程控閥故障分析與防控

朱狄，高仁鵬，納賽爾

（中國石油獨山子石化分公司煉油廠，新疆 獨山子 833699）

1 前言

某制氫裝置以天然氣和加氫低分氣為原料，采用烴類蒸汽轉化、中溫變換、變壓吸附技術，每小時氫氣產量8×104Nm3，供加氫裝置使用。裝置工藝由原料氣脫硫、轉化、變壓吸附（PSA）3個單元組成。

變壓吸附（PSA）單元主要作用，是將制氫裝置轉化爐產生的富含氫氣的混合氣體，以及外部輸送來的富含氫氣的氣體通過變壓吸附的原理來將富氫的混合氣體分離，提供純度高達99.9%的氫氣并入系統氫氣管網，供下游的加氫裝置使用，同時附屬產生一部分含有一定熱值的氣體供制氫裝置轉化爐作為燃料使用。

變壓吸附（PSA）單元由吸附塔、順放氣罐、解吸氣緩沖罐、解吸氣混合罐、液壓油箱、液壓油泵以及程控閥組成。PSA單元主流程的工序包括：吸附、一～四均降、順放、逆放、沖洗、四～一均升、產品氫終升共13個工藝步序，總計8個程控閥分別對應不同的工藝步序，分別標記為1～8號程控閥。

從2009年投用至今，PSA單元的吸附塔、順放氣罐、解吸氣緩沖罐、解吸氣混合罐、液壓油箱、液壓油泵等部件未發生影響裝置正常生產的故障或事件，而PSA單元的程控閥則時有出現不正常或不正確的開關狀態，導致系統氫網大幅度波動，進而影響后續的加氫裝置大幅度波動，嚴重時，加氫裝置還因此被迫停工。因此，提高PSA單元的可靠性，尤其是程控閥的可靠性至關重要。

2 PSA運行現狀及檢修情況匯總

從2017年5月14日起，該制氫裝置的PSA單元的程控閥接連發生打不開或關不上的情況，嚴重影響了下游的加氫裝置的正常生產，為此對制氫PSA單元進行全面的檢查與維修。根據檢修工作與輔助配合性工作的工作量與工藝生產的平衡，從2017年7月3日起，每周檢修一個吸附塔的8臺程控閥，至2017年10月13日，所有吸附塔的程控閥檢修完畢，總計檢修80臺套。

檢修主要分為檢修機械部分與檢修控制系統部分。

2.1 機械部分

（1）主要為更換7、8號程控閥的放大器，并對新舊放大器進行解檢。（2）根據程控閥拆解出的情況來判定是否更換程控閥油路活塞的泛塞組合密封與外三角組合密封。（3）清理油缸與活塞上存在的油泥、鐵銹等雜質。

2.2 控制系統部分

按計劃更換1號、2號電磁閥，對3-8號電磁閥進行解檢與清理，根據拆檢結果決定是否更換，清理、更換完成后回裝，回裝完成調試正常后交付車間。

2.3 普遍存在問題

（1）泛塞組合密封（彈簧密封圈）。聚合物介質老化，顏色變黃，變硬；部分存在少量的彈簧片變形或斷裂，如圖1所示。（2）外三角組合密封（O型圈及外密封圈）聚合物介質老化，部分存在小段的磨損或破裂，如圖2所示。

圖1 泛塞組合密封顏色變黃，變硬，彈簧片變形、斷裂

圖2 外三角組合密封老化，存在小段的磨損或破裂

2.4 檢修過程出現較為嚴重的問題代表性的概述

機械部分

（1）某塔的5號程控閥油缸內有大量的油泥，如圖3。（2）某塔的4號程控閥的外三角密封嚴重損壞，如圖4所示。（3）某塔的8號程控閥放大器內部磨損，如圖5所示。（4）某塔的 2號程控閥油缸磨損，如圖6所示。（5）某塔的5號活塞生銹，如圖7所示。（6）某塔7號程控閥的新放大器內有大量的雜質，如圖8所示。

圖3 某塔5號程控閥油缸內有大量的油泥

圖4 某塔4#閥的外三角密封嚴重損壞

圖5 某塔8號程控閥舊的放大器內部磨損

圖6 某塔2號程控閥油缸磨損

圖7 某塔5號程控閥活塞有鐵銹

圖8 某塔7號程控閥的新放大器內有大量的大型雜質

對于機械部分出現故障的原因，總體可歸納為3大類，分別為程控閥活塞密封的老化與失效問題，元件、配件的可靠性問題以及程控閥內進水導致的銹蝕與磨損問題。

2.5 控制系統部分

控制系統檢修部分主要為更換特定的電磁閥，并對相應的線路進行防松檢查。除去固定更換的1、2號程控閥的電磁閥外，還更換了在運行、檢修以及調試過程中出現故障或錯誤的電磁閥。歷時3個多月的檢修經驗表明，如某程控閥出現了錯誤或報警，一般對相應的電磁閥進行檢修或更換，都能解決問題。

對于控制系統部分出現故障的原因，還是電磁閥的可靠性問題，此類問題可以和機械部分的元件、配件的可靠性問題統稱為設備元器件的可靠性問題。

3 原因分析與控制措施

對于上述的3個原因對應的解決措施如下。

（1）定期更換程控閥活塞密封，在其生命周期內，提前進行更換，并擇機對部分密封組件進行抽樣檢查，以確定密封更換的時機與數量，以便及時掌握設備的運行狀態，避免無效的工作量以及人力財力的浪費。

