尿素合成塔安全閥頻繁起跳原因分析與對(duì)策

宋文明，劉嘉琪，何劍華，劉 穎

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714)

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尿素合成塔安全閥頻繁起跳原因分析與對(duì)策

宋文明，劉嘉琪，何劍華，劉 穎

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714)

重點(diǎn)從工藝運(yùn)行、安全閥整定校驗(yàn)、整定壓力設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)安裝及保溫情況(安全閥的彈簧、閥瓣、波紋管等主要部件檢查情況)等5個(gè)方面進(jìn)行深入分析，得出安全閥頻繁起跳的準(zhǔn)確結(jié)論；提出了重新設(shè)計(jì)并更換彈簧以增加彈簧剛度、優(yōu)化設(shè)計(jì)新型閥瓣以改善閥瓣受力、修復(fù)波紋管與分隔板之間的密封面和重新調(diào)整安全閥冷態(tài)整定壓力以提高安全系數(shù)共計(jì)4項(xiàng)解決方案；同時(shí)針對(duì)高壓安全閥提出了檢修過(guò)程中增加波紋管氣密性檢查的要求和辦法、增加對(duì)彈簧表面滲透檢測(cè)和防腐檢查及對(duì)彈簧腔采取強(qiáng)制通風(fēng)降溫措施等方面的預(yù)防對(duì)策，值得借鑒。

尿素合成塔 安全閥 頻繁起跳 原因分析 對(duì)策

化肥廠尿素合成塔出氣安全閥位于框架7樓，是裝置最關(guān)鍵安全閥。該位置共計(jì)有3臺(tái)型號(hào)相同的安全閥，規(guī)格為DN80，PN26 MPa，整定壓力為15.62 MPa。其中有兩臺(tái)是2005年改造時(shí)安裝的(PSV221/PSV220)；另一臺(tái)是2008年增加的，3臺(tái)安全閥均為德國(guó)進(jìn)口。在正常操作的情況下，兩臺(tái)投用，一臺(tái)在線備用。安全閥操作介質(zhì)為尿素和甲銨，結(jié)構(gòu)形式為閥體帶有蒸汽夾套，彈簧為雙彈簧結(jié)構(gòu)，閥腔與彈簧腔由分隔板和波紋管密封隔離開，彈簧腔為全封閉形式，上下留有5 mm的通風(fēng)孔，閥瓣與彈簧導(dǎo)向桿通過(guò)調(diào)心滾珠相連。

自2005年改造開工后至2015年，尿素合成塔出氣安全閥多次未達(dá)整定壓力起跳，其中自2012年8月至2014年9月期間起跳達(dá)5臺(tái)次，造成尿素高壓系統(tǒng)甚至裝置整體異常波動(dòng)，已成為影響尿素裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行的隱患。

1 原因分析

1.1 工藝方面

安全閥起跳前，裝置生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)壓力均沒有達(dá)到安全閥整定壓力，所以與工藝運(yùn)行無(wú)關(guān)。

1.2 設(shè)備方面

1.2.1 安全閥校驗(yàn)情況

該3臺(tái)安全閥曾分別在北京和大慶進(jìn)行多次校驗(yàn)，有多人見證，安全閥校驗(yàn)數(shù)值準(zhǔn)確可靠。同時(shí)在冷態(tài)情況下校驗(yàn)，已考慮到實(shí)際運(yùn)行溫度1%的整定壓力修正系數(shù)，即冷態(tài)時(shí)的整定壓力實(shí)際值為15.78 MPa和16.06 MPa。所以不存在安全閥整定壓力不準(zhǔn)的問(wèn)題。

1.2.2 安全閥整定壓力設(shè)定方面

經(jīng)查建廠的原始資料，合成塔出氣安全閥整定壓力為16.23 MPa；查2005年擴(kuò)能改造設(shè)計(jì)資料，該安全閥整定壓力設(shè)定為15.62 MPa；查合成塔201D設(shè)備原始檔案，設(shè)備設(shè)計(jì)壓力為16.23 MPa 。

設(shè)備操作壓力為14.50 MPa，安全閥的整定壓力執(zhí)行的是15.62 MPa。由此可知，安全閥的整定壓力與工作壓力的比值為1.076 7，是符合GB150.1—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)要求的。所以，安全閥的整定壓力值并不是安全閥起跳的主要原因。但現(xiàn)在的安全閥整定壓力與原始建廠時(shí)的定壓值相比，降低了0.606 MPa，致使安全閥更敏感，尤其是在安全閥受到溫度、壓力波動(dòng)沖擊時(shí)或彈簧產(chǎn)生應(yīng)力松馳時(shí)，更容易誤動(dòng)作而起跳。

