OleflexTM工藝催化劑閉鎖控制閥失效分析及改進(jìn)方案

蔣利強(qiáng)，劉劍

(1. 中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103；2. 蘇州安特威閥門有限公司，江蘇 蘇州 215211)

丙烯是石油化工行業(yè)用量第二的重要化工原料，可以用于合成聚丙烯、聚丙烯腈、丙烯醛、丙烯酸、環(huán)氧丙烷、異丙醇、異丙苯、丙烯齊聚物等?；裟犴f爾UOP丙烷催化脫氫制丙烯OleflexTM工藝具有技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)成本低、可靠性高、生產(chǎn)規(guī)模大等特點(diǎn)[1-2]，自2014年8月在嘉興衛(wèi)星石化公司實(shí)現(xiàn)中國境內(nèi)首套OleflexTM工藝工業(yè)化以來，近年得到迅速推廣。目前，國內(nèi)在建和已建的OleflexTM工藝約有30套。但因其催化再生工段采用獨(dú)特的連續(xù)催化再生技術(shù)CCR，為確保其連續(xù)再生，用于閉鎖催化劑的控制閥開關(guān)頻繁，工況苛刻，極具挑戰(zhàn)性。鑒于此，前期投產(chǎn)的多套裝置所需的催化劑閉鎖控制閥均采用德國某品牌的金屬硬密封球閥，但投運(yùn)不到1個月，相繼出現(xiàn)開關(guān)動作不靈活、動作慢、動作不到位、內(nèi)漏等故障，經(jīng)原廠多次維修仍未解決該類問題，閥門依然出現(xiàn)卡澀和內(nèi)漏，影響生產(chǎn)。

1 操作工況

丙烷經(jīng)預(yù)處理后送入反應(yīng)器，在催化劑作用下進(jìn)行脫氫反應(yīng)，操作溫度高達(dá)639～700 ℃[1]，接著將反應(yīng)器內(nèi)因結(jié)焦而降低活性的待生催化劑提升到CCR工段，在催化劑再生器內(nèi)對失活的催化劑采用氧氣不斷燒焦連續(xù)再生，再生溫度區(qū)間為520～590 ℃，并經(jīng)610 ℃高溫干燥，恢復(fù)其活性。然后，再生催化劑被送回反應(yīng)器，從而使丙烷脫氫反應(yīng)得以連續(xù)進(jìn)行。進(jìn)出CCR單元的待生和再生催化劑的閉鎖控制閥采用德國進(jìn)口的金屬硬密封球閥，OleflexTM工藝流程如圖1所示。

圖1 OleflexTM工藝流程示意

待生和再生閉鎖控制閥的操作工況極其惡劣，條件苛刻。除高溫外，催化劑本身具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，極其堅硬，耐磨損、耐高溫、抗沖擊和抗擠壓。因此，控制閥選用球閥，必須具備以下特性： 密封面堅硬、耐磨、抗沖蝕；雙向密封，密封性能達(dá)VI級以上，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)再生工段之間的氫氧絕對隔離；材料高溫膨脹補(bǔ)償適應(yīng)性能優(yōu)越，防止球閥卡澀；密封面具有良好的自清潔功能，防止細(xì)粉堆積；可靠性和可操作性高，實(shí)現(xiàn)頻繁開關(guān)，長周期運(yùn)行。

2 故障現(xiàn)象

該品牌的金屬硬密封球閥在安裝調(diào)試過程中嚴(yán)格按照UOP專利商和閥門制造廠家的要求執(zhí)行，但投運(yùn)不到1個月就頻繁出現(xiàn)故障，待生和再生閉鎖閥相繼出現(xiàn)開關(guān)動作不靈活、動作慢、內(nèi)漏、動作不到位甚至卡死等問題，氫氧隔離功能失效，存在嚴(yán)重的安全隱患，觸發(fā)聯(lián)鎖響應(yīng)，進(jìn)而引起系統(tǒng)跳車。球閥被迫下線返廠檢修，雖然往返原廠多次，費(fèi)工費(fèi)力又費(fèi)時，但問題依然沒有解決。球閥復(fù)裝后，短時間內(nèi)仍然出現(xiàn)卡澀和內(nèi)漏等故障，拆解后發(fā)現(xiàn)球體密封面拉傷并發(fā)黑。

3 原因分析

待生和再生催化劑是以Pt/Al2O3為載體，添加有Sn，Ca，Na，Mg，Zn，Ce等多種助劑的固體顆粒[1]，硬度極高且非常昂貴，換裝1次需花費(fèi)上億人民幣。為減少損耗，催化劑經(jīng)高溫焙燒后具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，耐磨損、耐高溫、抗沖擊和抗擠壓。另外，催化還原和氧化工藝比較復(fù)雜，反應(yīng)和再生工段需要分別注入二甲基二硫和氯，防止反應(yīng)器內(nèi)件滲碳，確保鉑金屬能在催化劑載體顆粒上進(jìn)行合理重新排列，以達(dá)到更好的分布效果，增強(qiáng)催化劑活性。無論是反應(yīng)溫度還是再生溫度都很高，高溫引起的金屬變形更易造成球閥的諸多故障。因此，相比常見固體顆粒介質(zhì)工況[3]，待生和再生催化劑閉鎖球閥更易產(chǎn)生卡澀和內(nèi)漏。主要原因分析如下：

