潤(rùn)滑油加氫裝置高壓角閥閥桿抖動(dòng)問題探討

婁 敏

（中國(guó)石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137）

0 引言

潤(rùn)滑油加氫裝置是一套生產(chǎn)高品質(zhì)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的關(guān)鍵裝置，該裝置由工藝可分為加氫裂化反應(yīng)、異構(gòu)脫蠟/后精制反應(yīng)和分餾3個(gè)工序，其中異構(gòu)脫蠟（IDW）系統(tǒng)引進(jìn)美國(guó)雪佛龍公司潤(rùn)滑油分公司異構(gòu)脫蠟專利技術(shù)，工藝包和催化劑。該系統(tǒng)通過來自加氫裂化分餾塔底油作為原料進(jìn)入加氫異構(gòu)脫蠟的原料緩沖罐，之后由異構(gòu)脫蠟反應(yīng)進(jìn)料泵將原料抽出，通過與混合氫混合及反應(yīng)產(chǎn)物換熱，經(jīng)異構(gòu)脫蠟反應(yīng)進(jìn)料加熱爐，進(jìn)入加氫異構(gòu)脫蠟反應(yīng)器發(fā)生異構(gòu)脫蠟反應(yīng)[1]。

裝置中的冷高分、熱高分、高壓泵等部位的高壓差控制閥，即高壓角閥是裝置上非常重要的控制設(shè)備。比如，在異構(gòu)脫蠟反應(yīng)進(jìn)料泵中，控制出口的最小流量線上的控制閥即為一臺(tái)高壓角閥。最小流量線需由該高壓差控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)回流量大小，為的是保護(hù)泵的安全啟動(dòng)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于潤(rùn)滑油加氫裝置的工藝特性及特殊性，工藝介質(zhì)為原料油，壓力高、粘度大，而高壓角閥能夠適用于高粘度，含懸浮物和顆粒狀流體的場(chǎng)合。因此，在反應(yīng)流程上都能看到高壓角閥的身影，并在主要的流程上擔(dān)任重要角色。

1 高壓角閥閥桿抖動(dòng)情況

潤(rùn)滑油加氫裝置異構(gòu)脫蠟反應(yīng)部分的進(jìn)料緩沖罐出口最小流量線的高壓角閥，在使用過程中出現(xiàn)了閥桿上下抖動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致流量無法有效地控制，造成了生產(chǎn)上的波動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的抖動(dòng)情況來看，閥門在開到50%～70%階段的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)閥桿上下抖動(dòng)的現(xiàn)象，抖動(dòng)幅度較大，而閥門在全關(guān)和全開的狀態(tài)下卻能夠使用正常，并未出現(xiàn)上述的抖動(dòng)現(xiàn)象。

2 閥桿抖動(dòng)的幾種可能性

針對(duì)該閥門的抖動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)其各種可能會(huì)發(fā)生的情況進(jìn)行了假設(shè)和分析。從工藝流程方面入手，可以得出三方面的原因：

1）管道里介質(zhì)的壓力過高，閥門的前后壓差過大，造成閥門無法控制介質(zhì)的流速和壓力。

2）閥門的開度保持在小開度范圍內(nèi)，導(dǎo)致介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間處于低流速的狀態(tài)，對(duì)閥芯和閥座進(jìn)行沖刷。

3）管道或者基座振動(dòng)大，使閥桿受到振動(dòng)影響而上下晃動(dòng)。

從儀表自身方面入手，則同樣可以得出三方面原因：

a）氣源壓力不夠，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)受力不足，無法有效調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。

b）閥門定位器反饋桿松動(dòng)，導(dǎo)致閥桿不受控制。

c）閥門自身一些故障導(dǎo)致，比如膜片損壞、彈簧故障等。

3 故障排查過程

3.1 工藝流程方面排查

潤(rùn)滑油加氫裝置該故障高壓角閥為風(fēng)關(guān)閥，管道里的介質(zhì)為原料油，具有一定的粘度。高壓角閥閥前閥后的壓差高，介質(zhì)溫度高，且平時(shí)常處于小開度運(yùn)行。為了探討此次閥桿抖動(dòng)發(fā)生的原因，先從工藝方面的種種因素著手研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況以及相關(guān)資料進(jìn)行討論和分析。表1為該高壓角閥的部分參數(shù)，圖1為其所在的簡(jiǎn)易流程圖。

根據(jù)表1所示的高壓角閥的部分參數(shù)，原設(shè)計(jì)顯示高壓角閥的前后壓差約為16.4MPa。根據(jù)圖1所顯示，高壓角閥處于進(jìn)料緩沖罐出口最小流量線上，即返回線。該流程上通過泵A的入口管流量來調(diào)節(jié)高壓角閥的返回線的流量，從而達(dá)到控制泵A出口壓力。

