淺析天然氣制甲醇裝置轉(zhuǎn)化放空閥性能優(yōu)化

唐強(qiáng)

（海洋石油富島有限公司電儀技術(shù)部，海南 東方 572600）

海洋石油富島有限公司天然氣制甲醇裝置(即甲醇二期)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)放空閥PV2202 是甲醇二期關(guān)鍵、重要調(diào)節(jié)閥,控制著轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化氣壓力，其運(yùn)行異常將直接導(dǎo)致裝置負(fù)荷大幅波動(dòng)甚至全廠停車。

1 原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)放空閥缺陷分析

1.1 工藝流程

天然氣經(jīng)脫硫后進(jìn)入飽和塔D201 與工藝水飽和，再補(bǔ)充工藝汽提蒸汽，滿足預(yù)轉(zhuǎn)化所需的水碳比，天然氣/蒸汽混合物在混合氣加熱盤管中加熱到575℃，然后進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐D103，重組分吸熱反應(yīng)后分解成輕組分。預(yù)轉(zhuǎn)化爐出口氣再與轉(zhuǎn)化爐需要的蒸汽匯合經(jīng)預(yù)轉(zhuǎn)化氣預(yù)熱盤管E302/2&1 加熱到630℃，進(jìn)入頂燒式轉(zhuǎn)化爐F101，在含鎳催化劑的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成含CO、CO2、H2等組成的混合氣體。轉(zhuǎn)化氣離開轉(zhuǎn)化爐F101 時(shí)溫度大約為878℃，甲烷含量小于2.36%。轉(zhuǎn)化氣中含有大量必須回收的廢熱。轉(zhuǎn)化氣在隨后冷卻器中將水蒸汽冷凝分離出去，由PV2202 控制轉(zhuǎn)化氣壓力（超壓的轉(zhuǎn)化氣送至火炬燃燒）然后進(jìn)入合成氣壓縮及合成回路。

1.2 原PV2202 閥門概況

PV2202 閥門原選型為FISHER 品牌GLOBE 閥門（執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣缸）, 型號(hào)：NPS 16 Large EUT-2 585C Size 80,閥體材質(zhì)：CF8M SST，閥芯材質(zhì)：CF8M with CoCr-A，閥座材質(zhì)：316 SST with CoCr-A，帶平衡籠套(III 降噪/材質(zhì)為316ENC 鍍層，閥籠和閥座螺紋連接并點(diǎn)焊)，閥門規(guī)格為：16Inch，ANSI 300 RF，設(shè)計(jì)正常工況下：閥前壓力1.53MPa，閥后0.3MPa，溫度168℃，最大流量333057Nm3/h，閥門泄漏等級(jí)為IV。數(shù)據(jù)表如圖1 所示。

圖1 PV2202 調(diào)節(jié)閥數(shù)據(jù)表

PV2202 閥門閥體內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 PV2202 閥體內(nèi)件結(jié)構(gòu)圖

1.3 存在的問題

PV2202 自2010 年投用已來運(yùn)行了10 多年，隨著時(shí)間的推移暴露出的缺陷日益增多，特別突出地表現(xiàn)在該閥從2010 年甲醇二期投產(chǎn)以來，一直存在內(nèi)漏現(xiàn)象，甲醇二期火炬放空量一直較大；聯(lián)系專業(yè)廠家對(duì)PV2202進(jìn)行了在線超聲波檢測(cè)，初步判斷閥門內(nèi)漏。由于閥門前后未安裝壓力表，壓差可能與實(shí)際存在偏差，影響內(nèi)漏精度，但定性分析確實(shí)存在內(nèi)漏情況。閥門泄漏量如下：PV2202 有泄漏，泄漏量為170.5L/min。（對(duì)比同口徑規(guī)格四級(jí)密封泄漏為400kPa 試驗(yàn)壓力下每分鐘泄漏量大約為21 萬多毫升。即PV2202 原設(shè)計(jì)本身就允許存在泄漏，而且泄漏量還比較大），該閥門泄漏量大的問題導(dǎo)致轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能耗一直較高，需要減少PV2202 閥門泄漏量來減少轉(zhuǎn)化氣消耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

