PSA程控閥運行維護與優化改造研究

魏予都，韓永振

(貴州黔希化工有限責任公司，貴州 黔西 551500)

貴州黔希化工有限責任公司(以下簡稱黔希化工)30萬t/a乙二醇項目由東華工程科技股份有限公司總承包，項目引進國際先進化工技術，綜合能耗低，環保排放符合國家環保政策，屬于國家鼓勵發展的項目，碳氫分離裝置采用的是法國液化空氣工程公司的部分冷凝法專利技術，原料氣生產能力94 000Nm3/h，一氧化碳產品氣量為31 290Nm3/h(純度≥98.5%)。

PSA的專利技術由四川達科特能源科技提供，氫氣產品氣量為61 160.8Nm3/h(純度≥99.9%)。該套工藝關鍵控制系統程控閥由成都某特種設備制造有限公司生產制造。PSA提氫裝置程控閥運行穩定與否制約著該套裝置長周期高效運行。

1 PSA變壓吸附程控閥系統

1.1 程控閥在系統中的作用

程控閥是一種通過氣動、液動等動力方式驅動的二位切斷閥，程控閥與DCS集散控制系統或PLC相連，實現系統程序遠程控制。廣泛應用在制氫、制氮、制氧等變壓吸附氣體分離行業。程控閥是變壓吸附裝置關鍵設備，是保證變壓吸附工序順利完成和系統可靠運行的重要組成部分[1]。

變壓吸附工藝流程由吸附、均壓、順放、逆放、沖洗等步驟組成，每一步工序都是通過順控的控制方式，按照既定程序由程控閥在設定時間開關動作來實現。因而程控閥需要頻繁地啟閉，操作要求和性能均要高于一般通用閥門。

本文探討的程控閥為氣動驅動二位切斷閥程控閥，黔希化工PSA提氫裝置簡單工藝流程為原料氣在換熱器里冷卻，送到氣液分離器中閃蒸分離，頂部氣體為富氫氣，在深冷單元換熱器里復熱至常溫(35℃)后，離開冷箱被送至變壓吸附PSA裝置進行氫氣提純。由于精脫硫裝置出口凈化氣組分大部分由氫氣和一氧化碳組成，因此凈化氣在進入下一裝置前需要經過吸附提純，在整個變壓吸附過程中，通過DCS集散控制系統組態順時控制系統來控制程控閥的開關，從而實現氫氣提純的目的。

PSA變壓吸附提氫裝置控制畫面見圖1。

圖1 PSA變壓吸附提氫裝置控制畫面

1.2 程控閥安裝情況

PSA變壓吸附提氫裝置程控閥共計85臺，其中，DN300程控閥為原料氣進口閥，DN250程控閥為原料氣出口閥。程控閥規格臺數統計見表1。

表1 程控閥規格臺數統計

2 程控閥系統運行狀態與問題分析

2.1 程控閥系統運行狀態

自2018年4月起，黔希化工投產以來，在長期的開試車過程中，該程控閥系統運行很好地滿足了PSA提氫裝置安全系數高、能耗低、回收率高、產品純度高條件下的生產需要，雖曾出現數次微小故障，但未對生產裝置的正常運行產生影響。

但從2019年9月起，隨著主裝置的穩定運行、乙二醇裝置負荷的不斷提高，特別是PSA變壓吸附提氫裝置下游用戶對產品持續優質高純度穩定輸出的要求，因程控閥故障往往需要切塔降負荷運行，已成為影響乙二醇裝置長周期、高負荷、穩定運行的因素之一。

2.2 程控閥故障事件統計

自2018年4月該套程控閥系統運行以來，出現過3次因閥桿斷裂故障切塔檢修的事件。程控閥故障事件統計見表2。

表2 程控閥故障事件統計

2.3 程控閥累計動作頻次數據統計

通過近幾年程控閥故障問題統計，問題主要集中在程控閥的執行機構閥桿上，隨即對程控閥動作周期頻次進行了統計匯總(見表3)。

表3 程控閥動作周期頻次分析(單系列為例)

2.4 程控閥運行故障問題分析

(1)金屬特性疲勞壽命分析。近幾年，程控閥在運行過程中的主要問題依舊在閥門執行機構的閥桿斷裂，于是將解決問題的思路朝著閥桿材質性能考慮，黔希化工程控閥閥桿材質為40Cr鋼，在王弘等[2]發表的《40Cr鋼超高疲勞性能及疲勞斷口分析》，以及在江強等[3]發表的《40Cr 鋼的沖擊疲勞性能及疲勞斷口分析》這兩篇相隔9年的文章中，均可以看出S-N疲勞曲線趨勢一致，再生性及再現性高度復現，可以作為程控閥閥桿疲勞壽命周期頻次運行參數的一項重要參考依據。

