閘閥凍裂事故的分析及對策

(中國石油寧夏石化公司，寧夏 銀川 750026)

某大型國產化大化肥生產裝置位于西北，當地冬季平均氣溫-7.3℃，極端低溫在-22℃以下。由于冬季天然氣短缺和其他原因，裝置處于停車狀態。在夏季溫度較高的時候，裝置停車，系統進行置換吹掃，僅保留循環水系統運行。裝置的整體停運給冬季防凍帶來了很大的考驗。在12月，現場發現合成氣壓縮機透平的中壓抽汽管線電動閥門閥體凍裂(見圖1)。

圖1 閥門凍裂

1 閥門介紹

1.1 閥門結構[1]

該閥門生產標準為美標，尺寸為DN450，壓力等級為10MPa。閥門結構為楔式單閘板閘閥(見圖2)，楔式閘閥兩個密封面與管道軸線成一定的夾角，即兩個密封面成楔形，主要依靠楔式閘板與閥體的兩個精加工面接觸摩擦，達到一定的密封比壓而實現密封。由于閥門開啟瞬間存在很大的靜摩擦力，開啟力矩大，因此配置了較大功率的電動執行裝置，以保證閥門的正常啟閉。閥體材質為WC6高溫碳鋼，具有良好的抗蠕變特性，適用于高溫工況。

圖2 楔式單閘板閘閥結構注：1—楔式閘板；2—閥體；3—閥蓋；4—閥桿；5—填料；6—填料壓蓋；7—套筒螺母；8—壓緊環；9—手輪；10—鍵；11—壓緊螺母；12—閥座

1.2 閥門所處位置

該閘閥安裝在合成氣透平ST1801抽汽管線上，與壓力等級為4.9MPa的中壓蒸汽管線相連。現場位置處于管線U形彎底部，管線U形彎兩端在管廊上方，高度差約6m。該閘閥配有DN50旁路管線，閥前后分別配有DN40的排液導淋。

2 拆檢情況

將該閥門整體拆除，從工藝管道移出后發現管道內無積液痕跡。對閥門進行拆檢，拆除閥體中法蘭后，發現閥體內腔體全被冰柱填滿。

將閥門完全解體，清除積冰后，檢查閥門內壁，發現其光滑、無劃痕，開裂斷面未見夾渣、氣孔等缺陷。裂紋位置從閥門中心線和中法蘭交匯處至閥體底部(見圖3)。

圖3 閥門內部裂紋情況

3 閥門凍裂原因排查[2-5]

從閥門拆檢情況分析，閥體凍裂故障的直接原因為在閘閥關閉過程中或關閉后，液體介質進入閥體內腔，且幾乎填滿閥體內腔。隨著冬季環境溫度降到0℃以下，內部凝液結冰膨脹，閥體受力超過材質最大屈服極限而開裂。

3.1 壓縮機透平停車未嚴格執行操作規程

合成氣壓縮機透平停車后，未能及時關閉電動閥門，且該閥安裝位置處于管段U形彎最底部，蒸汽冷凝造成該管管段處積液。在這種狀況下關閉電動閥門，造成閥體內積液。即使隨后打開閥前后導淋排凝，但閥體內腔的液體仍無法排除。

查閱MES操作記錄發現，合成氣壓縮機透平停車時，電動閥門閥前溫度測點TI1855與閥后溫度TI8034測點溫度均下降至120℃左右。隨后，閥前溫度測點TI1855繼續下降直到30℃，而閥后溫度測點TI8034維持在120℃左右無變化。

鍋爐系統停車，電動閥門閥后溫度測點TI8034從118℃下降至26℃，此時查閱閥前溫度測點TI1855為23℃，此時兩溫度基本與當時夜間環境溫度相同。

從查閱MES系統對比合成壓縮機組和鍋爐停車后的電動閥門閥前后溫度可以判斷，壓縮機透平停車后，操作人員按照停車操作規程要求，及時關閉了電動閥門，將前后流程斷開，此時，U形管線內不可能產生大量積液，造成電動閥門在關閉過程中閥體積液，只能在閥體內腔中存留蒸汽冷凝，產生少量冷凝液。因此，可以排除未嚴格執行操作規程這一因素。

