尿素合成塔安全阀频繁起跳原因分析与对策

宋文明，刘嘉琪，何剑华，刘 颖

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司，黑龙江 大庆 163714)



尿素合成塔安全阀频繁起跳原因分析与对策

宋文明，刘嘉琪，何剑华，刘 颖

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司，黑龙江 大庆 163714)

重点从工艺运行、安全阀整定校验、整定压力设定、现场安装及保温情况(安全阀的弹簧、阀瓣、波纹管等主要部件检查情况)等5个方面进行深入分析，得出安全阀频繁起跳的准确结论；提出了重新设计并更换弹簧以增加弹簧刚度、优化设计新型阀瓣以改善阀瓣受力、修复波纹管与分隔板之间的密封面和重新调整安全阀冷态整定压力以提高安全系数共计4项解决方案；同时针对高压安全阀提出了检修过程中增加波纹管气密性检查的要求和办法、增加对弹簧表面渗透检测和防腐检查及对弹簧腔采取强制通风降温措施等方面的预防对策，值得借鉴。

尿素合成塔 安全阀 频繁起跳 原因分析 对策

化肥厂尿素合成塔出气安全阀位于框架7楼，是装置最关键安全阀。该位置共计有3台型号相同的安全阀，规格为DN80，PN26 MPa，整定压力为15.62 MPa。其中有两台是2005年改造时安装的(PSV221/PSV220)；另一台是2008年增加的，3台安全阀均为德国进口。在正常操作的情况下，两台投用，一台在线备用。安全阀操作介质为尿素和甲铵，结构形式为阀体带有蒸汽夹套，弹簧为双弹簧结构，阀腔与弹簧腔由分隔板和波纹管密封隔离开，弹簧腔为全封闭形式，上下留有5 mm的通风孔，阀瓣与弹簧导向杆通过调心滚珠相连。

自2005年改造开工后至2015年，尿素合成塔出气安全阀多次未达整定压力起跳，其中自2012年8月至2014年9月期间起跳达5台次，造成尿素高压系统甚至装置整体异常波动，已成为影响尿素装置安全平稳运行的隐患。

1 原因分析

1.1 工艺方面

安全阀起跳前，装置生产运行平稳，系统压力均没有达到安全阀整定压力，所以与工艺运行无关。

1.2 设备方面

1.2.1 安全阀校验情况

该3台安全阀曾分别在北京和大庆进行多次校验，有多人见证，安全阀校验数值准确可靠。同时在冷态情况下校验，已考虑到实际运行温度1%的整定压力修正系数，即冷态时的整定压力实际值为15.78 MPa和16.06 MPa。所以不存在安全阀整定压力不准的问题。

1.2.2 安全阀整定压力设定方面

经查建厂的原始资料，合成塔出气安全阀整定压力为16.23 MPa；查2005年扩能改造设计资料，该安全阀整定压力设定为15.62 MPa；查合成塔201D设备原始档案，设备设计压力为16.23 MPa 。

设备操作压力为14.50 MPa，安全阀的整定压力执行的是15.62 MPa。由此可知，安全阀的整定压力与工作压力的比值为1.076 7，是符合GB150.1—2011《压力容器》标准要求的。所以，安全阀的整定压力值并不是安全阀起跳的主要原因。但现在的安全阀整定压力与原始建厂时的定压值相比，降低了0.606 MPa，致使安全阀更敏感，尤其是在安全阀受到温度、压力波动冲击时或弹簧产生应力松驰时，更容易误动作而起跳。

1.2.3 安全阀现场安装及保温情况

安全阀现场安装，由人工先抬到电梯内，再运至7楼，最后抬到安装位置，用手动葫芦安装就位，整个过程不存在磕碰问题；

现场阀体有保温，弹簧腔部位无保温。

1.2.4 安全阀本体方面

(1)弹簧。PSV220和PSV221安全阀两次起跳的根本原因就是弹簧断裂。2013年2月28日起跳的PSV220安全阀弹簧表面轻微锈蚀，断口为脆性断裂。2014年9月7日起跳的PSV221大小弹簧断口见图1和图2。

图1 大弹簧断口

图2 小弹簧断口

分析弹簧外观：2015年7月检修期间，将安全阀PSV221拆下后，解体检查发现。两个弹簧上半部分防腐蚀漆基本完好，无锈蚀；自弹簧中部开始至底部，锈蚀越来越严重，底部锈蚀最严重，内部小弹簧比外部大弹簧锈蚀严重，在弹簧座上发现有很多的铁锈碎屑；两个弹簧断裂位置均在第2圈，断口与弹簧轴线呈40°～50°夹角；大弹簧自下而上第4圈表面和小弹簧底部有白色结晶物。分析腐蚀原因主要是由于波纹管密封点泄漏，造成安全阀正常投用和起跳时，蒸汽和甲铵介质分别泄漏进入弹簧腔，造成大小弹簧的腐蚀。

