制氫氣動PSA程控閥預防性維修

趙 寬

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

0 引言

惠州石化制氫裝置的氣動PSA裝置采用四川天一公司的工藝包，共83臺程控閥，其中蝶閥21臺，氣缸為AT系列產品，閥體為四川天一公司自產，62臺閘閥，氣缸和閥體均為天一公司自產。自2009年PSA運行以來，多次出現程控閥故障，本部根據現場實際情況多次進行維修、改型，最終通過一系列預防性維修手段和改造，降低了程控閥的故障率。

1 PSA簡介

PSA為變壓吸附系統，是制氫裝置中用于提純氫氣的裝置。其基本原理是利用吸附劑對不同工藝介質的吸附量具有選擇性，即不同的氣體在吸附劑上的吸附量有差異和一種特定的氣體在此吸附劑上的吸附量，隨著吸附壓力變化而變化的特性[1]。由83臺不同口徑的程控閥，按13個步序順序頻繁開關，循環動作實現變壓吸附的整個工藝過程，提純特定氣體。惠州石化制氫裝置的PSA處理量為100000Nm3/h。自2009年投用以來，多次出現程控閥故障，在此期間對該閥門進行多次更換和改造，確保了PSA的安全平穩運行。

圖1 PSA工藝流程Fig.1 PSA Process flow

2 制氫裝置PSA流程

制氫裝置PSA工藝流程，原料氣來自制氫裝置的高變氣，主要產品為純度為99.99%的氫氣，輸送到全廠的氫氣管網，用做加氫裝置的原料，副產品為解析氣，用于本裝置轉化爐的燃料氣的補充氣。PSA系統共有10臺吸附塔，每個塔共有1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#程控閥，9#為公用順放閥門，10#為尾氣公用閥門，共83臺程控閥。PSA的流程圖如圖1所示。

3 程控閥簡介

PSA的各個步序，包括吸附、均壓、順放、逆放、沖洗、終沖等步驟都是通過程控閥的開關并按周期性切換吸附塔來實現的。程控閥每年需要開關幾十萬次，這對程控閥性能要求非常高，如果閥門因為任何原因出現問題，均會導致產品氫氣波動和尾氣波動，如果處理不當，會導致裝置聯鎖停車。

程控閥的性能需要滿足快開、高頻、雙向流動的最基本要求，具體要求如下：

1）采用氣動執行機構，執行機構要求具備：快開（2s），高頻（一年10萬次，四年40萬次）、緩沖功能（關閥時具備緩沖功能）。

2）閥體為金屬硬密封三偏心蝶閥，密封等級為ANSI VI級。填料密封要求為雙密封，氣缸和閥體壽命確保四年40萬次無故障，填料無泄漏。

4 程控閥故障類型

圖2 填料泄漏圖片Fig.2 Picture of packing leakage

1）填料泄漏：程控閥動作頻繁，閥桿與填料之間反復摩擦，導致填料磨損，氫氣介質沿著填料處泄漏。氣動程控截止閥填料處，緊固需用C型扳手，但大部分因長期緊固，卡槽都已滑扣。氣動程控蝶閥填料已無密封作用，填料泄漏情況如圖2所示。

2）閥桿損害：原閥桿材質為42CrMo鋼，雖然屬于高強度鋼，具有很高的強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調質處理后具有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力，低溫沖擊韌性比較好。但是閥桿長期動作，閥桿經過10年上百萬次動作，導致材料疲勞，加上不斷的有泄漏出的氫氣對填料處閥桿進行腐蝕，導致閥桿表面出現腐蝕，閥桿表面凹凸不平，加劇了對填料的磨損，形成惡性循環。

3）氣缸故障：由于氣缸高頻次動作，導致氣缸故障率升高，主要表現為密封組件磨損，氣缸串氣，氣缸壁磨損，活塞板斷裂。氣缸的密封組件主要由氣缸蓋密封圈、活塞密封圈、活塞L型圈、活塞板與閥桿之間的密封圈組成，這些密封圈損壞，輕則導致氣缸串氣、漏氣，影響閥門開關，嚴重的則會導致活塞板和氣缸壁之間產生嚴重摩擦，導致氣缸壁和塞板報廢的嚴重后果，大大增加維修成本。

