聚乙烯裝置乙烯調節閥損壞原因及解決方法

李亦方

（國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古自治區 包頭 014010）

聚乙烯裝置是某煤化工公司的一個主要的工藝裝置，該裝置于2010 年建成投產。引進美國UNIVATION 公司氣相法聚乙烯專利技術，以乙烯為主要原料，丁烯-1 或己烯-1 為共聚單體，年產30 萬噸聚乙烯（顆粒）樹脂。

1 回路及儀表

反應回路由一個流化床反應器，一臺循環氣壓縮機以及一臺循環氣冷卻器組成，反應器是一個連續返混的反應器。循環氣壓縮機使反應氣通過床層循環，以提供良好返混所需要的攪拌作用，將乙烯原料帶至反應器并帶走反應熱[1]。FV4001-1 是控制新鮮乙烯氣體至反應器的進料閥，這個閥門控制反應器新鮮乙烯氣體進料量。來自界區外新鮮乙烯經質量流量計FT4001-1 和乙烯調節閥FV4001-1 后，在循環氣壓縮機入口前經一個三通與反應器頂部出來的反應氣匯合后，進入循環氣壓縮機入口，通過循環氣壓縮機升壓后，再送入反應器，調節反應器的負荷。

FV4001-1 乙烯進料閥閥門相關信息如下：

介質：來自精致單元新鮮乙烯氣體，口徑6″，壓力等級300LB

閥門類型：套筒調節閥

泄漏等級：Ⅳ級

故障類型：FC

閥前/閥后壓力：2.935MPa/2.275MPa

閥門定位器：西門子6DR5210-0EN00-0AA3

電磁閥：ASCO NF8327B112

2 故障情況描述

2.1 故障前工藝情況

乙烯調節閥故障當天早上，工藝人員按計劃逐步降低聚乙烯反應器負荷，準備清空脫氣倉料位，為擠壓造粒機組停車消缺做準備工作。

2.2 故障現象及描述

擠壓機按計劃正常手動停車，反應器切換到循環流化工況，催化劑停止注入后，再全關乙烯進料閥FV4001-1。工藝操作人員中控手動全關閥門后，發現乙烯流量計FT4001-1 還有數值，懷疑現場閥門沒有全關，立即聯系儀表班組人員和工藝人員共同到現場檢查閥門是否關閉[2]，經確認乙烯進料閥FV4001-1 確實沒有關閉后，安排工藝人員在現場手動關閉調節閥前后的截止閥，阻止新鮮乙烯氣體繼續進入反應器內。

3 故障判斷

儀表人員現場檢查乙烯進料閥動作情況，發現閥門定位器接收的指令為“0”，但是，現場閥門定位器顯示的反饋開度在18%左右，閥桿行程指示刻度也在18%左右。儀表人員對乙烯進料閥進行以下幾個方面的檢查：

3.1 檢查閥門氣路

1）氣密檢查閥門氣源管路及附件，未發現氣源管路及附件的接頭有松動漏氣問題[3]。

2）檢查閥門頂部防雨帽，未發現漏氣。

3）檢查執行機構的膜頭和閥桿O 型圈，未發現漏氣。

3.2 檢查調節閥

1）將閥門定位器氣源出口管斷開，發現閥門行程指示開度在18%左右。

圖1 調節閥閥芯拉傷、局部介質殘留堆積Fig.1 Strain of the regulating valve spool and accumulation of local medium residues

圖2 平衡密封環壓縮磨損、介質堆積結垢Fig.2 Compression wear of the balance seal ring, media accumulation and scaling

2）閥門無手輪，無法手動關閉，將閥門防雨帽拆除，使用0.30MPa 的儀表風從防雨帽處向執行機構膜頭進氣，閥桿向下移動2%左右的行程，還是無法全關。

3）斷開執行機構和閥桿之間的連接塊，閥桿沒有向下移動的跡象[4]。

初步判斷閥腔內有異物卡住，造成閥門無法全關，準備閥門下線維修。

3.3 其他附件檢查

對調節閥其他附件進行檢查，避免未發現其他隱性故障而造成閥門故障等情況發生。

1）檢查閥門定位器正常。

2）檢查空氣過濾減壓閥正常。

3）電磁閥帶電情況下，斷開電磁閥出口氣源管，氣源正常。

4 閥門解體

4.1 檢查執行機構

閥門解體前，先對執行機構進行氣密性檢查，判斷氣缸是否存在竄氣或膜頭漏氣問題，檢查無問題。

圖3 新鮮乙烯氣體進料PID圖Fig.3 PID Diagram of fresh ethylene gas feed

圖4 乙烯氣體通過循環氣壓縮機壓縮后進入反應器Fig.4 Ethylene gas enters the reactor after being compressed by the circulating gas compressor