1.2.3 安全閥現(xiàn)場(chǎng)安裝及保溫情況

安全閥現(xiàn)場(chǎng)安裝，由人工先抬到電梯內(nèi)，再運(yùn)至7樓，最后抬到安裝位置，用手動(dòng)葫蘆安裝就位，整個(gè)過(guò)程不存在磕碰問(wèn)題；

現(xiàn)場(chǎng)閥體有保溫，彈簧腔部位無(wú)保溫。

1.2.4 安全閥本體方面

(1)彈簧。PSV220和PSV221安全閥兩次起跳的根本原因就是彈簧斷裂。2013年2月28日起跳的PSV220安全閥彈簧表面輕微銹蝕，斷口為脆性斷裂。2014年9月7日起跳的PSV221大小彈簧斷口見圖1和圖2。

圖1 大彈簧斷口

圖2 小彈簧斷口

分析彈簧外觀：2015年7月檢修期間，將安全閥PSV221拆下后，解體檢查發(fā)現(xiàn)。兩個(gè)彈簧上半部分防腐蝕漆基本完好，無(wú)銹蝕；自彈簧中部開始至底部，銹蝕越來(lái)越嚴(yán)重，底部銹蝕最嚴(yán)重，內(nèi)部小彈簧比外部大彈簧銹蝕嚴(yán)重，在彈簧座上發(fā)現(xiàn)有很多的鐵銹碎屑；兩個(gè)彈簧斷裂位置均在第2圈，斷口與彈簧軸線呈40°～50°夾角；大彈簧自下而上第4圈表面和小彈簧底部有白色結(jié)晶物。分析腐蝕原因主要是由于波紋管密封點(diǎn)泄漏，造成安全閥正常投用和起跳時(shí)，蒸汽和甲銨介質(zhì)分別泄漏進(jìn)入彈簧腔，造成大小彈簧的腐蝕。

分析彈簧斷口：小彈簧斷口表面氧化呈銹紅色，外觀老舊；斷口上部可見明顯的剪切唇和瞬斷區(qū)，在右上部和下部可見疲勞條帶輝紋，下部邊緣顏色相對(duì)較暗，應(yīng)為早期斷裂區(qū)域，裂紋開始于下部，斷口為疲勞斷裂形態(tài)[1]；大彈簧底部3圈外表局部存在腐蝕凹坑，斷口表面銹蝕，下部斷口比上部銹蝕重，但都比較新鮮，可以清晰看到開裂始點(diǎn)，源于點(diǎn)蝕缺陷，放射紋由外側(cè)點(diǎn)蝕點(diǎn)開始貫穿整個(gè)截面，無(wú)塑性變形，斷口為脆性斷裂形態(tài)。

彈簧的使用情況：經(jīng)查安全閥自2005年以來(lái)共有6臺(tái)安全閥發(fā)生了彈簧斷裂，其中4臺(tái)是蒸汽系統(tǒng)安全閥，2臺(tái)是尿素合成塔出氣安全閥，從現(xiàn)場(chǎng)安全閥使用情況分析，該廠家安全閥彈簧可能由于在回火熱處理時(shí)出現(xiàn)回火脆性[2]。

大小彈簧的表面腐蝕，尤其是點(diǎn)蝕坑的形成主要是由于甲銨等介質(zhì)腐蝕造成；由小彈簧的斷口可知，PSV221安全閥前幾次起跳與小彈簧出現(xiàn)裂紋有關(guān)；彈簧本身的回火脆性加劇了裂紋的擴(kuò)展。

(2)閥瓣。2013年P(guān)SV220安全閥解體，測(cè)量閥瓣整體厚度為16.5 mm，但背部安裝調(diào)心滾珠部位厚度僅為9 mm；閥瓣密封面內(nèi)側(cè)局部存在凹坑制造缺陷，深2 mm。

(3)波紋管。2013年7月，檢修發(fā)現(xiàn)PSV221安全閥波紋管與彈簧分隔板硬密封處泄漏，水蒸汽和甲銨可由此進(jìn)入彈簧腔。

PSV220和PSV220A以及PSV221起跳主要是由于安全閥的設(shè)計(jì)和彈簧制造質(zhì)量存在問(wèn)題而導(dǎo)致。PSV221安全閥頻繁起跳原因主要是由于波紋管泄漏造成的彈簧腐蝕，導(dǎo)致彈簧應(yīng)力松馳和彈簧斷裂而頻繁起跳。

2 解決方案

(1)更換3臺(tái)安全閥彈簧，PSV220于2013年3月更換彈簧，PSV220A和PSV221于2015年7月更換彈簧，并增加彈簧剛度，小彈簧剛度由0.108 kN/mm增加至0.143 kN/mm，大彈簧剛度由0.368 kN/mm增加至0.430 kN/mm。