表1 高壓角閥部分參數(shù)Table 1 Some parameters of high pressure angle valve

圖1 高壓角閥對(duì)應(yīng)的流程圖Fig.1 Flow chart corresponding to the high pressure angle valve

根據(jù)DCS系統(tǒng)上的歷史趨勢(shì)顯示，壓力和流量的數(shù)據(jù)基本維持在17MPa和54t/h。通過與表1數(shù)據(jù)做比較，高壓角閥的前后壓差比原設(shè)計(jì)規(guī)格書的壓差高近1MPa，因此可以得出結(jié)論，工藝流程上介質(zhì)壓力比原來高，現(xiàn)場(chǎng)工藝情況有所變化。該高壓角閥無法滿足于現(xiàn)在的工藝流程條件，無法對(duì)介質(zhì)的流量進(jìn)行有效控制。

高壓角閥在正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常維持在高壓力的狀態(tài)下運(yùn)行，并且是保持著小開度工作。該閥門長(zhǎng)時(shí)間的開度處于20%，有時(shí)候甚至小于20%。如果閥門長(zhǎng)時(shí)間處于小開度運(yùn)行，容易造成介質(zhì)劇烈的壓力及流速的變化，會(huì)對(duì)閥門的閥芯、閥座等產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，以至于影響其壽命以及使用性能，容易造成阻塞流。按原設(shè)計(jì)考慮，假設(shè)高壓角閥前后壓差為ΔP=18.4-2=16.2MPa，則一些相關(guān)公式如下所示[2]。

式（1）、式（2）中：FF為液體臨界壓力比系數(shù)；P1為閥前壓力；ΔP′為流態(tài)壓力；PV為蒸汽壓力；PC為熱力學(xué)臨界壓力。

根據(jù)上述公式可得：ΔP-ΔP′=16.2-14.6=1.6MPa。當(dāng)ΔP-ΔP′≥0時(shí)，則說明會(huì)出現(xiàn)阻塞流。由此可以確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況在閥門前后壓差比原設(shè)計(jì)高的條件下，出現(xiàn)阻塞流的情況更明顯。

閥門小開度運(yùn)行容易產(chǎn)生阻塞流，會(huì)使閥門在使用過程中出現(xiàn)閃蒸和空化的現(xiàn)象，導(dǎo)致閥門出口產(chǎn)生紊流，容易使閥門引起震蕩，進(jìn)一步會(huì)引起閥桿抖動(dòng)。閥門開度越小，閃蒸和空化的作用也就越大[3]。

另一方面，進(jìn)料緩沖罐出口管線經(jīng)過泵A后，在所處的流程上受到介質(zhì)對(duì)管道的沖刷以及介質(zhì)對(duì)高壓角閥閥桿和閥芯的沖刷，并且在閥門小流量開度的情況下，也容易出現(xiàn)噪聲，而噪聲的出現(xiàn)伴隨著管道、閥門的喘振，從而導(dǎo)致閥桿抖動(dòng)。引起噪聲的原因一般有3種：渦流擾動(dòng)、壓力擾動(dòng)和結(jié)構(gòu)擾動(dòng)[4]。通過工藝流程及現(xiàn)場(chǎng)勘察，高壓角閥所處流程的管道拐角較多，拐角之間間距短，垂直的管道貼近高壓角閥，管道與一次手閥位置緊湊。這些導(dǎo)致介質(zhì)流速增加，對(duì)管道和閥桿、閥芯的撞擊激烈。在多重?cái)_動(dòng)的共同作用下，進(jìn)一步加強(qiáng)了噪聲，即進(jìn)一步引起了閥門閥桿的抖動(dòng)。

通過以上分析，得出在工藝方流程方面，介質(zhì)的壓力比原設(shè)計(jì)的要高，并且高壓角閥長(zhǎng)時(shí)間處于小開度的狀態(tài)，受到介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間沖刷，閥門性能降低，無法有效控制介質(zhì)壓力和流量；管道周圍拐角較多，布局緊湊，高壓角閥受到噪聲和介質(zhì)擾動(dòng)嚴(yán)重。這些問題導(dǎo)致高壓角閥和管道振動(dòng)，進(jìn)而能夠?qū)е赂邏航情y閥桿出現(xiàn)上下抖動(dòng)的現(xiàn)象。

