高溫高壓蒸汽安全閥腐蝕缺陷修復(fù)及國產(chǎn)化改造

黃

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司機(jī)動部, 浙江 寧波 315200)

國內(nèi)某大型煉油廠乙烯裂解汽包等高溫高壓蒸汽工況多個在用安全閥均采用進(jìn)口產(chǎn)品，使用時間10～30 a，使用中存在安全閥閥芯密封面泄漏和在線定壓值不準(zhǔn)等問題，解剖后發(fā)現(xiàn)閥芯閥座硬質(zhì)合金層磨損開裂，堆焊研磨修復(fù)困難。如果更換進(jìn)口閥芯閥座，費(fèi)用昂貴，一般超過新購置整閥的30%。技術(shù)管理部門通過廣泛調(diào)研、同國內(nèi)相關(guān)廠家技術(shù)交流，摸索修復(fù)和國產(chǎn)化辦法解決該問題。

1 高溫高壓蒸汽安全閥腐蝕失效分析

對多個失效高溫高壓安全閥后進(jìn)行解剖分析發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)的典型故障為密封面腐蝕、沖蝕或硬質(zhì)合金層開裂導(dǎo)致的泄漏。將腐蝕零部件委托給專業(yè)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行失效分析，失效原因主要是密封面硬質(zhì)合金材質(zhì)經(jīng)過長期使用受到介質(zhì)溫度波動和出口管道有凝結(jié)水等因素影響，產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致硬質(zhì)合金開裂損壞。致使主密封高溫蒸汽泄漏后造成彈簧在蒸汽環(huán)境中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，彈簧斷裂后使安全閥突然失效，產(chǎn)生大幅波動，對正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。

1.1 密封面損壞磨損及修復(fù)

如果是星狀的點(diǎn)蝕，用D547，D547Mo類不銹鋼焊條點(diǎn)焊修復(fù)后，再進(jìn)行研磨。如果密封面硬質(zhì)合金層開裂或連續(xù)大塊缺陷，則委托專業(yè)廠家修復(fù)，將硬質(zhì)合金層車削后，預(yù)熱后堆焊鈷基類硬質(zhì)合金層，堆焊至少3 mm，經(jīng)過粗研和精研后上線投用。在初期情況尚可，但其中部分安全閥使用一年左右時間，密封面就又發(fā)生了蒸汽泄漏，需要再次維修。分析原因主要是由于進(jìn)口閥門大多采用彈性(撓性)閥瓣結(jié)構(gòu)，即熱閥瓣結(jié)構(gòu)。閥芯和閥瓣的尺寸、材料選配經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計，熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)，工作狀態(tài)不能發(fā)生相對位移，這種帶彈性密封面的密封結(jié)構(gòu)適用于閥座和閥瓣有可能發(fā)生熱變形的場合。當(dāng)高溫介質(zhì)被節(jié)流，節(jié)流的蒸汽使密封面冷卻，在密封面材料中造成溫度梯度，從而引起密封面的翹曲，節(jié)流時的冷卻程度取決于介質(zhì)的種類及其初始參數(shù)，對于飽和蒸汽，工作壓力為17.0 MPa時溫度可能降低至230 ℃，這將導(dǎo)致密封面翹曲和侵蝕，從而造成修復(fù)后的閥芯閥瓣很難達(dá)到原始設(shè)計要求，特別是原始設(shè)計資料散失或出口廠家不提供，較難修復(fù)成進(jìn)口閥門原始狀態(tài)[1]。

1.2 彈簧失效及措施

彈簧載荷式安全閥的工作原理是通過彈簧座把作用力傳遞給閥桿，閥桿再把彈力傳遞到閥瓣上。為保證安全閥的可靠運(yùn)行，必須保證彈簧力能平穩(wěn)地傳遞到閥瓣上，但高溫高壓安全閥長期工作在苛刻環(huán)境，彈簧的力學(xué)性能會降低且出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，彈簧力減小，導(dǎo)致安全閥密封力不足產(chǎn)生內(nèi)漏，甚至提前起跳。故應(yīng)適時更新彈簧，進(jìn)行壽命管理，為了防止彈簧松弛，在設(shè)計計算時取較低的許用應(yīng)力值，制造時進(jìn)行強(qiáng)壓處理，彈簧材質(zhì)至少采用高鉻鎳合金鋼制造，并采用高溫涂料處理等。

1.3 安全閥組件的安裝要求

閥瓣的導(dǎo)向套與閥體的連接是非剛性的，并且不接觸熱的介質(zhì)，但在高溫環(huán)境下因膨脹系數(shù)不同容易卡澀，導(dǎo)致安全閥失效。為了防止閥瓣在導(dǎo)向套中被卡住，就必須按工作溫度的不同，在閥瓣和導(dǎo)向套之間確保一定的間隙，該間隙控制難度大，檢修成功率不高。

