延遲焦化裝置焦炭塔四通閥故障分析及處理措施

（中化弘潤石油化工有限公司，山東 濰坊 262500）

某公司2008年建成投產1 Mt/a延遲焦化裝置，該裝置主要以減壓渣油、瀝青等重質油為原料，原料經加熱爐加熱到495～500℃后進入焦炭塔進行深度裂化和縮合反應，生產出干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油和石油焦。延遲焦化工藝普遍設置A、B共2座焦炭塔，一塔進料生焦，一塔除焦吹掃，2座塔交替使用。四通閥位于加熱爐出口到焦炭塔之間的渣油管線上，對焦化油起控制作用，是切換焦炭塔進料的核心閥門。為了確保延遲焦化裝置運行可靠，焦炭塔進料管線上的四通閥和兩端的隔斷閥均選用進口的VALL高溫球閥。在延遲焦化裝置生產運行中，當從甩油線切換到A塔時，焦炭塔四通閥多次出現故障，導致延遲焦化裝置停工。

文中分析了四通閥產生故障的原因，并提出了相應改進措施。

1 四通閥結構及工作原理

焦炭塔四通閥是由加拿大VELAN INC.公司生產的VALL高溫球閥，由閥體、閥芯 （閥桿與球體）、耦合保護套、密封閥座、波紋管、導流筒及閥座插件等組成，其內部結構見圖1。

圖1 四通閥內部結構示圖

閥門閥桿與球體為一體鑄件，通過電動執行機構轉動閥門球體實現對通流介質的通斷控制。四通閥內的通流介質一般為高溫渣油或者含有焦粉的高溫焦化油氣，故采用蒸汽對閥門內部閥腔、閥座波紋管以及填料等部位進行吹掃，以防止閥門內結焦。

四通閥上使用電動執行機構，閥門有1個進口、3個出口，3個出口分別連接A、B塔的入口和開停工期間的甩油口。四通閥的球體旋轉120o，A、B塔分別完成進料、生焦、除焦的過程，A、B塔每24 h切換1次，如此反復。

2 四通閥故障現象及分析

2.1 故障現象

四通閥本身結構較為特殊，正常工況下A、B塔進料線周期性切換操作頻繁，工作溫度較高且易結焦，而且連接四通閥的管線也較多。2010年停工后對工藝管線進行了改造，但每次在A、B塔間切換進料時，四通閥必須經多次旋轉才可以切換成功，電動執行機構力矩百分數在40%～65%，給生產運行帶來不穩定因素。裝置運行9個月后，四通閥電動執行機構力矩百分數大于90%，進料由甩油開工線切換到A塔時四通閥卡澀不動，電動執行機構過載，裝置被迫停工。

2.2 故障分析［1-4］

對閥門進行拆檢維修，發現四通閥殼體在管線應力作用后有輕微的變形，3個閥口距離閥體的中心距最大偏差值為0.6 mm，波紋管工作壓縮位移為2 mm。

一般情況下，拆卸清洗閥門或更換零件后，通常在四通閥安裝前進行預組裝、水壓測試和空負荷調試。為防止密封閥座與閥座插件之間互相接觸而導致卡澀，預組裝時在3個閥座插件與閥體之間留0.8 mm的間隙，而拆檢前此間隙為0，說明四通閥安裝前調試的預留間隙在閥門安裝就位后即消失了。分析認為是因與四通閥相連接的管線法蘭直接作用在閥座插件上，使閥座插件與閥體間隙變為0，進而增加了波紋管工作位移量。經測量，在波紋管自由狀態下，密封閥座與閥座插件臺階的距離為2.5 mm（圖2）。在減去波紋管工作位移2 mm后，剩余的0.5 mm間隙就是在閥體變形和預留間隙為0的情況下消失的。因此，必須保證閥體與閥座插件之間的間隙不小于0.5 mm，否則可能產生密封閥座和閥座插件的接觸相碰，使密封閥座失去彈性將所有外力施加給閥球，導致閥門卡澀。

圖2 密封閥座與插件結構裝配示圖

3 四通閥波紋管最大位移計算［5-12］

四通閥的3個波紋管均為U型，波紋數10，具體結構見圖3。波紋管材質Inconel 625是以鉬和鈮為主要強化元素的固溶強化合金。

圖3 四通閥波紋管結構

單層波紋管最大位移計算公式為：

式（1）～式（2）中，Smax為波紋管單波最大位移，δ0為波紋管單層壁厚，a為波厚，D為波紋管外徑，d為波紋管內徑，mm；Ka為波深影響系數，Kb為相對波深系數；σs為波紋管材料屈服強度，E為波紋管材料彈性模量，MPa。