4.2 檢查閥體

對閥門進行解體[5]，檢查發現以下幾個問題：

1）閥芯導向部位大面積拉傷，并且局部有介質殘留、堆積結垢情況，如圖1。

2）平衡密封環被壓縮磨損，有介質殘留、堆積結垢情況，如圖2。

5 閥門故障原因分析

5.1 閥門故障前運行狀況

聚乙烯裝置反應器正常生產時，新鮮乙烯氣體進料閥FV4001-1 開度保持在40%～60%之間，并且經常保持一個開度不變化，通常在裝置停車或臨時檢修時才會關閉該閥門。日常生產時閥門開度變化較小，大約1%～3%閥位變化，閥門動作順暢未出現過卡滯情況，乙烯流量計測量數值隨著閥門開度變化保持一致。因此，沒有引起工藝和儀表人員的關注。

從精制單元過來的乙烯氣體，到反應器單元時，先經過一個單向閥（止逆閥），再經過乙烯流量計（質量流量計），最后經過乙烯流量調節閥FV4001-1（見圖3）；在循環氣壓縮機入口管線前，通過一個三通與反應器頂部出來的反應氣匯合后，到達循環氣壓縮機入口，循環氣壓縮機將氣體壓縮后，再送入反應器，在反應器內進行聚合反應，如圖4。

5.2 失效分析

5.2.1 主要原因

調節閥閥芯和平衡密封環局部堆積聚乙烯爆聚料，導致閥門卡澀是本次故障的主要原因。當裝置臨時停車檢修，反應器切換到循環模式時，FV4001-1 調節閥雖然關閉，但是循環氣壓縮機一直在運行，用于反應器內的反應氣循環，避免乙烯粉料在反應器內堆積、架橋結塊。

從圖3 和圖4 可以看出，調節閥FV4001-1 與循環氣管線之間沒有單向閥（止逆閥），反應氣（循環氣）里面含有少量的催化劑。在開停工期間，偶爾會出現乙烯進料管線內壓力低于反應氣（循環氣）管線內壓力的情況，在循環氣壓縮機的帶動下，反應氣會反竄到FV4001-1 調節閥所在的管線，乙烯調節閥閥腔內的反應氣在催化劑的作用下會慢慢形成爆聚料。該閥門類型為套筒閥，流通的介質為清潔物料，多年未下線檢查，爆聚料在閥芯導向部位和閥籠間擠壓、摩擦，形成拉傷，爆聚料和閥芯拉傷經過長期的積累，最終導致閥芯卡住，無法關閉[6]。

5.2.2 次要原因

聚乙烯裝置正常生產時，乙烯進料閥FV4001-1 的開度一直保持在40%～60%之間，閥門開度變化在1%～3%之間，生產期間不會執行閥門全開或全關的操作，聚乙烯爆聚物會在閥芯的上部和下部堆積，久而久之越來越多，最終出現閥門無法全關的情況。

6 防范措施及優化

6.1 防范措施

6.1.1 建立維護臺賬

對重要（關鍵）儀表設備建立故障臺賬，記錄儀表設備故障時間、原因及處理方法；結合閥門類型、故障原因、使用（故障）時間等因素，編制預知性檢維修計劃。

6.1.2 預知性維修

1）做好預估判斷，進行預知性維護或維修，避免發生重復性故障或隱患；對類似工況或重要（關鍵）儀表設備先進行“健康”判斷，發現問題提前維護或維修。

2）在反應器停車檢修期間，下線解體檢查相類似閥門[7]，發現問題及時處理（清理聚合物等），確保重要（關鍵）閥門穩定運行，可靠控制，做好基礎工作。

3）根據儀表設備的安裝位置、使用功能、故障影響范圍、聯鎖條件、故障頻率、在線使用年限等多方面考慮，將儀表設備（現場儀表、控制系統、分析儀表）分為A 級、B 級、C 級3 個級別，對分級后的儀表設備進行制度化、標準化管控，同時提高巡檢質量。

a）對A 級設備（A 類機組、關鍵設備）要做到逐臺檢查，要求儀表技術人員和保運班組工程師（班長）對檢修質量和檢修全過程進行監督、檢查、驗收。

b）對B 級設備（有備用設備，但影響裝置生產較大）要做好抽查，要求保運班組工程師和班長對檢修質量和檢修全過程進行監督、檢查、驗收簽字。

c）對C 級設備，要求班長或作業負責人對檢修質量和過程進行監督、檢查、驗收簽字。

6.2 技術優化

1）建議工藝在乙烯進料調節閥和循環氣管線之間增加單向閥（止逆閥），既避免該類故障重復發生，也能提高儀表設備的使用壽命和裝置的安全性。

2）工藝優化開停車過程中的操作方法，避免出現乙烯進料管線內壓力低于反應器內壓力。

3）在反應器停車期間，將乙烯進料閥的后手閥關閉，避免調節閥與反應氣體接觸。

7 調節閥常見故障及解決辦法

7.1 調節閥不動作

原因1：無儀表氣源或儀表氣源壓力，遠低于執行機構最小動作壓力值。

措施：檢查儀表氣源管線是否通暢、氣源球閥是否全部打開，檢查空氣過濾減壓閥氣源壓力設定值是否達到閥門執行機構動作的使用要求。

原因2：有氣源，閥門定位器無信號輸出。

措施：檢查閥門定位器。檢查閥門定位器控制電纜，用萬用表測量控制系統到現場的控制信號4mA ～20mA 是否正常，如不正常或沒有信號，檢查控制系統、控制電纜等接線情況。