2 國產(chǎn)化改造工作

綜合考慮成本、維修和使用效果等多方面因素，從2017年開始在1號乙烯裂解爐汽包高溫高壓安全閥上進(jìn)行了國產(chǎn)化改造，該安全閥的具體工況見表1。

表1 該安全閥的具體工況

2.1 安全閥定徑技術(shù)選擇

安全閥的定徑根據(jù)API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《泄壓閥裝置的尺寸計算和選擇》，蒸汽的定徑公式如下：

式中：A為所需的有效排放面積，mm2;W為所需泄放量，kg/h;Pdr為額定排放壓力(該壓力等于整定壓力加上允許超過壓力，再加上大氣壓，MPa);Kdr為額定排量系數(shù)，取0.869;Kb為排量的背壓修正系數(shù)，對于常規(guī)式安全閥，處于臨界流動時，取1.0;Kc為裝爆破片時的聯(lián)合修正系數(shù)，當(dāng)不安裝爆破片時，取1.0;KN為Napier公式的修正系數(shù)，根據(jù)計算取1.027;KSH為過熱蒸汽修正系數(shù)，取1。

計算得到所需的有效排放面積為269.82 mm2，選擇“G”喉徑，對應(yīng)的排放面積為380.13 mm2。

2.2 高溫高壓安全閥的結(jié)構(gòu)選擇

根據(jù)ASME第Ⅰ卷《動力鍋爐建造規(guī)則》要求，該安全閥應(yīng)滿足：超過壓力≤3%Ps，啟閉壓差≤4%Ps。密封性能應(yīng)滿足在96%Ps下進(jìn)行密封性試驗(yàn)，無可見及可聽見的泄漏。同時，閥門應(yīng)當(dāng)具有良好的動作性能，運(yùn)行過程中無顫振、卡阻現(xiàn)象。這一工況要求高于常規(guī)安全閥工況要求，對閥門的結(jié)構(gòu)提出特殊要求：(1)采用彈性熱閥瓣結(jié)構(gòu)，以提高其在高溫高壓蒸汽工況下的密封性能。(2)具有多重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保證閥門性能可調(diào)，滿足性能指標(biāo)要求。(3)導(dǎo)向件的結(jié)構(gòu)、工藝應(yīng)保證閥門對中性良好，彈簧力傳遞平穩(wěn)，無卡阻現(xiàn)象。(4)閥門的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用敞開式結(jié)構(gòu)，減小高溫對彈簧和其他重要零部件的影響。

2.3 彈性熱閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前閥瓣的結(jié)構(gòu)形式主要分為剛性閥瓣和彈性閥瓣兩種，具體結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 剛性閥瓣結(jié)構(gòu)

圖2 彈性閥瓣結(jié)構(gòu)

對于剛性閥瓣密封結(jié)構(gòu)，在閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時，閥瓣內(nèi)部長期與高溫介質(zhì)接觸，外部與閥體腔體內(nèi)空氣接觸，由于溫度差的存在，導(dǎo)致閥瓣密封面極易因?yàn)闊嶙冃味l(fā)生翹曲，從而產(chǎn)生泄漏。同時當(dāng)閥門工作壓力與開啟壓力比較接近時，作用于閥瓣密封面上的密封比壓較小，介質(zhì)也會容易發(fā)生泄漏。

而彈性熱閥瓣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計使密封面上溫度分布均勻，減少了因密封面熱變形而帶來的泄漏風(fēng)險，同時當(dāng)閥門工作壓力與開啟壓力比較接近時，密封面會發(fā)生輕微“踮腳”現(xiàn)象，密封接觸面積會適當(dāng)減小，以保證密封比壓，提升密封效果。

但是，彈性閥瓣的密封唇在閥門回座時會承受很大沖擊作用，產(chǎn)生較大應(yīng)力，設(shè)計時需要引起足夠重視。應(yīng)對密封唇處最大應(yīng)力進(jìn)行校核，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。利用ANSYS有限元仿真工具對閥瓣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，得到應(yīng)力云圖，如圖3所示。計算結(jié)果表明應(yīng)力最大值為486.83 MPa，約占閥瓣材料Inconel 718屈服極限的47%，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 閥瓣應(yīng)力云圖

2.4 閥座設(shè)計

安全閥閥座長期承受高溫高壓蒸汽作用。閥座作為安全閥中關(guān)鍵承壓件，需要嚴(yán)格保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。按照以下閥座壁厚計算公式對閥座強(qiáng)度進(jìn)行校核。閥座壁厚計算示意圖見圖4。

圖4 閥座壁厚計算示意

同時，閥座的選材應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注材料在高溫下的強(qiáng)度和蠕變性能。為提高閥座密封面的耐熱性、耐磨性和硬度，保證閥門的密封性，在閥座密封面堆焊鈷基合金Stellite1。