3.2 儀表設(shè)備方面排查

為了驗(yàn)證上述造成該現(xiàn)象的各種原因，決定先更換一臺(tái)性能和參數(shù)類似的高壓角閥進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其是否仍會(huì)發(fā)生閥桿上下抖動(dòng)的現(xiàn)象。表2為測(cè)試閥門與故障閥門的各部分參數(shù)。從表2中的部分參數(shù)可知，兩臺(tái)閥門的區(qū)別在于測(cè)試閥門的全關(guān)壓力和閥門滿行程所需的推力小于故障閥門，對(duì)于后續(xù)進(jìn)行的測(cè)試影響不大；其他方面的主要參數(shù)，比如故障狀態(tài)等則沒有不同。因此，可以作為測(cè)試閥門用來進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試閥門安裝完畢之后，進(jìn)行全流程測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該閥門在全開和全關(guān)的時(shí)候未發(fā)現(xiàn)閥桿有抖動(dòng)的現(xiàn)象，但是當(dāng)閥門調(diào)節(jié)到50%～70%階段時(shí)閥桿仍然會(huì)抖動(dòng)，結(jié)果與故障閥門的現(xiàn)象類似。由于現(xiàn)象依舊存在，決定從儀表方面的問題查找原因并加以研究和驗(yàn)證。

表2 測(cè)試閥門與故障閥門參數(shù)比較Table 2 Comparison of parameters between the test valve and the faulty valve

3.2.1 儀表氣源方面

對(duì)氣源方面進(jìn)行檢查，圖2為高壓角閥的氣路圖。圖2中，Pa為凈化風(fēng)罐氣源壓力；Pb為減壓后氣源壓力；Pc為閥門定位器輸出到高壓角閥上的氣源壓力。由圖2可知，氣源由凈化風(fēng)罐來，經(jīng)過空氣過濾器減壓，再到閥門定位器，最后輸出到高壓角閥上。經(jīng)確認(rèn)，Pa為0.5MPa，Pb為0.3MPa，Pc為0.16MPa。另一方面，從表1可知，高壓角閥全關(guān)需要的氣源壓力為0.13MPa＜0.16MPa，說明氣源的壓力滿足設(shè)計(jì)要求。從氣源的源頭到閥門的上閥蓋之間進(jìn)行檢查，氣源管線完好，減壓過濾器使用正常，閥門定位器的結(jié)構(gòu)也完好，氣路上并未發(fā)現(xiàn)有漏氣現(xiàn)象。因此得出結(jié)論，氣源的壓力符合要求，排除氣源泄漏或者壓力不足引起的故障。

圖2 高壓角閥氣路圖Fig.2 Air circuit diagram of high pressure angle valve

3.2.2 閥門定位器方面

對(duì)閥門定位器進(jìn)行檢查。檢查閥門定位器的平衡是否到位，反饋桿與閥桿的連接處是否有松動(dòng)，均未發(fā)現(xiàn)故障。更換一臺(tái)新的閥門定位器之后，對(duì)高壓角閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象依舊存在。因此，排除因閥門定位器故障所引起的原因。

3.2.3 高壓角閥自身方面

對(duì)高壓角閥自身進(jìn)行檢查。對(duì)該閥門進(jìn)行解體檢查，螺栓和螺母沒有腐蝕跡象；膜片完好，未發(fā)現(xiàn)有破損痕跡；彈簧外觀完好，未發(fā)現(xiàn)有斷裂痕跡。后續(xù)進(jìn)一步研究彈簧的性能，為了驗(yàn)證彈簧是否存在疲勞的現(xiàn)象，導(dǎo)致其負(fù)荷力不夠。

該高壓角閥的彈簧包含大彈簧和小彈簧。影響彈簧的因素有彈簧壓并負(fù)荷、剛度、切應(yīng)力等[5]。表3為彈簧的部分參數(shù)以及壓并負(fù)荷的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 高壓角閥彈簧的部分參數(shù)及測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Some parameters and test data of high pressure angle valve spring

根據(jù)表3所示，在測(cè)試過程中以壓縮行程為40mm的情況下，小彈簧壓縮行程設(shè)計(jì)負(fù)荷應(yīng)為1200N，實(shí)測(cè)約為1147N；大彈簧行程設(shè)計(jì)負(fù)荷應(yīng)為2300N，實(shí)測(cè)約為2240N。根據(jù)閥門該高壓角閥的彈簧結(jié)構(gòu)看，每大小彈簧為一組，總共4組。因此，當(dāng)閥門行程為40mm時(shí)，彈簧總負(fù)荷應(yīng)為14000N，而實(shí)際測(cè)得約為13548N，少了452N。由此可見，彈簧的現(xiàn)有負(fù)荷已經(jīng)小于原來設(shè)計(jì)的負(fù)荷要求。這說明彈簧出現(xiàn)了疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致負(fù)荷力不足。

對(duì)彈簧的疲勞程度進(jìn)行進(jìn)一步研究，則需要對(duì)彈簧的切應(yīng)力和松弛的穩(wěn)定性進(jìn)行探討。松弛的穩(wěn)定性，一般由松弛率來表示。松弛率越小，代表著彈簧的抗松弛性能越好，閥門運(yùn)行也越穩(wěn)定。一般情況，精密的彈簧的松弛率需要≤5%[6]。相關(guān)公式如下所示。