(2)重新設(shè)計(jì)閥瓣，增加閥瓣背部安裝調(diào)心滾珠部位厚度，見圖3和圖4。

圖3 原閥瓣

圖4 新設(shè)計(jì)閥瓣

(3) 修復(fù)波紋管與彈簧分隔板之間的密封面。

(4)重新調(diào)整安全閥冷態(tài)整定壓力，綜合考慮溫度修正[3]系數(shù)1%的影響，將起跳值提高至16.40 MPa，符合GB150.1—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 預(yù)防對(duì)策

(1)在安全閥校驗(yàn)過(guò)程上，增加波紋管密封點(diǎn)的檢查，可以在校驗(yàn)安全閥整定壓力時(shí)，在出口處對(duì)閥腔進(jìn)行氣密試驗(yàn)。

(2) 通過(guò)對(duì)安全閥彈簧應(yīng)力分析可知，剪應(yīng)力最大處位于彈簧頂部和底部第3圈[4]。同時(shí)安全閥運(yùn)行中，應(yīng)避免頻繁起跳，起跳使彈簧前三個(gè)彈簧圈首當(dāng)其沖承受載荷，而不能迅速而有效地載荷傳遞給其它彈簧圈，容易造成彈簧前三圈的疲勞破壞[5]。所以對(duì)于高壓安全閥的校驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)增加對(duì)彈簧的表面滲透檢測(cè)項(xiàng)目，重點(diǎn)檢查頂部和底部三圈。

(3)每次校驗(yàn)時(shí)，檢查彈簧并對(duì)其進(jìn)行除銹防腐，防止因彈簧腐蝕而產(chǎn)生的應(yīng)力松弛。

(4)安全閥彈簧罩的通氣孔，應(yīng)接入空氣強(qiáng)制通風(fēng)降溫；同時(shí)應(yīng)做好防雨水流入措施。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)尿素合成塔出氣安全閥頻繁起跳問(wèn)題的研究，綜合對(duì)安全閥的工藝運(yùn)行、整定校驗(yàn)、施工安裝、安全閥內(nèi)件解體檢查4個(gè)方面深入分析，得出安全閥頻繁起跳的準(zhǔn)確結(jié)論。提出了重新設(shè)計(jì)彈簧和閥瓣、調(diào)整安全閥整定壓力的解決方案，運(yùn)行效果良好；同時(shí)提出增加波紋管氣密性檢查和彈簧表面滲透檢測(cè)等預(yù)防對(duì)策，值得借鑒。

[1] 王志文，徐宏，關(guān)凱書，等.化工設(shè)備失效原理及案例分析[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2010：17-24.

[2] 馮硯廳，孫膨，孫濤，等.電站鍋爐汽包安全閥彈簧斷裂失效分析 [J].熱加工工藝，2013，8(42)：227-228.

[3] 李博，王鐵楹，張學(xué)齡，等.蒸汽安全閥冷態(tài)與熱態(tài)校驗(yàn)整定壓力差異探討[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2008(6)：40-42.

[4] 張華波.基于SOLIDWORKS的安全閥彈簧的應(yīng)力分析[J].科技傳播，2013(9)：93-94.

[5] 肖惠臨.安全閥彈簧失效分析[J].鍋爐壓力容器的安全技術(shù),2003(6)：34-39.

(編輯 寇岱清)

Cause Analysis of Frequent Take-offs of Safety Valves in Urea Synthesis Tower and Countermeasures

SongWenming,LiuJiaqi,HeJianhua,LiuYing

(PetroChinaDaqingPetrochemicalCompany,Daqing163714,China)

The causes of frequent take-offs of safety valves in urea synthesis tower are analyzed in respect of process operation, calibration and pressure setting of safety valves, on-site installation and insulation (inspections of safety valve spring, valve flap, corrugated pipe and other main components), and the root causes have been found out. 4 solutions are proposed such as re-design and replacement of the spring to increase the spring’s stiffness, optimized design of new disc to improve the disc stress, repair of bellows and a partition between the sealing surface and readjustment of the cold setting pressure of safety valve to improve the safety coefficient; In view of the high-pressure safety valve, the pressure testing of corrugated pipe, permeation testing of spring, corrosion inspection and forced ventilation cooling are recommended as prevention measures. A good reference is provided.

urea synthesis tower, safety valve, frequent take-off, causes, countermeasures

2016-02-03；修改稿收到日期：2016-05-18。

宋文明(1981-)，工程師，2004年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)為該公司化肥廠機(jī)動(dòng)科靜設(shè)備主管。E-mai：hfswm@petrochina.com.cn