在圖2中，40Cr鋼超聲疲勞S-N曲線是通過試驗載荷為軸向拉壓對稱循環載荷，載荷頻率為20 kHz，應力比為R=-1。試驗環境溫度為室溫，超聲疲勞試樣的機械加工工藝要求與常規疲勞試樣相同，中間應力場試驗段經縱向研磨，其表面光潔度達到R=0.32～0.64μm，完全模擬真實工況。通過參考對照圖2，在105周次～1010周次范圍內，S-N曲線顯示40Cr鋼疲勞壽命下降趨勢明顯加快，隨著循環應力周次的增加，其承載強度呈下降趨勢，在這個過程中就會存在出現疲勞斷口的可能，在閥桿表面或近表面材料缺陷處就會形成疲勞源產生疲勞裂紋，循環應力周次增加，疲勞裂紋擴展，直至瞬時裂斷。程控閥閥桿斷裂面見圖3。

圖2 40Cr鋼超聲疲勞S-N曲線

圖3 程控閥閥桿斷裂面

(2)閥桿疲勞斷口發展分析。通過對比《中國鐵道科學》王弘等發表的《40Cr鋼超高疲勞性能及疲勞斷口分析》文中“超聲疲勞斷口SEM像”圖(見圖4)及黔希化工碳氫分離PSA裝置程控閥閥桿斷裂面圖(見圖5)，發現閥桿發生斷裂現象及裂紋斷口實物圖是與曲線圖及SEM像圖相吻合的。

圖4 超聲疲勞斷口SEM像

圖5 閥桿斷面

圖4為σ=±500MPa，N=9.92×106試樣在掃描電鏡下低倍宏觀斷口形貌，該斷口分為疲勞源區及疲勞裂紋擴展區和瞬時間斷裂區。

通過圖5閥桿斷面實物可以看到，疲勞裂紋在近表面應力集中場處萌生，然后呈扇形向閥桿內側擴展，隨著周期應力交變負荷的變化頻次累積，疲勞裂紋擴展區進一步發散，最終會隨著周期應力交變負荷的變化頻次繼續累積產生瞬時斷裂而造成閥桿的斷裂。而此類故障現象多出現在PSA提氫裝置原料氣進出口DN300/DN250等大口徑程控閥，說明該類大口徑、大體積閥在其開關動作過程中所承受的應力負荷要高于其他小口徑程控閥；另一方面，因閥桿制作工藝為棒材加工，在加工過程中會存在缺陷，閥桿構件外形突變處(圓角、切口、溝槽)、表面切痕或者材料內部不均勻性及其缺陷部位，也會由于較大的應力集中，在應力集中場附近長期承載負荷，應力的強度是隨著閥門動作過程克服閥體、閥芯、氣缸活塞等一系列不平衡力而持續變化的，其隨著形成疲勞源產生疲勞裂紋，循環應力周次增加，疲勞裂紋擴展，直至瞬時裂斷(見圖6)。

圖6 三次閥桿斷面位置示意

2.5 程控閥閥桿疲勞失效斷裂原因分析

針對上述問題，經過數據類比分析，認為造成閥桿斷裂的原因主要有以下幾點：①40Cr合金鋼材質特性疲勞壽命原因；②閥桿構件外形突變處應力集中，且應力場存在較強交變負荷；③閥桿構件存在不均勻性缺陷加速了疲勞裂紋的形成；④程控閥執行機構動力源氣源壓力過大，造成閥桿應力場負荷周期性提高，進一步加速了疲勞裂紋的形成；⑤PDN300/DN250規格大口徑程控閥，因其體量較大，其開關動作過程中所承受的應力負荷要高于其他小口徑程控閥，閥桿疲勞源產生時間要早于其他小口徑程控閥；⑥對于4臺用于均壓的程控閥，截至目前已運行頻次超170萬周次，同樣，此類程控閥的閥桿疲勞源產生時間要早于其他程控閥。

3 PSA提氫裝置程控閥系統優化改造探討

3.1 材質選型升級優化

經過大量材質特性資料數據對比，最終決定選擇17-4PH這種馬氏體沉淀硬化型不銹鋼。下面對40Cr與17-4PH兩種鋼材特性進行對比說明。

3.1.140Cr

40Cr是我國GB的標準鋼號，40Cr合金鋼是機械制造業使用較為廣泛的鋼材品類之一。40Cr經過調質處理后具有良好的綜合力學性能、良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。40Cr鋼的淬透性良好，水淬時可淬透到φ28～60mm，油淬時可淬透到φ15～40mm。40Cr經調質并高頻表面淬火后，用于制造具有高表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零部件，比如套筒、軸、主軸、連桿等部件。