2 改造方案可行性研究

為了滿足裝置生產(chǎn)各種生產(chǎn)工況的需要，提升裝置效能，儀表專業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過與有關(guān)廠商分析討論，得出結(jié)論有必要對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)放空閥PV2202 進(jìn)行性能優(yōu)化，提升閥門的使用效能。

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)放空管線由于流通量大，一般管線尺寸比較大，同時(shí)為了保證密封性，減少轉(zhuǎn)化氣的消耗。該處的放空閥大都會(huì)使用大尺寸球閥。球閥一般為了保證密封性，一般會(huì)使用軟密封，由于放空時(shí)介質(zhì)流速高量大，對(duì)閥球的沖刷也嚴(yán)重，閥門運(yùn)行一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)較大的泄漏量。再就是大尺寸球閥使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也相對(duì)較大，使用時(shí)間長了后會(huì)導(dǎo)致氣缸與閥球轉(zhuǎn)軸磨損，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致閥門動(dòng)作卡澀無法正常開關(guān)、控制。而現(xiàn)在PV2202 選型是一臺(tái)硬密封（閥門泄漏等級(jí)為IV）的GLOBE 閥門，是比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的閥門，直行程閥門避免了動(dòng)作卡澀的隱患，同時(shí)硬密封也避免了受介質(zhì)沖刷的影響（軟密封極易受介質(zhì)沖刷影響而導(dǎo)致密封受損，造成閥門的泄漏量顯著上升）。如果將閥門泄漏等級(jí)由IV 提升至V，將會(huì)極大優(yōu)化提升閥門性能，保證了泄漏量的極大降低，減少了轉(zhuǎn)化氣放空閥泄漏帶來的轉(zhuǎn)化氣消耗。針對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)放空閥PV2202 暴露的問題及實(shí)際維護(hù)情況（選擇直行程GLOBE 閥門，同時(shí)閥芯為硬密封的方向是完全符合生產(chǎn)實(shí)際需求），初步考慮對(duì)該閥門進(jìn)行更新改造，范圍包括：（1）閥門內(nèi)件改型測(cè)繪加工，測(cè)繪閥體尺寸，重新設(shè)計(jì)閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)并核算V 級(jí)密封所需推力的執(zhí)行器。閥門內(nèi)件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要更換，閥體、閥蓋和自動(dòng)控制部分可利舊；（2）根據(jù)目前需求，提供工藝參數(shù)重新選用一臺(tái)同規(guī)格閥門，要求泄漏等級(jí)為V 級(jí)。同時(shí)新閥門法蘭距需與現(xiàn)場(chǎng)目前使用閥門法蘭距保持一致。避免管道動(dòng)焊；（3）進(jìn)一步維修（利用裝置停車檢修時(shí)間，將閥門整體送到FISHER 廠家服務(wù)中心維修。派專人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，維修后打壓試驗(yàn)確保達(dá)到五級(jí)密封要求）。

經(jīng)過技術(shù)論證及結(jié)合裝置檢修實(shí)際情況及相應(yīng)閥門備件管理和相關(guān)閥門廠家的技術(shù)服務(wù)，決定初步考慮FISHER 公司提出的進(jìn)一步維修方案。該FISHER 廠家服務(wù)中心的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與服務(wù)能力能夠充分滿足提升轉(zhuǎn)化系統(tǒng)放空閥PV2202 性能的需要。

3 閥門性能提升方案介紹

在改造前，我們聯(lián)系了相關(guān)廠家進(jìn)行了技術(shù)交流，提供了幾種方案。

（1）閥門內(nèi)件改型，更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)。測(cè)繪閥體尺寸，重新設(shè)計(jì)閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)并核算V 級(jí)密封所需推力的執(zhí)行器。閥門內(nèi)件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要更換，閥體、閥蓋和自動(dòng)控制部分可利舊；