式（3）中，σ為切應(yīng)力；K為曲度系數(shù)（一般取1）；σ0為設(shè)計(jì)切應(yīng)力；σ1為實(shí)際切應(yīng)力；η為松弛率。根據(jù)切應(yīng)力公式，能夠得出小彈簧的切應(yīng)力σ0=328.42N/mm2，σ1=314.16N/mm2；大彈簧的切應(yīng)力σ0=288.25N/mm2，σ1=280.84N/mm2。根據(jù)松弛率公式，進(jìn)一步得到小彈簧松弛率η≈4.3%，大彈簧松弛率η≈2.5%。

通過數(shù)據(jù)比對(duì)，大彈簧的松弛率小于5%，屬于正常范圍里，說明性能良好，而小彈簧的松弛率則即將達(dá)到5%，處于維護(hù)的邊緣。通過計(jì)算后的松弛率的數(shù)值，正可以說明彈簧的疲勞現(xiàn)象主要出現(xiàn)在小彈簧上，導(dǎo)致負(fù)荷力下降，而進(jìn)一步引起閥桿有上下抖動(dòng)的現(xiàn)象。

為了克服彈簧負(fù)荷力以及切應(yīng)力不足的問題，防止以后介質(zhì)壓力再次升高后，又出現(xiàn)閥門抖動(dòng)的情況，需要增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)輸出能力。因此，需要更換高壓角閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，主要為增加膜片的面積以及增加彈簧的負(fù)荷力。膜片和彈簧的更換，主要是為了增大膜片的接觸面積，增加氣源的壓力，提高彈簧的負(fù)荷力及切應(yīng)力。更換的彈簧的測(cè)試結(jié)果如下：壓縮行程以40mm為計(jì)，小彈簧在閥門全開時(shí)負(fù)荷力為1207N，在閥門全關(guān)時(shí)負(fù)荷力為1970N；大彈簧在閥門全開時(shí)負(fù)荷力為2448N，在閥門全關(guān)時(shí)負(fù)荷力為4180N。通過計(jì)算，高壓角閥行程為40mm，彈簧綜合負(fù)荷力為閥門全開和全關(guān)時(shí)分別為14620N和23372N，大于高壓角閥原設(shè)計(jì)的彈簧負(fù)荷力。

新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)更換完畢之后，對(duì)該高壓角閥在空載和負(fù)載的情況下進(jìn)行再測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：閥門在全關(guān)和全開的狀態(tài)下閥桿不抖動(dòng)，閥門開度處于中間段時(shí)也正常，均未發(fā)生閥桿有抖動(dòng)的現(xiàn)象。

4 故障原因總結(jié)

通過從工藝流程和儀表設(shè)備兩個(gè)方面，對(duì)潤(rùn)滑油加氫高壓角閥閥桿抖動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行了分析、研究和處理，最終得出高壓角閥閥桿抖動(dòng)的現(xiàn)象由多種原因共同作用造成的。工藝方面：由于工況與原來不同，介質(zhì)壓力有所增加，比原先增加約1MPa；高壓角閥的流程處于最小流量線上，開度經(jīng)常處于20%左右，開度過小導(dǎo)致受到介質(zhì)的強(qiáng)烈沖刷，引起介質(zhì)的紊流，造成閥門的喘振；工藝流程上管道、閥門、泵A緊湊，空間布局不合理，受到介質(zhì)壓力強(qiáng)烈沖刷，引起閥門、管道強(qiáng)烈的噪聲和震蕩。儀表設(shè)備方面，表現(xiàn)在高壓角閥的彈簧出現(xiàn)了疲勞現(xiàn)象，小彈簧的松弛率增加，彈簧的負(fù)荷力降低，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出能力不足。

5 結(jié)論

根據(jù)目前得出的結(jié)論，若要避免后續(xù)高壓角閥故障再次發(fā)生，需要對(duì)工藝流程進(jìn)行整體整改，需要減少管道與管道之間的拐角數(shù)量，合理布局管道的走向以及更改高壓角閥的安裝位置，減少介質(zhì)帶來的沖擊。另一方面，對(duì)高壓角閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。目前該高壓角閥的閥芯使用的是三級(jí)降壓模式，若應(yīng)付后續(xù)介質(zhì)壓力再增加，可以把高壓角閥的閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，增加閥芯降壓級(jí)數(shù)，并且升級(jí)為迷宮式的閥芯結(jié)構(gòu)[7]。該結(jié)構(gòu)的閥芯適用于介質(zhì)干凈無顆粒的場(chǎng)合，并且能夠減少紊流，并在擴(kuò)展面積上有較好的速度分布。同時(shí)也能減少噪聲和振動(dòng)，保證閥門的使用性能。