4）閥體內件故障：平衡缸磨損嚴重，與閥芯之間摩擦力增加，導致閥門動作遲緩；閥芯與閥座磨損，導致閥門內漏；閥芯密封片損壞，導致閥門內漏，閥芯磨損。

5）大口徑三偏心蝶閥軸套斷裂：這是大口徑蝶閥最容易出現、最難解決的問題，軸套斷裂后，閥門無法開關，由于閥門口徑大，對工藝生產影響最為嚴重。軸套斷裂情況如圖3所示。

6）儀表附件故障：閥門回訊故障，容易對內操操作產生誤導。電磁閥和氣控模塊故障,電磁閥卡澀分為不能正常開啟和不能正常關閉兩種狀態[2]，如果處理不當，直接會導致閥門開關異常，如處理不及時，會導致尾氣量波動，影響后面裝置的操作。

7）閥門內漏：程控閥內漏后，在吸附工藝過程中部分產品氫氣會通過內漏的程控閥竄入作為轉化爐燃料氣的解析氣中，造成解析氣工藝參數發生大幅度變化[3]，如果處理不當，會造成下游轉化率因為負壓和差壓等工藝參數波動，導致聯鎖停爐。

圖3 蝶閥軸套斷裂Fig.3 Broken butterfly valve bushing

5 氣動程控閥預防性維修策略

1）在線預防性維修氣缸：利用PSA可以逐塔切除的特點，在氫氣富足時逐塔切除，對該塔程控閥氣缸進行預防性維修，檢查氣缸各部件的磨損情況，并更換易損密封件，拆檢電磁閥和氣控模塊，檢查密封圈和閥芯情況，如發現臟，或者帶水需要進行徹底維修。

2）閥桿材質升級改造：將原閥桿材質改為17-4PH。17-4PH是沉淀硬化型馬氏體不銹鋼。此不銹鋼是由銅、鈮/鈳構成的沉淀、硬化馬氏體不銹鋼。此材質具有高強度、高硬度和抗腐蝕的特性。改造后的閥桿表面更加光滑，與填料之間的摩擦力減小，對填料的損傷減小，同時該材料的抗氫氣腐蝕性能加強，閥桿和填料的故障率大大降低。

3）三偏心蝶閥改型：原蝶閥軸套經常出現開裂情況，主要原因為閥門開關扭力大，而軸套強度不夠。2015年開始將部分閥門進行返廠修復，對該批次閥門進行軸套增加加強筋，同時對軸套進行加厚處理。改造后閥門故障率確實有明顯提升，大面積軸套斷裂情況不再發生，但偶爾還有部分閥門軸套出現斷裂情況。2019年利用大修機會對該批次閥門進行改型升級，通過此裝置專利供應商核算將該閥門口徑由DN600改為DN500，并對氣缸結構形式進行改造，氣缸由齒輪齒條氣缸改為撥叉形式的氣缸，同時在執行機構里面增加關閥的緩沖模塊，增加關閥緩沖功能，減少了關閥時對閥門的沖擊力，減少閥體的故障率。為了實現快開慢關的最佳工藝效果，通過改造執行機構氣路，實現此功能。改造后的蝶閥，運行近兩年，未出現任何問題。

4）電磁閥和氣控模塊等氣路附件改型：經過10年的運行，絕大多數已經存在老化情況，經常出現氣路元件故障，導致閥門動作異常的事件。根據氣路元件的運行情況，將用電磁閥直接控制閥門開關的氣路改為用電磁閥控制氣控模塊，然后通過氣控閥控制閥門開關。此次改造的主要目的是閥門開關所需氣量很大，所以原電磁閥CV值很大，超過1，電磁閥費用高，替代性差，并且故障率高（PSA現場環境較差，粉塵等容易堵塞先導電磁閥的先導孔，導致電磁閥故障）。改造后，將大CV值的先導電磁閥改為小CV值的直動電磁閥，配上相應CV值的氣控模塊，在滿足閥門開關速度的基礎上，降低了更換費用（每臺節省5000元）。

6 結論語

PSA經過上述一系列措施，通過提高PSA預防性維修率的方式，使PSA程控閥的故障率大大降低，提高了PSA運行的安全性和可靠性，同時通過氣路模塊改型等方式，使PSA程控閥的維修成本大大降低，提高PSA運行的經濟性。