（2）更換新閥門提供工藝參數(shù)重新選用一臺(tái)同規(guī)格閥門，要求密封等級(jí)為V 級(jí)。同時(shí)，盡量保持新閥門法蘭距需與現(xiàn)場(chǎng)目前使用閥門法蘭距一致，避免管道動(dòng)焊。

（3）原廠家Fisher 根據(jù)選型計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)使用的PV2202 閥門提高氣源壓力到6kg，對(duì)閥內(nèi)件使用新工藝進(jìn)行密封面加工處理后，泄漏等級(jí)可由IV 達(dá)到V 級(jí)。同時(shí)考慮到此臺(tái)閥已使用差不多10 多年，會(huì)有以下影響。①閥內(nèi)件可能會(huì)變形；②該閥門閥籠表面有鍍層，需要確認(rèn)鍍層是否存在損壞；密封環(huán)外徑與閥籠內(nèi)壁接觸處及密封環(huán)內(nèi)徑與閥芯放置密封環(huán)凹槽處外徑接觸處，見圖2 中標(biāo)注28 處，此處有2 個(gè)泄漏可能：(a)密封環(huán)磨損并失去彈性后，不能有效與閥籠緊密接觸或密封環(huán)磨損，降低它的密封性能；(b)閥籠內(nèi)壁有 ENC 鍍層，使用時(shí)間久會(huì)磨損鍍層或者介質(zhì)中存在異物導(dǎo)致鍍層脫落，降低閥籠表面光潔度，從而加劇了密封環(huán)的磨損，內(nèi)層脫落還會(huì)導(dǎo)致了閥籠與閥芯之間間隙增大，更易造成泄漏；③閥芯和閥座密封處有缺陷（閥座與閥籠是連接在一起的，微小缺陷不易看到）；此閥還存在第三個(gè)泄漏途徑-閥座上密封環(huán)，見圖2 中標(biāo)注6 處，此密封環(huán)使用時(shí)間長失去彈性，降低密封性能；④閥芯與閥座接觸處；閥芯和閥座損壞會(huì)造成泄漏，特別對(duì)于降噪閥籠，由于它的特殊結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)中異物不易排出，會(huì)損壞閥芯。

廠家建議盡量送到深圳服務(wù)中心維修；現(xiàn)場(chǎng)做維修由于工機(jī)具以及場(chǎng)地的限制有可能維修后不能達(dá)到V 級(jí)密封的要求，深圳服務(wù)中心具有深度加工研磨閥座閥芯（如果有損壞需要補(bǔ)焊加工），檢查閥籠是否有磨損，劃傷或鍍層脫落損壞的能力；完全按照原廠制造工藝進(jìn)行退鍍、補(bǔ)焊、加工、電鍍等處理，閥芯、閥座表面堆焊、鍍層、硬化加工。

同時(shí)，檢查更換密封環(huán)等易損件以及打壓密封條件可以保證維修升級(jí)后的閥門能夠達(dá)到V 級(jí)密封要求。

4 幾種性能提升方案的差異

A 方案相對(duì)B 方案價(jià)格成本上可能會(huì)稍有優(yōu)勢(shì)，對(duì)閥門內(nèi)件改型測(cè)繪加工，更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)；重新設(shè)計(jì)閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)并核算V 級(jí)密封所需推力的執(zhí)行器；改造實(shí)施相對(duì)比更換新閥門價(jià)格低一些，但改造效果無法100%保證，而且原閥門不能繼續(xù)使用就只能報(bào)廢（報(bào)廢費(fèi)用也不低），主要因?yàn)橥ㄟ^以往檢修得知，PV2202 閥座現(xiàn)場(chǎng)無法拆卸，閥座下密封圈更換不了，只能返廠拆卸。所以，在沒有條件可以返廠維修的情況下，無法保障測(cè)繪改型后的閥門內(nèi)件安裝后可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

