延長S Zorb裝置閉鎖料斗程控球閥使用壽命的探討

李政

(中國石化燕山石化公司，北京 102500)

1 工藝流程及程控閥使用情況簡介

為了適應保護環境的要求，降低機動車尾氣中有害氣體的排放，世界各國對發動機燃料的質量都提出了嚴格的標準，汽油中的烯烴和硫等作為有害物質被嚴格限制。康菲石油公司開發的S Zorb吸附法(S ZorbSRT)汽油脫硫技術，可將高硫催化裂化(FCC)汽油轉化為低硫汽油，具有脫硫率高、抗爆指數損失小、氫氣化學消耗低、能耗低的特點，可以將FCC汽油中硫的質量分數直接降低到1×10-5以下，汽油辛烷值損失在1個單位以下，對于1.2 Mt/a的S Zorb裝置，當生產超低硫汽油時，與加氫處理相比，年操作費用可節省150萬美元，是中國石化汽油產品質量升級的重要措施。

閉鎖料斗控制系統(LMS)是S Zorb裝置控制的核心，通過它的有效運轉，實現吸附劑在反應器和再生器中的正常循環，同時還涉及氫氧環境的隔離和切換，安全要求很高。S Zorb裝置有31臺閉鎖料斗程序控制球閥，均為兩位式切斷球閥。操作介質有高溫油氣、氫氣、氮氣及富含粒度為0～150 μm的吸附劑顆粒，操作工況具有閥門前后壓差大和開關頻繁等特點，閉鎖料斗典型的操作條件見表1所列。基于以上特點，要求該球閥耐磨、耐沖蝕，開關迅速(通常8 s以內)并且切斷能力高，隔絕及防泄漏能力強，通常設計要求達最高的Ⅵ級密封標準。

表1 閉鎖料斗操作條件

根據表1操作條件，閉鎖料斗系統程控球閥選用金屬密封，目前某公司2套S Zorb裝置在用62臺程控球閥有55臺為MOGAS進口金屬密封球閥。在實際運行過程中，這些球閥故障頻發，嚴重影響吸附劑的正常循環，進而影響產品質量，且這些球閥維修難度大、維修成本高，嚴重制約裝置的長周期運行。降低關鍵閥門故障率，延長閥門壽命是目前S Zorb裝置長周期運行亟待解決的問題。

2 MOGAS金屬密封球閥結構特點

2號S Zorb裝置閉鎖料斗程控球閥，全部采用進口MOGAS公司C系列耐磨球閥，每臺由氣動執行機構和本體球閥組成結構，如圖1所示。該球閥采用雙閥座浮動球設計，全金屬雙向密封；閥體為全鍛造閥體，材質有A182-F316和A182-F22兩種，前者耐815 ℃高溫，后者可承受593 ℃工況[1]；球體、閥座機體材質為410SS，表面采用鍍鉻，超音速噴涂金屬粒子表面處理工藝，經過處理后的球體及閥座表面硬度能達到45～65HRC[3]。球體與閥座全部以手工配對研磨，保證其密封等級達到Ⅵ級。此外，該球閥采用超大球體設計，可得到較寬密封面，防止很小的刮擦造成的泄漏，并可防止意外超行程轉動造成的泄漏。閥座鋒利邊緣具有球體自刮擦和自清潔作用，防止微粒進入密封面導致密封面破壞，造成泄漏。彈簧結構采用碟形，有效防止固體顆粒堆積。填料由3個模壓成型的三明治式的組合純石墨環和2個填充有纏繞絲的石墨抗擠壓環兩部分組成，密封泄漏量小于500 μg/g。閥桿設計有軸肩，為防飛出壓力密封閥桿，壓力越大密封越緊。

圖1 MOGAS C系列程控耐磨球閥結構示意

3 程控閥故障現象及原因分析

該公司目前有2套S Zorb裝置，總結裝置建設和維護經驗，由安裝問題造成的程控球閥故障，一般3個月左右便會暴露。不同部位球閥在使用中因其他原因也出現一些問題，其壽命影響S Zorb裝置的平穩生產。2號S Zorb裝置2013年10月24日建成投產，截至2014年10月發生故障統計見表2所列。

表2 2號S Zorb裝置程控球閥故障統計

續表2

3.1 閥門內漏

閥門內漏是目前影響裝置穩定運行的主要故障，S Zorb裝置在實現閉鎖料斗氫氧環境隔離以及吸附劑循環過程中，充分考慮了閥門內漏的影響，要求閥門零泄漏，同時在每條料腿上設置多臺閥門，在工藝上保證了安全。閥門內漏導致安全性能降低、吸附劑損耗增加、程序運行中斷、運行時間延長、吸附劑循環不暢，進一步影響加工量和產品質量。

