氣化爐合成氣放空調節閥故障處理

賈國華，韓志遠

（1.國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古自治區 包頭 014010；2.北京燕化正邦設備檢修有限公司，內蒙古自治區 包頭 014010）

1 基本情況

1.1 裝置及單元簡介

某煤制烯烴廠氣化爐采用的是GE水煤漿加壓氣化技術，以煤和O2為主要原料，在溫度1300℃、壓力6.5MPa下進行部分氧化反應，生成以CO、H2、CO2為主要成份的合成氣。燃燒反應產生的合成氣沿著下降管進入激冷室水浴后沿上升管經折流板出氣化爐進入洗滌塔，合成氣經洗滌塔水洗除去大部分攜帶的灰份后引入下游變換裝置，洗滌塔合成氣出口還設有一臺放空切斷閥和兩臺放空套筒調節閥。產品規模：生產合成氣（CO＋H2）：53×104m3（標）/h，本項目于2010年投產[1,2]。

洗滌塔出口壓力在氣化裝置開車和停車時，由合成氣放空調節閥自動調節，調節閥位于水洗塔頂合成氣出口放空到火炬的管線上。開車時，通過調節閥逐步升高氣化爐壓力，氣化爐升壓到向變換工段送氣時，閥門由全開到全關，閥前壓力逐漸升高，兩端壓差逐漸加大，全關時閥前壓力達到最高，即氣化爐正常操作壓力，此時要求閥門不能泄漏。

1.2 儀表簡介

如圖1所示，XV112為洗滌塔出口合成氣放空切斷閥，氣化爐開車時XV112為全開狀態，當氣化爐升壓結束各工藝參數調穩運行后，XV112關閉，此時要求閥門密封完好，無泄漏；當氣化爐出現異常壓力大幅波動或停車時，XV112打開，合成氣泄壓放空。

圖1 洗滌塔出口合成氣壓力調節簡易流程圖Fig.1 A simplified flow chart of the pressure adjustment of the syngas at the outlet of the scrubber

PV114A和PV114B為合成氣放空調節閥，合成氣放空調節閥通常采用不同口徑的閥門進行分程調節，以確保壓力調節的精度，維持系統壓力的穩定及避免系統超壓。即在氣化爐升壓時，先緩慢關閉調節閥 PV114A，當調節閥PV114A全關后再緩慢關閉調節閥PV114B，即完成了氣化爐的升壓。當氣化爐泄壓時，首先緩慢打開調節閥PV114B，當調節閥PV114B全開后再緩慢打開調節閥PV114A，即完成了氣化裝置的泄壓。合成氣放空調節要求閥門具有動作可靠、調節穩定、調節性能好、流通能力大、泄漏量低、耐沖蝕、耐腐蝕等特性[4]。

合成氣放空調節閥采用的是Masoneilan的套筒調節閥，PV114A口徑14”，PV114B口徑8”，閥門的最大壓差為7.15MPa，閥芯閥座材質為316L，閥體為WC9，閥門泄漏等級為ANSI CLASS V，閥體壓力等級為600LB。

1.3 環境及其他

洗滌塔出口合成氣介質溫度240℃，壓力6.35MPa，合成氣排放流量157786Nm3/h，正常運行時環境溫度可達60℃，開停車或其他可能放空的情況下振動較大。

表1是洗滌塔出口合成氣技術規格表。從表1中可以看出，洗滌塔出口合成氣是富含H2S的酸性氣體環境，所以在閥門選型中需充分考慮抗硫化物應力腐蝕斷裂（SSC）和應力腐蝕裂紋（SCC）的特性，SSC或者SCC受如下因素影響（所列影響因數來源《油田設備用抗硫化物應力腐蝕斷裂和應力腐蝕裂紋的金屬材料NACE MR 0175》）：包括水相中H+濃度（pH值）、H2S分壓（即H2S濃度與總體絕對壓力之比）、溫度、暴露于酸性環境的時間、蓄電效應、氯化物或者其他氯化物離子的濃度、氧化劑等。

表1 洗滌塔出口合成氣技術規格表Table 1 Technical specifications of synthesis gas at the outlet of scrubber