3.2 減溫水調節閥內漏

電動閥門閥后管線離閥約2m處安裝有減溫水噴嘴，通過減溫水調節閥進行控制，正常生產情況下用于對壓縮機透平抽汽進MS管網前注水降溫。在壓縮機透平停車后，若此閥發生內漏，則減溫水大量進入MS管網，造成U形彎管內大量積液。將調節閥拆下送至檢修廠方進行打壓試漏，該閥在1.2倍操作壓力下水壓試驗無泄漏，排除了減溫水調節閥內漏因素。

3.3 閥板MS管網側密封泄漏

(1)電動閥門關閉后，MS管網又繼續運行了6d。在這種狀態下，電動閥門閥后管線處于管線盲端，溫度為120℃左右，遠小于MS管網實際壓力4.8MPa對應下的飽和蒸汽溫度261℃。在此壓力等級下，U形彎管線內大量蒸汽冷凝成積液(在鍋爐系統停車后，從U形彎電動閥門閥后導淋排出大量蒸汽冷凝液，得到了進一步驗證)。

(2)楔形閘閥制造工藝和楔形閥板結構影響。從閥門制造工藝角度分析，影響楔形閘閥密封面泄漏的主要原因為密封面的粗糙度、平面度和閥體與閥板的角度誤差，閥門加工制作過程中必然存在一定的加工誤差。從楔形閘閥結構分析，其在管路上有兩道密封面，只要其中任一道密封面能起到良好的密封作用，則該閥門就不會產生內漏，能夠正常使用。因此，在閥門制造過程中，就不會考慮在閥板兩側受壓不均的狀態下兩道密封面均能保持良好的密封狀態。

(3)電動閥門為合成氣壓縮機透平至MS管網切斷閥，機組停車后，電動閥門關閉，而MS管網繼續運行，這種狀態下，造成閘閥楔形閥板兩側受力不均，楔形閥板只承受MS管網側壓力。從楔形閘閥的結構可以看出，此時，楔形閥板在MS管網側密封面的密封比壓減弱，在壓縮機透平側密封面的密封比壓增大。一旦在MS側密封面的密封比壓小于密封所需的最小比壓，則必然在MS端密封面發生泄漏，蒸汽冷凝液進入閥體內腔，且無法從另一密封面(壓縮機透平側)排出。當鍋爐系統停車后，MS管網壓力迅速降低至常壓，楔形閥板在MS管網側密封面的密封比壓恢復，積存在閥體內腔中的蒸汽冷凝液無法排出。

3.4 防凍方案考慮不周

鍋爐系統停車后，電動閥門前后導淋打開排液，復線閥門打開串氣，保證了管線無積液。由于對該類型閥門結構認識不深，未能考慮到閥體內腔會有大量蒸汽冷凝液積存，未再次打開閥門進行閥體內腔排液，造成閥體積液。

通過以上分析可知，閥門凍裂的主要原因為對楔形閘閥結構認識不足，閥板在受力不均的狀態下，密封面發生泄漏進入冷凝液，而又無法排出所致。

4 處理及預防措施

(1)該閥閥體凍裂，閥門已發生變形損壞，不具備修復條件。且此閥較大，不屬于常用備件，因此第一時間聯系原生產廠家進行采購。

(2)對裝置區類似閥門進行排查，及時發現問題并處理。

(3)補充完善防凍方案，安裝有類似閥門的管道，在管道防凍交出后，應再次打開閥門，對腔體進行二次排凝。

(4)建議在楔形閥板一側開小孔，排泄閥體內腔積液，具體方案與生產廠家進行可行性討論。

5 結語

電動閥門閥體凍裂事件反映出裝置設備管理人員對一些看似簡單、常用的裝置結構的認識不足，未能深入了解，以至于發生設備損壞事件。這也說明，裝置冬季防凍方案還需要進一步細化到每一臺設備、每一條管線和每一臺閥門。只有徹底了解裝置的內部結構，才能做好設備的維護保養工作。