3.1.1噴涂層破壞

在閥球、閥座表層硬化過程中，如果控制不好噴涂工藝，硬化層硬度不夠，表層碳化鎢硬化層與閥球、閥座基材結合不好，容易發生脫落。球閥頻繁啟閉，在吸附劑顆粒環境中，閥球與閥座之間吸附劑顆粒刮研不干凈，二者之間存在摩擦發熱，最終導致閥球或閥座表面硬化層磨損。

3.1.2吸附劑堆積

吸附劑固體顆粒尺寸最大為200～300 μm，最小僅為1 μm，而且在苛刻的介質條件下，聚集在閥球表面，會引起閥門結垢，硬度很高，常規的辦法很難將其從閥球表面清理下來，這些聚集物的存在，一方面不能使閥球閥座的密封面很好地接觸，導致閥門的內漏，一方面加劇了閥球和閥座的磨損。進口端閥座與閥體之間存在間隙，吸附劑顆粒進入該間隙，如果不能及時帶走，便積存在里面，導致碟簧失效，最終閥門密封失效造成泄漏。

3.1.3反向受壓

由于閉鎖料斗的介質、溫度、壓力由程序控制，閥門兩側壓差大小周期變化，反向壓差導致閥門密封性能下降，在壓力波動情況下，反向壓差大于碟簧的預緊力而使閥門發生泄漏，長時間導致密封面沖刷而失效[2]。

3.1.4工藝因素影響

操作溫度低的部位要比溫度高的部位球閥磨損嚴重，如再生器一側的球閥發生內漏的機會要比反應器一側的大。如果吸附劑帶液，球閥工況變成氣、固、液三相，工況更加惡劣，此時磨損更嚴重。位號XV16，XV17這些部位的球閥，介質內的吸附劑很少，但是磨損卻很嚴重，與溫度低、介質帶液有很大關系。

3.2 閥門開關超時

長期投用后，由于閥檢時間延長，吸附劑的循環時間相應延長，對于提高加工量和產品質量以及生產安全都是不利的。球閥的執行機構為氣動執行機構，包括電磁閥、回訊器等電氣元件，隨著球閥運行周期的延長，這些部件也經常發生故障，導致球閥不動作或開關緩慢，通過在線判斷，及時更換電氣元件，可以很好地解決該類故障。執行機構靠風壓推動打開，靠彈簧復位關閉，由于執行機構動作次數的增加導致彈簧的彈性疲勞，影響了閥門的開關速度。同時，由于閥門開關動作頻繁、管線振動等影響，閥體與執行機構半脫開也經常發生。

4 主要對策及建議

鑒于閉鎖料斗工藝的特殊性，吸附劑顆粒對球閥的磨損不可避免，在實際運行過程中應做好如下幾方面的工作，提高耐磨球閥的使用壽命。

4.1 提高設計、安裝、使用維護水平

金屬密封球閥作為S Zorb裝置關鍵設備之一，應引起工程設計、施工、使用、維護以及維修各個環節相關人員的足夠重視，通過制定符合實際要求的設計、安裝和施工規范，以及操作規程、維修策略和規程，實現金屬密封球閥的全過程科學管理，有利于提高球閥的使用壽命，降低裝置生產成本。

所有閉鎖料斗程控球閥標有承壓端，圖紙以PE 作為標記，承壓端與非承壓端區別在于承壓端有碟簧，對于圖紙標記承壓端的安裝方向同樣重要。而球閥的安裝方向不一定與介質流動方向一致，也不能僅以兩端壓力高低做判斷，而應考慮球閥兩端介質，以吸附劑進入閥球和閥座密封面的可能性最小加以綜合考慮。裝置在開工階段，特別是首次開工，務必將管線內焊渣、雜物等清除干凈，保持管線干燥無水分。

4.2 改單向密封為雙向密封

鑒于雙向密封的優點，對原設計結構為單向密封的XV1022閥改造，在低壓端閥座與閥體之間增加碟簧，將單向密封變更為雙向密封，保證該閥在雙向受壓工作環境下均能保證密封性能，降低泄漏。雙向密封閥體結構如圖2所示。