2 故障描述及處理過程

2.1 故障前工藝情況

故障發生前生產裝置運行正常，工藝參數沒有異常，現場巡檢時可以聽到合成氣內漏的聲音。

2.2 故障現象及描述

合成氣放空調節閥經常會出現內漏、卡澀等故障，對氣化爐開停車及正常運行造成了嚴重影響。

1）氣化爐開車升壓需要緩慢關閉合成氣放空調節閥時，閥門出現卡澀現象。

2）氣化爐停車泄壓需要緩慢打開合成氣放空調節閥時，閥門出現卡澀現象。

3）氣化爐換燒嘴連投過程中需要開關合成氣放空調節閥時，閥門出現卡澀現象。

4）合成氣放空調節閥長期內漏。

圖2 套筒結垢Fig.2 Sleeve fouling

5）環境的長期高溫（定位器處溫度可達60℃）和振動（閥門調整放空時有較大振動）對定位器造成影響，導致合成氣放空調節閥出現無法調節、調節穩定性差等現象。

2.3 故障影響范圍

合成氣放空調節閥經常出現內漏、卡澀等故障，對氣化爐開停車及正常運行造成了嚴重影響。

1）氣化爐開車時，合成氣放空調節閥發生卡澀現象，導致氣化爐無法正常升壓，延緩開車時間，造成合成氣長時間放空損失。如果合成氣放空調節閥徹底卡死，則需要氣化爐停車更換閥門后重新開車，這將會造成更為嚴重的損失。

2）氣化爐停車時，合成氣放空調節閥發生卡澀現象，導致氣化爐無法正常泄壓，延緩停車時間。

3）合成氣放空調節閥長期內漏，導致合成氣泄漏到火炬管網中，造成不必要的浪費和損失。

4）合成氣放空調節閥故障頻繁，維修費用高，使用壽命短。

2.4 儀表及系統處理過程

2.4.1 閥門卡澀故障的在線處理

當氣化爐壓力發生大幅波動或者開停車需要合成氣放空調節閥動作時，合成氣放空調節閥經常出現卡澀故障。當合成氣放空調節閥發生卡澀故障時，工藝人員會通知儀表人員到現場緊急處理。儀表人員帶著工具包，拿著氣源軟管、接頭、扳手等材料和工具趕到現場，進行如下處理：

1）增大執行機構氣路進氣壓力，將定位器手自動模式設置為手動，通過手動來回緩慢動作閥門。如果有效果的話，可以來回反復調整，直到閥門可以開關順暢；如果卡澀嚴重，通過手動調整無明顯效果，則進行第2步。

圖3 套筒沖刷腐蝕Fig.3 Sleeve erosion and corrosion

圖4 套筒腐蝕Fig.4 Sleeve corrosion

2）關閉氣源球閥，把氣源球閥處的接頭和連接執行機構的氣路接頭拆開，使用氣源軟管將氣源支管直接連接到氣缸，用氣源支管的氣源的最大推力來實現對閥門的動作，有時即使用氣源支管的氣源也很難使閥門動作，還需要一邊通氣源，一邊設備人員用大錘來敲擊閥門。通過這種方法大多時候能夠解決問題，但是這樣做，對于儀表人員來說風險還是比較大的。如果卡澀嚴重，閥門突然打開但是關不上，會造成合成氣大量放空，氣化爐壓力保不住跳車；或者閥門關上打不開造成氣化爐壓力升壓過快，增加安全風險。

2.4.2 閥門下線出廠維修

一般情況下，合成氣放空調節閥出現卡澀后，待氣化爐停車具備條件后，將閥門下線出廠維修，出廠后對閥門進行解體，解體后發現套筒和閥芯堆積著厚厚的結垢物，降噪孔被大面積堵塞，閥芯和套筒沖刷腐蝕嚴重，具體故障情況如2圖所示[3]。

具體閥門維修方案如下：

1）結垢故障的處理

閥門解體后，拆卸閥芯，取出套筒。閥芯、套筒、閥腔內堆積了大量的結垢物，用專用工具清垢后，再用細砂紙打磨。

2）沖刷腐蝕故障的處理

對沖刷腐蝕部位進行補焊，車修、研磨達到密封等級。如果內件受損嚴重，無法修復，那么只能更換。例如閥籠：閥籠被沖刷腐蝕，降噪孔多處被沖蝕穿透，因降噪孔內徑只有6mm，且降噪孔壁厚較薄，補焊將有可能導致閥籠變形，無法進行補焊修復，只能更換新的閥籠。

2.5 故障性質

這是一起由于合成氣介質結垢、沖刷、長期腐蝕引起的調節閥無法正常動作的失效故障。

3 故障原因分析

3.1 故障前儀表可靠性評價

氣化爐在正常運行過程中，合成氣放空調節閥處于全關狀態，基本上是不會進行調整的，所以無論是工藝操作人員還是儀表人員都無法發現閥門卡澀的故障。只有在異常工況或現場出現事故泄漏等大的突發事故等情況下，需要退氣降負荷和開停車過程中才會發現卡澀或者卡死的故障。