（2）從源頭上解決元器件的可靠性問題，增大對設備元器件的抽檢比例。由于程控閥、放大器與電磁閥都是大批量的發貨，根據現場檢修的經驗，目前的抽檢比例無法保證設備元器件到現場后是百分之百的合格品。此后此類元器件到現場安裝之前，做到能檢則檢，同時將壓力傳遞至供貨商與生產商，使其保證其產品在出廠與轉運過程中的優質與有效。進而從源頭上控制設備元器件的質量。

（3）對于程控閥內進水導致的銹蝕與磨損問題，可分為兩個方面，一方面是檢修過程中可能出現的問題，另一方面則有可能是工藝生產中的出現的偏差。對于檢修過程，可能是由于上次檢修時，防雨罩沒有及時上好，致使在檢修過程中進入雨水，導致少量的油泥與鐵銹產生，在油缸內摩擦，而生成大量的油泥。對于工藝生產中的出現的偏差，則可能由以下部分產生。

4 工藝生產部分

對于工藝生產部分，工藝介質的富含氫氣的氣體和程控閥的驅動部件物理隔離，不會對程控閥的運行造成影響，主要的影響在于程控閥兩側的壓差可能造成程控閥開關狀態的偏差，此項問題主要體現在4號程控閥上，在某吸附塔二均升與相應的一個吸附塔三均降的步序時，程控閥兩側壓差最高可達1MPa,而其他程控閥兩端的差壓不會超過0.5MPa，且4號閥的錯油門的孔徑也并不大于其他程控閥的錯油門孔徑，因此4號程控閥因壓差過大的原因造成程控閥錯誤狀態的幾率較其他程控閥明顯偏大。

其次因為潤滑油國產化的原因，裝置早期將原設計的液壓油由美孚DTE10EXCEL32換成目前的昆侖L-HV32液壓油，兩者相應的差別主要體現在潤滑油的抗乳化與酸值等常見主要性能指標上，兩種不同的潤滑油在運行1～2年期間對應的化驗分析如表1、2（略去性質相同或相近的部分）。

表1 原設計用油DTE10EXCEL32運行1～2年期間的相關化驗分析

對比兩者的化驗分析，國產化滑油L-HV32#的酸值是國產化前的潤滑油DTE10EXCEL32酸值約4倍，潤滑油對管路或部件的腐蝕或部件上易脫落的部分的剝離更為明顯，當雜物，進入潤滑油的管路中，更易產生鐵銹和油泥等雜物堵塞程控閥的進出口油路，從而影響程控閥瞬間驅動的扭矩，造成程控閥開、關不到位或無法開關，對生產造成極大的影響。

兩種潤滑油的抗乳化性能平均值分別為9分鐘和17分鐘，更換國產化潤滑油后的抗乳化性能明顯下降，潤滑和減振的性能明顯下降，使PSA系統的程控閥在瞬間需要改變開關狀態時無法及時削減振動，潤滑效果減低，也加大了閥門卡澀的幾率，造成程控閥的開關故障的幾率增加。

制氫裝置2011年經過第一次大修，2013年下半年，PSA程控閥僅出現了一次打開不到位的情況，此時DTE10EXCEL32經過大修換油后，運行時長為13～19個月；2015年制氫裝置第二次大修，更換PSA液壓油站潤滑油，此時的潤滑油運行時長為9～17個月，運行時長小于原潤滑油的運行時長，但在5～7個月期間，總計出現了 14次不正常的開關狀態，故障率確是更換原潤滑油運行狀態下的14倍，雖然存在程控閥固件和配件的老化的原因，但程控閥的相關固件的設計壽命為15年，目前僅運行8年，相關固件的老化不能造成14倍故障幾率的影響。2017年10月中，在更換完程控閥的相應電磁閥和程控閥內的密封組件后，其后運行不到2星期，還是出現程控閥無法正常開關的情況，此時相應配件處于完好狀態，可見程控閥配件問題也僅是影響PSA程控閥平穩運行的主要原因之一。

表2 更換國產化用油L-HV32后運行1～2年期間的相關化驗分析

在10月底將PSA液壓油在線更換后，運行了75天，暫未出現程控閥故障問題，在2018年2月，再次對PSA液壓油再次進行在線更換，從初次換油到目前為止，總計運行300天，未出現程控閥故障問題。由此可見，潤滑油的質量直接關乎PSA程控閥的平穩運行。

5 結語

根據3個多月對PSA程控閥及相應附件的檢查檢修情況以及歷年來PSA運行的相關數據表明。（1）定期更換程控閥活塞密封組件，在密封組件生命周期內，提前進行更換，并擇機對部分密封組件進行抽樣檢查。（2）從源頭上解決元器件的可靠性問題，增大對設備元器件的抽檢比例。（3）通過對檢修過程與質量的控制，以降低雨水進入PSA液壓油系統的幾率；并縮短更換現有的國產化潤滑油的運行周期。

通過對以上控制措施的落實，有效的降低PSA程控閥的故障幾率，有效地保證PSA單元長周期平穩運行，為下游加氫裝置平穩運行提供了保障。