2]，對于變形嚴重的固定支撐桿需進行車床精加工，保證4根固定支撐桿長度一致；對于變形較小的，剪切適當?shù)你~薄板予以墊起，矯正高度，保證安裝的“同心度”；定制專用工裝，確保安裝過程中閥門波紋管不受額外的應力，防止波紋管變形或損壞而縮短其使用壽命。

嚴格執(zhí)行檢修規(guī)程：① 氣缸活塞桿與減震器連接處加裝防松墊片、涂螺紋緊固劑；② 活塞V型密封圈更換過程中，涂抹潤滑脂，使用專用的安槽工具；③ 測試閥門全開、全關動作情況及氣缸密封情況，復核角閥活塞行程、閥桿對中是否在許可范圍內(nèi)；④ 進行閥門低壓氣體密封試驗，完成后吹干閥體內(nèi)部的水，安裝法蘭密封保護套。通過以上檢修規(guī)程的嚴格把控保證快開角閥活塞的行程在19.5～20.0 mm。

通過上述措施嚴控快開角閥檢修質量，維修完成后24臺快開角閥閥桿與波紋管“對中性”統(tǒng)計情況見表3?？梢钥闯?，快開角閥波紋管與法蘭蓋孔內(nèi)壁最小間隙均大于或接近2 mm，波紋管不會與波紋管上法蘭蓋孔內(nèi)壁摩擦，解決了因摩擦而造成的波紋管受損問題。

表3 嚴控檢修質量后“對中性”統(tǒng)計 mm

5 結束語

隨著國內(nèi)閥門制造廠家在技術、材料方面瓶頸問題的突破，目前市場上生產(chǎn)的第二代減震器現(xiàn)場使用情況較好，能滿足快開角閥的使用需求，加裝減震器可以在較大程度上減少快開角閥故障，減少其運行維護成本。天安化工飛灰過濾器(S1501)反吹系統(tǒng)快開角閥經(jīng)上述改進后，再未出現(xiàn)過異常的閥座損壞及波紋管磨損破裂情況；目前天安化工已完成全部反吹閥加裝減震器的改造工作，加裝減震器后快開角閥的震動非常小，幾乎聽不到閥門缸體及閥芯、閥座撞擊的聲音，減震效果明顯；快開角閥運行中反吹效果佳，動作時氮氣壓降及飛灰過濾器各工藝參數(shù)、壓降均正常。總之，通過對S1501反吹系統(tǒng)快開角閥運行數(shù)據(jù)的收集、對比與評估，改進后快開角閥的使用壽命得到有效提升，助力了飛灰過濾器反吹系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質運行。