1)開關(guān)卡澀。由于球閥經(jīng)過脫油脫脂和干燥處理，且介質(zhì)溫度很高，一旦破碎的催化劑顆粒、細(xì)粉進(jìn)入金屬硬密封球閥的密封副、閥桿、軸或軸套、閥座背腔等位置并堆積，會造成球閥內(nèi)構(gòu)件變形、磨損、卡阻、抱死[4]，使得球閥開關(guān)扭矩大增，導(dǎo)致球閥開關(guān)動作不靈活、動作慢、動作不到位、不能動作甚至卡死。

a)脫油脫脂導(dǎo)致摩擦系數(shù)和開關(guān)扭矩增加。

b)高溫干燥導(dǎo)致摩擦系數(shù)和開關(guān)扭矩增加。

c)物料堆積導(dǎo)致摩擦系數(shù)和開關(guān)扭矩大增。

d)故障閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)選配氣缸的扭矩系數(shù)偏小，僅為1.3。

2)內(nèi)漏。由于該球閥開關(guān)頻繁，密封要求又高，需要雙向密封，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)再生單元之間的氫氧環(huán)境絕對隔離。因介質(zhì)具有高溫、堅硬的特性，所以對密封副材料的選配、密封比壓的確定增加了難度，稍不注意很容易發(fā)生內(nèi)漏。

a)金屬粘接導(dǎo)致密封面損壞。由于達(dá)到密封要求所必需的密封比壓高[5]，金屬硬密封球閥密封副本身就存在粘接傾向，遇到高溫，球座密封面擠壓在一起時，局部位置就容易發(fā)生微觀焊接現(xiàn)象，導(dǎo)致密封面摩擦力更大，密封面溫度升高更快，其微觀的表征是附著磨損和氧化磨損[6]，宏觀表征則為表面拉傷和發(fā)黑。隨著開關(guān)次數(shù)的增加，情況逐漸惡化，發(fā)生內(nèi)漏。

b)密封面磨損。由于待生和再生催化劑是以Pt/Al2O3為載體的固體顆粒，莫氏硬度達(dá)到9.0，硬度非常高，十分堅硬。若密封副選配不合適，磨損就會加劇。拆解后檢測發(fā)現(xiàn)故障球閥的密封面硬度低于HRC70，所以，投運(yùn)時間不長就很快被磨損。而且，因催化劑連續(xù)再生，空速又較高，密封副受到?jīng)_刷，所以更加快了磨損而發(fā)生內(nèi)漏。

3)結(jié)構(gòu)缺陷。UOP技術(shù)規(guī)格書中明確要求： 用于催化劑反應(yīng)再生循環(huán)系統(tǒng)中的待生和再生球閥應(yīng)具有完整的流道并且內(nèi)表面光滑，在催化劑流通表面上嚴(yán)禁有尖邊及突出部位，任何尖邊及突起部位都會導(dǎo)致催化劑破碎并產(chǎn)生粉塵，降低催化劑的循環(huán)使用率。而且，一旦粉塵過多分離效果不佳，會引起CCR工段再生器約翰遜網(wǎng)堵塞，減小流通面積，產(chǎn)生氣流分布不均，情況嚴(yán)重時，甚至?xí)绊憻剐Ч?/p>

根據(jù)現(xiàn)場對故障球閥的解體檢查發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計明顯沒有滿足UOP的相關(guān)要求，存在缺陷如下：

a)閥座底部采用蓮花瓣?duì)畹膶?dǎo)灰槽設(shè)計，存在尖邊。

b)出于保護(hù)彈簧、延長球閥壽命考慮，流通通道設(shè)計有突起結(jié)構(gòu)。

c)縮徑設(shè)計，有3 mm左右的縮徑，沖刷加劇。

d)催化劑在高速流動過程中與尖邊及突起發(fā)生碰撞，使更多的催化劑顆粒破碎，產(chǎn)生粉末。一旦破碎的顆?；蛘叻蹓m進(jìn)入密封副間并堆積，就會加大球閥開關(guān)扭矩，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能正常動作。

4 改進(jìn)方案

根據(jù)以上分析及研判，結(jié)合固體顆粒介質(zhì)應(yīng)用球閥的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)如下：

1)加大開關(guān)扭矩裕量，按照2.0的扭矩系數(shù)選配閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸。

2)選配具有高硬度、抗金屬粘接的密封副材料，如選用FSLLOY系列硬質(zhì)合金，HRC硬度大于76。

3)優(yōu)化球閥流道，采用全通徑設(shè)計。

4)去除蓮花瓣的導(dǎo)灰槽，變圓滑過渡。閥座采用的包覆結(jié)構(gòu)如圖2所示，閥體和閥座結(jié)合處均設(shè)計為平滑的過渡，無尖角。

圖2 閥座包覆結(jié)構(gòu)示意

5 實(shí)施效果

該球閥經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化，效果十分明顯，經(jīng)受住了較長周期的使用考驗(yàn)，效果如下：

1)球閥開關(guān)卡澀、內(nèi)漏現(xiàn)象消失，壽命提高到2 a以上。

2)催化劑破碎比例減少，粉塵含量減少，催化劑損耗率大幅降低。

3)約翰遜內(nèi)網(wǎng)破損事故也減少。

6 結(jié)束語

UOP丙烷催化脫氫制丙烷OleflexTM工藝采取獨(dú)有的催化劑連續(xù)再生技術(shù)，待生和再生催化劑閉鎖閥開關(guān)頻繁，工況復(fù)雜，條件苛刻，極易出現(xiàn)故障。通過對故障球閥的結(jié)構(gòu)、氣缸選型、密封面選配等方面的優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化后的球閥經(jīng)受住了較長周期的使用考驗(yàn)，改進(jìn)方案是成功的，可以為后續(xù)其他類似項(xiàng)目的應(yīng)用提供參考。