原因3：閥門定位器輸出壓力正常，閥門仍不動作。

措施1：檢查氣動執行機構的氣缸是否有嚴重漏氣現象，如果漏氣[8]，及時更換膜片或活塞O 型圈及相關密封件。

措施2：檢查氣動執行機構的氣缸完好不漏氣，則可能是閥芯與閥座、襯套之間卡住，需下線解體閥門，判斷故障原因。

措施3：調節閥附件（放大器、繼動器）故障或設置不對，儀表氣源未正常通過閥門附件進入氣動執行機構，及時調整或更換相關附件。

措施4：閥桿彎曲變形嚴重，解體閥門更換閥桿，更換的閥桿材質不得低于原材質。

措施5：氣源管路泄漏嚴重，處理泄漏點。

7.2 調節閥動作正常，工藝控制參數異常

原因1：調節閥閥桿斷裂。

措施：更換調節閥的閥桿，并測試閥門動作情況。

原因2：調節閥的閥芯脫落。

措施：解體檢查調節閥的閥體，重新安裝閥芯[9]，并測試閥門動作情況。

原因3：調節閥閥芯內有異物堵塞。

措施：解體檢查調節閥的閥體，清理閥芯內異物。

原因4：閥芯與閥桿連接部位發生相對移位，但未脫開。

措施：解體檢查調節閥的閥體，重新安裝閥芯與閥桿的連接，并測試閥門動作情況。

原因5：被控制介質參數超限。

措施：調整工藝系統控制參數在正常工況范圍內。

7.3 調節閥動作遲緩

原因1：填料緊，增大摩擦阻力。

措施1：將閥桿壓蓋填料的壓緊螺母調松后，重復開關閥門，再將閥桿壓蓋填料的壓緊螺母調整至合適力矩。

措施2：如果措施1 效果不好，需重新更換閥桿的填料，再將閥桿壓蓋填料的壓緊螺母調整至合適力矩。

原因2：閥腔內有異物堵塞。

措施：解體檢查調節閥的閥體，清理閥腔內異物，并測試閥門動作情況。

原因3：閥桿填料變質硬化或石墨填料無潤滑油干燥。

措施：更換閥桿的填料。

7.4 調節閥工作時調節波動、無法穩定控制

原因1：儀表氣源壓力波動較大。

措施1：檢查儀表空氣系統運行情況。措施2：更換空氣過濾減壓閥。

措施3：更換閥門定位器。

原因2：儀表氣源壓力或閥門定位器輸出信號壓力穩定，但調節閥工作不穩定。

措施1：氣密檢查儀表氣源管路是否有漏氣現象，發現問題及時整改。

措施2：閥門氣動附件設定不當，調整閥門氣動附件設定參數。

措施3：檢查氣動執行機構的氣密性。檢查氣缸密封是否有漏氣現象，如果存在漏氣應解體更換密封組件；解體檢查膜片或活塞O 型圈是否有傷痕或裂紋，造成漏氣現象，如有漏氣情況，更換相應密封組件。

措施4：檢查氣動執行機構內壓力平衡彈簧是否損壞，檢測每個彈簧是否存在疲勞變形情況，發現異常需更換所有彈簧。

措施5：檢查閥門定位器的反饋桿與閥桿連接部位是否有間隙，重新更換或緊固閥門定位器的反饋桿與閥桿之間的連接件。

措施6：調節閥的執行機構或閥桿摩擦力過大。解體檢查執行機構或閥體[10]，檢查更換異常元件，包括閥芯、閥座、閥桿、密封組件及推桿等元件。

原因3：氣源壓力穩定，信號壓力不穩。

措施1：閥門定位器故障。閥門定位器重新整定，整定后如果還不穩定，更換新閥門定位器。

措施2：更換新閥門定位器后如果還不穩定，檢查PID參數是否異常。

措施3：更換氣源管路上的附件。檢查氣源管路上電磁閥、氣源放大器、轉換器、空氣過濾減壓閥等附件的運行情況，發現問題及時更換。

8 結論

調節閥是化工裝置的重要儀表設備之一，對重要（關鍵）儀表設備建立臺賬，進行分級管控。總結經驗教訓，做好有效地預知性維修，同時，做好日常的巡檢維護及強制保養工作。當儀表設備出現故障時，做好原因分析，制定防范措施及優化手段，可以有效降低儀表設備使用的故障率，保障生產裝置長周期運行。