3.2 失效分析

合成氣放空調節閥經常會出現內漏、卡澀、振動等故障，當氣化爐壓力發生大幅波動或者開停車需要調節閥動作時，閥門經常無法正常動作，無法滿足生產需求。故障原因分析如下：

3.2.1 直接原因

1）閥腔內結垢造成閥門動作卡澀

按調節閥選用原則，套筒式結構調節閥適用介質清潔、不含固體顆粒的場合，而合成氣成分復雜并含有煤灰等顆粒，并且這些顆粒狀物質容易結垢，往往卡在套筒與閥芯間隙中，進而造成調節閥卡死。

2）閥內件腐蝕導致閥門內漏嚴重

閥門的材質選型不合理，未充分考慮實際工況的使用條件。合成氣是富含H2S的酸性環境，所以在閥門選型中需充分考慮抗硫化物應力腐蝕斷裂（SSC）和應力腐蝕裂紋（SCC）的特性。SSC或者SCC受以下因素影響，包括水相中H+濃度（pH值）、H2S分壓（即H2S濃度與總體絕對壓力之比）、溫度、暴露于酸性環境的時間、蓄電效應、氯化物或者其他氯化物離子的濃度、氧化劑等。

3）閥門前后壓差大、介質流速高，造成閥體振動

調節閥閥前壓力為 6.35 MPa、閥后壓力為 0.45 MPa，調節閥關閉差壓為7.15 MPa。調節閥前后壓差大、介質流速高，造成閥體振動。

3.2.2 間接原因

1）XV112內漏，導致調節閥內積液進而造成調節閥內漏

合成氣放空切斷閥XV112閥門口徑18”，閥前壓力為6.35 MPa，關閉差壓為7.15 MPa，閥門前后壓差大，要求執行機構推力較大，所以執行機構尺寸較大。由于安裝空間狹小、下線困難以及維修費用高等問題，長期缺乏維修保養，導致內漏嚴重。在這種情況下，高溫高壓的合成氣泄漏到合成氣放空調節閥的閥腔內形成積液，積液呈高溫酸性液體，長期對閥門形成腐蝕作用，導致合成氣放空調節閥會有不同程度的內漏。

2）熱脹冷縮，導致閥門卡澀

氣化爐開車前，合成氣放空調節閥處于全開狀態，閥門處于冷態工況，氣化爐投料后，合成氣引致放空調節閥處放空。在這個過程中，由于熱脹冷縮的作用，閥門出現卡澀，甚至卡死故障。

3）閥芯與閥座間的結垢物脫落，導致閥門無法完全關閉

氣化爐更換燒嘴連投過程中，合成氣壓力調節閥容易出現卡澀的現象。一般從停車到開車的時間大約是10h左右，分析其原因可能是停爐后閥門在打開時，有固體結垢物脫落，在開車過程中需要閥門關閉時，閥門無法完全關閉。

4）高溫振動對定位器的影響，進而導致閥門無法正常動作

合成氣放空調節閥定位器所處環境溫度可達60℃，長期的高溫對定位器的電路元器件產生影響，從而導致閥門無法正常動作。

振動對定位器的調節性能造成影響，導致合成氣放空調節閥在調節過程中出現波動、調節穩定性差等現象。

3.3 管理原因

1）設備維護保養不到位，未對合成氣放空調節閥進行定期開關測試，未對定位器進行定期溫度監測。

2）設備應急處置不到位，未編制應急處置方案，在閥門出現故障后，不能快速及時的解決，未對每個人做到應知應會。

4 防范措施及建議

4.1 經驗總結

1）由于氣化爐在正常運行過程中合成氣壓力調節閥一直處于關閉狀態，造成合成氣中的雜質淤積在套筒和閥芯之間的間隙內，形成結焦狀物質，進而造成閥芯與套筒粘連卡澀。為了解決這個問題，每半個月對閥門開關動作一次，以保證閥門動作的可靠性。

2）停爐后一天和開車前一天對此閥門再次進行調試確認，以保證開車時閥門的可靠使用。

3）健全設備保養制度，編制應急處置方案，并且進行事故演練，以便緊急情況下出現故障及時處理。

4）對定位器溫度定期監測。

4.2 防范措施

4.2.1 從工藝本身入手

1）由于閥內積液導致閥門腐蝕嚴重，如何解決積液對閥體腐蝕的影響則成為亟待解決的問題。通過與工藝人員溝通，對閥體增加蒸汽伴熱，將積液氣化從而消除積液長期對閥門的影響。此項措施還未實施，待具備條件后完成。