將原閥體按原低壓面的結構對高壓面進行加工，閥體與法蘭連接用石墨金屬復合墊片、盤根為一次成型石墨環，石墨金屬復合密封墊片具有優異的耐腐蝕性、耐高低溫、良好的壓縮回彈性、較好的強度等特點，便于安裝、拆卸，不易損壞，可防止介質對墊片的侵蝕，提高了耐壓耐腐蝕性能。實施過程中，需要多次微調打壓面并對改造后的閥門進行打壓試驗，包括對閥體、氣缸的調整，使兩面的泄漏量均符合密封要求。

圖2 雙向密封閥體結構示意

4.3 閥門氣路改進

針對程控球閥動作慢的問題，根據執行機構動作的原理，提出了相應的改進措施。由于執行機構動作次數的增加導致彈簧的彈性疲勞，影響了閥門的開關速度，從而影響了閉鎖料斗的正常運行。為了彌補彈簧的彈性疲勞造成的輸出力減小，現將原有的兩位三通電磁閥改為兩位五通電磁閥，電磁閥的2路進氣分別接入到原彈簧室和原氣缸室，改進后的執行機構及氣路如圖3所示。在閥門關閉的時候，執行機構的推動力由風壓和彈簧彈力共同作用，使閥門的動作速度提高，這樣就徹底解決了閥門由于彈簧長期使用彈性疲勞輸出力降低關閉慢的問題。改造后測試閥門的開關時間為： 閥門開啟時4 s，閥門關閉時5 s，完全滿足程序對控制球閥的時間按要求。

圖3 改進后的執行機構及氣路示意

改造后的執行機構在安全角度上也能夠滿足設計要求：

1)當系統斷電時，由于程序設定電磁閥帶電程控球閥開啟，電磁閥失電程控球閥關閉，所以當系統斷電時閥門會處于關閉的安全狀態。

2)當系統斷風時，閥門無論開或閉，均會經過執行機構的彈簧輸出力使閥門回到安全位置。

4.4 做好工藝調整，避免程序的中斷

工藝過程對球閥的運行影響很大，程控一旦非正常中斷，吸附劑管道溫度下降，對球閥運行不利；若球閥關閉順序不能按照正常程序中斷，吸附劑堆積在閥門及管道內，加劇閥門的磨損；通過調整管道上不同閥門開關延時設定值，可以改善下方球閥的工作狀況；提高操作溫度、增加相關管道伴熱，盡量避免吸附劑帶液，可以改善球閥的工作環境；通過優化閉鎖料斗各步序的時間，改善閥門前后壓差，有利于球閥的運行。

4.5 預知維修和強制更換

制訂程控球閥預知維修策略，對每臺閥門從上線時間到下線時間，故障維修時的監護人、故障類型、故障部位、故障現象、故障處理過程，處理時間等信息均詳細記錄。在深入了解工藝運行情況和程控球閥運行模式的基礎上，與工藝主管人員共同摸索制訂程控閥門內漏判斷指導手冊，具體判斷方法見表3所列。

表3 閉鎖料斗程控閥內漏判斷指南

利用上位機監控將閥門執行機構的運行時間引入上位機，實時監控并記錄，通過歷史趨勢判斷故障，實現設備的預知維修。隨著氣動執行機構動作次數的增加，彈簧的彈性系數有所下降，執行機構故障日益凸顯。通過在上位機上增加程控球閥的閥檢時間，可以隨時記錄閥門的開關時間和運行狀況，通過趨勢記錄并加以分析，判斷執行機構故障出現的時間，有針對性地進行維修或改造。

因工藝原因，球閥工況無法改變時，一些特定部位閥門作為易損件管理并定期更換。如03閥因安裝位置原因，通常3個月需要更換。如果采取定期更換，在閥門磨損初期予以送廠家研磨修理，球閥仍可循環使用，大幅降低了裝置維護成本。

4.6 科學建立備件儲備

通過清掃、研磨、重新噴涂硬化層或更換內件的辦法，及時將替換下來的球閥修復，使其真正達到備用的目的，有的單位定期將懷疑有問題的球閥拆下來清掃修理，也是避免故障擴大化，降低維修難度、降低維修成本的一種策略。此外，盡可能采購同一廠家的程控球閥可以使部分同規格型號的閥通用，降低備用閥門數量。

5 結束語

本文介紹了汽油吸附脫硫裝置閉鎖料斗系統所用的MOGAS金屬密封球閥的特點及結構，總結閥門在運行中常見的球閥表層硬化質量問題，閥球、閥座涂層磨損，閥球上沉積吸附劑焦塊，反向受壓和開關超時等故障，進行了原因分析。最后提出應對措施，包括提高設計、安裝、使用維護水平封方向，對閥門密封改造，做好工藝調整，避免程序的中斷，做好備用閥門儲備等。