B 方案更換閥門，閥體使用球閥或閥芯帶軟密封新GLOBE 閥。更換16Inch，ANSI 300 RF 新GLOBE 閥門最少需要60 萬元左右、而且軟密封閥芯在使用中很容易出現(xiàn)損壞，從而降低閥門泄漏量等級(jí)，達(dá)不到始終保持V 泄漏量等級(jí)的目的；16Inch，ANSI 300 RF 球閥相對(duì)價(jià)格更高，至少100 萬元以上。

C 方案根據(jù)該閥的歷次檢修情況以及與FISHER 廠家進(jìn)一步溝通來看，將現(xiàn)使用的PV2202 閥門送至具有艾默生過程管理閥門有限公司調(diào)節(jié)閥（Fisher）標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)資質(zhì)及相關(guān)授權(quán)的閥門服務(wù)中心；其深圳服務(wù)中心具有按照原廠工藝要求研磨加工閥座閥芯，閥芯、閥座表面堆焊、鍍層、硬化加工以及打壓密封的條件，通過新工藝對(duì)閥內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化改造，返廠處理閥芯、閥座；將執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源壓力提高到6kg 等技術(shù)手段，來提升閥門泄漏量等級(jí)；可以保證維修改造后的閥門能夠達(dá)到V 級(jí)硬密封的最終要求。

5 方案選擇實(shí)施

通過多方論證交流后，我們選擇了C 方案，制訂了PV2202 性能提升改造計(jì)劃，于2021 年甲醇二期大修對(duì)該閥門實(shí)施了改造：返廠維修處理閥芯、閥座，通過新工藝對(duì)閥內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化改造，原閥門閥座、閥芯密封為面密封，泄漏量較大；通過使用專用工具改變其密封面并使用Emerson 閥門目前最近的密封面技術(shù)，其原理是利用密封面的不同耐磨合金的的溫度膨脹性，當(dāng)介質(zhì)溫度超過80℃時(shí)，密封面由原來的“外徑”密封變?yōu)椤皟?nèi)徑”密封，達(dá)到活動(dòng)密封效果（Flex Disc），由于減少了泄漏通道，大大降低了密封面積，減少了泄漏量，顯著提升了閥芯、閥座的密封效果；此外，為了抵抗閥門沖蝕，閥芯、閥座做了CoCr(鈷基合金）堆焊，該合金具有超強(qiáng)耐磨性以及和316 不銹鋼結(jié)合不易脫落的特性，此外，由于閥籠長時(shí)間沖刷將原鍍層已經(jīng)完全吹損，本次通過ENC 電鍍技術(shù)不僅解決了鍍層脫落問題，并提高了鍍層的可靠性。同時(shí)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣源壓力提高到6kg，讓現(xiàn)在使用的調(diào)節(jié)閥泄漏量等級(jí)由IV 提升到V級(jí)。改造后的閥門通過裝置運(yùn)行檢驗(yàn)泄漏量明顯減小，經(jīng)過檢測(cè)，改造后的閥門將原泄漏量由870.5L/min 降至23.8mL/min，達(dá)到了減少轉(zhuǎn)化氣泄漏量大造成的消耗，實(shí)現(xiàn)了裝置節(jié)能降耗的改造目的。

6 結(jié)語

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)放空閥PV2202 通過檢修改造后。運(yùn)行至今一年多以來，以往裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化氣漏量大的頑疾徹底得到解決克服，證明改造獲得了成功，實(shí)現(xiàn)了裝置的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過這一改造裝置儀表專業(yè)獲得了更多關(guān)于設(shè)備維護(hù)、使用方面的經(jīng)驗(yàn)，克服了原始設(shè)計(jì)參數(shù)偏低，選型閥門由于原始設(shè)計(jì)泄漏量為IV，從而導(dǎo)致泄漏量大的天生缺陷。這次成功改造給儀表專業(yè)解決儀表控制閥方面的問題提供了其他的思路。因此，本次改造的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)類似閥門性能提升改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。對(duì)于今后如何更好地立足現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行性能提升，解決實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題或缺陷，我們今后將積累更多的經(jīng)驗(yàn)，通過合適的改造逐步完善提升儀表設(shè)備的性能。