2）對操作工進行教育培訓，完善工藝操作規程，嚴格按照操作規程操作，優化整個系統的環境，保持放空的合成氣較潔凈，避免將閥芯降噪孔堵塞。

4.2.2 從設備本身入手

1）加強對合成氣放空切斷閥的維修保養，恢復其實際應有的功能，從而延長合成氣放空調節閥的使用壽命。

合成氣放空切斷閥選型為單向VI級密封，主要作用是正常運行時完全關閉進而實現系統與火炬管網的完全隔離，以消除合成氣向火炬管網的泄漏而造成的非必要損失，在異常工況時可實現緊急放空。如果合成氣放空切斷閥能夠完全密封沒有內漏，那么高溫高壓的酸性合成氣就不會對合成氣放空調節閥造成這么嚴重的影響，最終會降低合成氣放空調節閥的故障率，延長合成氣放空調節閥的使用壽命。

2）遵照NACE MR 0175規范的要求進行選材

合成氣中含有濕的H2S，而且H2S的分壓較高，閥門、內件和所有與物料接觸的部分應遵照NACE MR 0175選用，材質需要做NACE處理。按照規范要求，嚴格控制閥門材料的硬度，硬度太大，在有H2S的環境中容易造成腐蝕裂紋；合成氣流速高，高速氣流的氣蝕和灰渣顆粒的磨損腐蝕嚴重，閥座采用硬化處理，閥芯采用CA6NM并進行H1150D熱處理（固溶化及時效處理后的材料，獲得在高溫及H2S環境下，較高的強度、韌性和耐腐蝕性），以抵抗高速排放氣中含有的固體顆粒的沖刷腐蝕，此項措施在2016年設備更新的兩臺合成氣壓力放空調節閥中完全實施，并且有很好的效果。

3）對套筒的降噪孔要合理布局，滿足降低噪音的要求，而且降噪孔的直徑不小于6mm，以防止分散的固體顆粒堵塞套筒流道。

4）增加現場閥位反饋信號，幫助操作工更方便、快捷、準確地了解到現場閥門的實際開度位置。

合成氣放空調節閥的原有組態只有輸出指令，沒有閥位反饋信號，所以在操作過程中室內的操作工根本不知道現場閥位的實際位置。在氣化爐開車時，中控顯示閥門開到了100%，可有時現場實際閥門卻是關閉的，等氣化爐投料后，需要調節壓力升壓時，才發現現場閥門是關閉的，給操作工造成了嚴重的誤導。合成氣放空調節閥所用定位器為西門子6DR5220，通過DCS組態可以使用HART協議讀取閥位反饋參數。

5）針對高溫、振動對合成氣放空調節閥定位器的影響，于2013年將其中影響較大的一臺爐的一體式閥門定位器改造成了分體式閥門定位器，改造后運行良好，沒有再出現類似問題。

經過以上措施的實施，合成氣壓力放空調節閥的故障率明顯降低，從原來的每半年維修一次，到現在每一年維修一次，尤其是2016年設備更新的兩臺合成氣放空調節閥（主要是在選材和熱處理方面嚴格遵循了NACE MR 017的要求），從2016年投用到現在只維修過一次，所以通過上述措施的有效防范，在節約維修費用的同時，又保障了安全穩定的生產。

5 知識拓展

究其原因，如何從根本上徹底解決此問題，解決閥門的沖刷腐蝕難題，延長閥門使用壽命，降低閥門的維修成本，顯然已經成為今后工作的重點。

首先，對于閥門來說，在設計、制造階段要求制造商在選材、防腐處理等方面完全按照NACE MR 0175標準執行，這完全沒有問題，可是在使用過程中，難免有沖刷、腐蝕、拉傷的狀況，從而破壞了原有材料。出現這種情況，一般會找框架單位來維修，而框架單位通常的做法是補焊、車修、研磨，在NACE MR 0175標準中對焊接有著嚴格的要求，所以要求閥門框架維修單位嚴格按照此標準執行。

其次，行業內同類企業在這個位置有不同配置方案，如使用高壓偏心旋轉閥+降噪板的方案，高壓偏心旋轉閥實現氣化爐升壓降壓、升降負荷的壓力調節，降噪板可以降低噪聲的影響。高壓偏心旋轉閥的主要優點為：①高壓偏心旋轉閥適用于固體含量高的液固兩相流介質，只有在需要密封時閥芯閥座才會接觸，有效避免了閥芯卡死的故障；②閥體結構簡單，流道通暢，不會造成固體雜質積聚，而且也易于進行硬化防腐處理；③大功率執行機構及高強度的零件設計，也可以保證調節閥有很高的使用壓差。下一步，將對同類企業進行考察，對不同方案進行對比，研究出適用于此工況的最優方案[5,6]。