3.1.2 17-4PH

17-4PH是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，GB牌號為 0Cr17Ni4Cu4Nb、05Cr17Ni4Cu4Nb，也是工業中使用較為常見的鋼材品類之一。17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼發展較為特殊，是由低碳馬氏體相變強化和時效強化疊加，從而形成的強化效應，這類鋼材是目前研究者非常樂于研究的一類鋼，不僅是因為其擁有馬氏體時效鋼材特性的所有優點，而且還有一般馬氏體不銹鋼所沒有的不銹特性特點，這就擴大了此鋼的應用范圍。17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼更易于調整強度級別，即可通過變動熱處理工藝予以調整。馬氏體相變和時效處理形成沉淀硬化相是其主要強化手段，17-4PH衰減性能好，抗腐蝕疲勞及抗水滴性能強，經過熱處理后，17-4PH所制造零部件產品的機械性能更加完善，可以達到高達1 100～1 300 MPa的耐壓強度[4]。

3.1.3兩種鋼材性能對比

40Cr與17-4PH兩種鋼材性能對比見表4。

表4 40Cr與17-4PH兩種鋼材性能對比

3.1.4選型升級優化結論

通過對比40Cr與17-4PH兩種鋼材特性，不難發現，17-4PH這類鋼材硬度更高，其抗拉伸強度優于40Cr鋼，考慮對DN300/DN250口徑程控閥及動作頻次超106周次型號的程控閥進行閥桿材質升級優化，以更高的耐壓強度、機械性能提高閥桿疲勞壽命。

3.2 閥桿直徑加大升級優化

通過與原閥門廠家溝通技術交流，對大口徑程控閥閥桿直徑進行升級，通過改變應力場承受橫截面積來均衡應力負荷的變化，這樣就能提高程控閥閥桿疲勞壽命，以期達到延長閥桿壽命的效果。閥桿直徑加大示意見圖7。

圖7 閥桿直徑升級示意

3.3 氣動驅動供氣回路改造升級優化

3.3.1氣路現狀

PSA提氫裝置程控閥氣源回路總管由2寸氣源總管引至裝置區中間位置后，分支為1寸氣源管引至各閥組附近，再由分支末端加裝氣源球閥，引φ12mm氣源管，將氣路引至程控閥控制氣源回路的電磁閥，氣源總管壓力為0.7～0.76MPa，程控閥氣動控制啟閉壓力設計為0.4MPa，目前程控閥驅動氣源壓力高于程控閥啟閉壓力0.3～0.36MPa，且單個程控閥進氣壓力不可調節。

3.3.2氣路優化結論

(1)通過試驗法逐步下調氣源壓力，在滿足工藝生產的情況下，由當前的0.76MPa逐步下調至0.5MPa，減緩閥門開、關行程動作沖擊力，降低程控閥在動作周次的閥桿應力負荷，延長閥桿使用壽命。

(2)在氣源回路分支末端增加過濾減壓閥，實現對程控閥個體的驅動壓力精細調節，進一步減緩閥門開、關行程動作沖擊力，降低程控閥在動作周次的閥桿應力負荷，延長閥桿使用壽命。

(3)在控制氣源回路電磁閥的排氣孔增加阻尼裝置，進一步減緩閥門開、關行程動作沖擊力，降低程控閥在動作周次的閥桿應力負荷，延長閥桿使用壽命。

(4)程控閥氣路采用三聯件減壓閥，即空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成的三聯件減壓閥，利用油霧器產生的油霧潤滑程控閥氣缸活塞來降低氣缸活塞阻力，降低不平衡力對閥桿應力負荷的影響，延長閥桿使用壽命。

3.4 設備生命周期優化管理

通過了解程控閥的結構，做預防性維護檢修，隨乙二醇裝置催化劑生命周期定期對程控閥進行密封件檢查更新；設備生命周期優化管理，統計程控閥動作頻次數據，分析機械件生命周期，提前干預維護。

4 結語

經過采取PSA提氫裝置程控閥閥桿材質升級改造、閥桿直徑升級、氣路優化、設備生命周期優化管理等一系列優化措施，截止目前，該系統裝置運行穩定，實現了PSA提氫裝置安全系數高、能耗低、回收率高、產品純度高的性能。