2.5 調(diào)節(jié)圈的設(shè)計

采用上下雙調(diào)節(jié)圈結(jié)構(gòu)設(shè)計，見圖5。上調(diào)節(jié)圈用來調(diào)節(jié)全開啟壓力，即排放壓力，下調(diào)節(jié)圈用來調(diào)節(jié)回座壓力，可以精確調(diào)整回座壓力和排放壓力，利用蒸汽流動產(chǎn)生的反力和張力來保證閥門在3%的超壓范圍內(nèi)達(dá)到全排量開啟。同時也能充分利用安全閥進(jìn)口蒸汽提供回座背壓，并可調(diào)節(jié)以達(dá)到啟閉壓差的要求[2]。該種超壓低、啟閉壓差小的特性既可有效保護(hù)系統(tǒng)的安全，又能避免蒸汽過量的泄放，最終降低系統(tǒng)的能量損失。

圖5 雙調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)

2.6 彈簧材質(zhì)的選擇

此次國產(chǎn)化的安全閥彈簧一律選擇高溫合金鋼材料制作，表面涂鍍高溫漆防腐處理。彈簧在繞制后，需進(jìn)行消除塑性變形的立定處理，將彈簧緩慢壓至圈與圈相接觸3～5次。之后，進(jìn)行熱強(qiáng)壓處理，熱強(qiáng)壓處理要保持恒溫，將彈簧壓至并圈負(fù)荷下進(jìn)行熱強(qiáng)壓處理，應(yīng)在210 ℃下保溫24 h以上，以提升彈簧的熱穩(wěn)定性。

2.7 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

改良安全閥結(jié)構(gòu)，保證良好的散熱功能，防止高溫蒸汽對彈簧產(chǎn)生不利影響。對整體安全閥進(jìn)行溫度場仿真，得到溫度場分布,見圖6。仿真結(jié)果表明，改良的結(jié)構(gòu)散熱效果良好,當(dāng)介質(zhì)溫度為500 ℃時，彈簧處溫度小于75 ℃。考慮到安全閥實(shí)際在線狀態(tài)處于常閉，該狀態(tài)下彈簧及內(nèi)件溫度更低。

2.8 試用改進(jìn)情況

2017年底，在1號裂解爐汽包上試用兩臺，但投用半年后，出現(xiàn)安全閥微漏蒸汽的情況，拆檢分析認(rèn)為:泄漏應(yīng)為閥門整體熱應(yīng)力變形量大于彈性閥瓣的彌補(bǔ)能力，造成密封面受力不均和閥瓣密封力不夠所致[3]。為了提高密封可靠性對閥門制造做了如下改進(jìn)：

圖6 安全閥溫度場分布圖

(1)對閥體和閥蓋進(jìn)行兩次人工時效處理，減少鑄造應(yīng)力的影響。

(2) 對堆焊并進(jìn)行粗加工后的閥體組件，在最后的精加工前對閥桿進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。

(3)對出廠安全閥進(jìn)行冷態(tài)及熱態(tài)密封性試驗(yàn),建議泄漏等級提高一級驗(yàn)收。

兩臺經(jīng)過改造的安全閥在2018年底投用，已平穩(wěn)運(yùn)行近一年，國產(chǎn)化工作初見成效。

3 結(jié) 論

(1)目前在用高溫高壓安全閥以進(jìn)口設(shè)備為主，經(jīng)過長周期運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)閥芯缺陷或彈簧應(yīng)力松弛等問題，維修難度大、費(fèi)用高且效果還不理想，所以在安全閥采購前期就要充分交流，在技術(shù)協(xié)議中明確廠家需提供的數(shù)據(jù)資料，為后期的維修提供便利。日常維修也要建立檔案，記錄閥門各配合間隙等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，積累經(jīng)驗(yàn)，才能提高維修的成功率。依托有成熟經(jīng)驗(yàn)、有完善的熱處理和精加工的專業(yè)單位維修，考慮到該維修難度大，可適當(dāng)延長維修質(zhì)保期。

(2) 高溫高壓安全閥安裝的好壞，直接影響安全閥閥芯閥座的密封性能，特別是對高溫工況下的正常運(yùn)行非常重要。高溫高壓安全閥一般每年進(jìn)行一次在線定壓，應(yīng)選擇靈敏度高的定壓設(shè)備，靈敏度低的定壓設(shè)備會使安全閥出現(xiàn)頻跳現(xiàn)象，損壞密封面，導(dǎo)致內(nèi)漏。

(3)近幾年部分閥門廠開展了高溫高壓安全閥國產(chǎn)化工作，但效果不甚理想，考慮該類安全閥的重要性，因此務(wù)必要求國產(chǎn)化廠家應(yīng)具有鍋爐安全閥ASME第Ⅰ章的專業(yè)認(rèn)證。要求安全閥出廠在空氣試驗(yàn)基礎(chǔ)上必須進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，在閥門內(nèi)件選材、閥芯閥座熱處理、密封面精加工和出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等方面盡量提高等級要求，確保可靠性。