波紋管的 D=346 mm、d=316 mm，K=D/d=1.095，小于 JB/T 6169—2006《金屬波紋管》［13］中規定的最小值，根據JB/T 6169—2006中表A.2波深系數數據表，按圖4所示相對波深系數擬合曲線得出Kb=220。

圖4 相對波深系數擬合曲線

將 δ0=2 mm、a=9.5 mm、D=346 mm、d=316 mm、Kb=220、σs=410 MPa、E=205 MPa 代入式 （1）～式（2），計算可得Smax=0.272 mm。波紋管層數N=10，總最大位移量即為2.72 mm。

工作狀態中，在滿足纏繞墊片密封要求的前提下，考慮到閥體結構的變形量，可將波紋管的工作位移量減少0.3 mm，將閥座臺階與閥座插件的間隙增大到2.8 mm。3個閥口的工作位移量平均變為1.7 mm，既可以避免密封閥座與閥座插件臺階的接觸，又能保證密封效果。

4 四通閥故障處理措施

4.1 加裝調整墊片

在閥座插件和閥體內8個沉頭內六方螺栓處加裝8個90 mm×30 mm×1.2 mm的鋼制調整墊片（圖 5）。

圖5 調整墊片安裝位置

調整墊片可以傳遞管線法蘭對閥座插件的壓緊力，使之作用在閥體上，固定閥座插件與閥體的間隙，進而保證波紋管工作位移量不發生變化。在500℃高溫工作狀態下，閥球受到3個方向的推力而自動定位中心點，保證波紋管、閥座受力均勻，避免因安裝四通閥導致閥座插件卡死。

4.2 加大纏繞墊片厚度

波紋管工作位移量變小后，為了防止閥體密封的纏繞墊片泄漏，將纏繞墊片厚度從原來的3.2 mm改為3.8 mm，增加的墊片厚度大于改變的工作位移量。安裝3個閥座插件時，在同時緊固前將密封墊片放置在與閥體結合面處，再從3個閥口分別放置調整墊片，最后緊固3個閥口的沉頭內六方螺栓將調整墊片壓緊。

4.3 研磨閥球與密封閥座

四通閥多次卡澀后，閥球和密封閥座之間相對擠壓產生劃痕，劃痕深度一般不超過0.2 mm，且劃痕面積不超過總接觸面積的30%。這種情況下可以將10#金剛砂均勻涂抹在閥球表面與密封閥座進行對研。若劃痕深度超過0.2 mm且面積超過總接觸面積的30%，則要更換新的密封閥座或閥球，必須重新測量波紋管工作位移量，對調整墊片厚度進行調整，使總的工作位移量保持不變。

5 四通閥改造效果分析

加裝調整墊片后組裝調試四通閥，四通閥密封泄漏試驗中水壓試驗高壓1.49 MPa，泄漏量小于19 mL/min（0.9 cc），冷態旋轉電動執行機構試驗力矩百分數為0，說明組裝優良。裝置現場安裝四通閥后，從開工到閥體溫度升到490℃需要2～3 d，在此升溫和恒溫階段每間隔1 h旋轉360°，保證四通閥在工作狀態時不會卡澀。

改造前后四通閥電動執行機構運行力矩百分數對比見圖6。由圖6可以發現，改造前在啟動升溫階段四通閥力矩百分數急劇增大，此時管線受熱后應力作用于閥體上，當溫度升到500℃左右后，力矩百分數逐漸趨于規律波動。改造后在升溫和恒溫階段四通閥電動執行機構力矩百分數均平滑上升，工作狀態下A、B塔切換力矩百分數為9%～14%，A、B塔切換時密封效果良好，閥座插件纏繞墊片未發生泄漏。

圖6 改造前后四通閥電動機構運行力矩百分數對比

6 結語

對延遲焦化裝置焦炭塔四通閥故障原因進行了分析，并對四通閥進行了改造。四通閥改造后投用2 a來沒有發生過卡澀故障，保障了延遲焦化裝置的正常生產。到下一個大修周期（3 a），調整墊片和波紋管依然可以使用。采用文中改造措施節省了大量的物力和人力，解決了四通閥的卡澀問題，可為煉化行業延遲焦化裝置四通閥運行卡澀故障處理提供參考。