分析弹簧断口：小弹簧断口表面氧化呈锈红色，外观老旧；断口上部可见明显的剪切唇和瞬断区，在右上部和下部可见疲劳条带辉纹，下部边缘颜色相对较暗，应为早期断裂区域，裂纹开始于下部，断口为疲劳断裂形态[1]；大弹簧底部3圈外表局部存在腐蚀凹坑，断口表面锈蚀，下部断口比上部锈蚀重，但都比较新鲜，可以清晰看到开裂始点，源于点蚀缺陷，放射纹由外侧点蚀点开始贯穿整个截面，无塑性变形，断口为脆性断裂形态。

弹簧的使用情况：经查安全阀自2005年以来共有6台安全阀发生了弹簧断裂，其中4台是蒸汽系统安全阀，2台是尿素合成塔出气安全阀，从现场安全阀使用情况分析，该厂家安全阀弹簧可能由于在回火热处理时出现回火脆性[2]。

大小弹簧的表面腐蚀，尤其是点蚀坑的形成主要是由于甲铵等介质腐蚀造成；由小弹簧的断口可知，PSV221安全阀前几次起跳与小弹簧出现裂纹有关；弹簧本身的回火脆性加剧了裂纹的扩展。

(2)阀瓣。2013年PSV220安全阀解体，测量阀瓣整体厚度为16.5 mm，但背部安装调心滚珠部位厚度仅为9 mm；阀瓣密封面内侧局部存在凹坑制造缺陷，深2 mm。

(3)波纹管。2013年7月，检修发现PSV221安全阀波纹管与弹簧分隔板硬密封处泄漏，水蒸汽和甲铵可由此进入弹簧腔。

PSV220和PSV220A以及PSV221起跳主要是由于安全阀的设计和弹簧制造质量存在问题而导致。PSV221安全阀频繁起跳原因主要是由于波纹管泄漏造成的弹簧腐蚀，导致弹簧应力松驰和弹簧断裂而频繁起跳。

2 解决方案

(1)更换3台安全阀弹簧，PSV220于2013年3月更换弹簧，PSV220A和PSV221于2015年7月更换弹簧，并增加弹簧刚度，小弹簧刚度由0.108 kN/mm增加至0.143 kN/mm，大弹簧刚度由0.368 kN/mm增加至0.430 kN/mm。

(2)重新设计阀瓣，增加阀瓣背部安装调心滚珠部位厚度，见图3和图4。

图3 原阀瓣

图4 新设计阀瓣

(3) 修复波纹管与弹簧分隔板之间的密封面。

(4)重新调整安全阀冷态整定压力，综合考虑温度修正[3]系数1%的影响，将起跳值提高至16.40 MPa，符合GB150.1—2011《压力容器》标准要求。

3 预防对策

(1)在安全阀校验过程上，增加波纹管密封点的检查，可以在校验安全阀整定压力时，在出口处对阀腔进行气密试验。

(2) 通过对安全阀弹簧应力分析可知，剪应力最大处位于弹簧顶部和底部第3圈[4]。同时安全阀运行中，应避免频繁起跳，起跳使弹簧前三个弹簧圈首当其冲承受载荷，而不能迅速而有效地载荷传递给其它弹簧圈，容易造成弹簧前三圈的疲劳破坏[5]。所以对于高压安全阀的校验过程中，应增加对弹簧的表面渗透检测项目，重点检查顶部和底部三圈。

(3)每次校验时，检查弹簧并对其进行除锈防腐，防止因弹簧腐蚀而产生的应力松弛。

(4)安全阀弹簧罩的通气孔，应接入空气强制通风降温；同时应做好防雨水流入措施。

4 结 语

通过对尿素合成塔出气安全阀频繁起跳问题的研究，综合对安全阀的工艺运行、整定校验、施工安装、安全阀内件解体检查4个方面深入分析，得出安全阀频繁起跳的准确结论。提出了重新设计弹簧和阀瓣、调整安全阀整定压力的解决方案，运行效果良好；同时提出增加波纹管气密性检查和弹簧表面渗透检测等预防对策，值得借鉴。

[1] 王志文，徐宏，关凯书，等.化工设备失效原理及案例分析[M].上海：华东理工大学出版社，2010：17-24.

[2] 冯砚厅，孙膨，孙涛，等.电站锅炉汽包安全阀弹簧断裂失效分析 [J].热加工工艺，2013，8(42)：227-228.

[3] 李博，王铁楹，张学龄，等.蒸汽安全阀冷态与热态校验整定压力差异探讨[J].中国特种设备安全，2008(6)：40-42.

[4] 张华波.基于SOLIDWORKS的安全阀弹簧的应力分析[J].科技传播，2013(9)：93-94.

[5] 肖惠临.安全阀弹簧失效分析[J].锅炉压力容器的安全技术,2003(6)：34-39.

(编辑 寇岱清)

Cause Analysis of Frequent Take-offs of Safety Valves in Urea Synthesis Tower and Countermeasures

SongWenming,LiuJiaqi,HeJianhua,LiuYing

(PetroChinaDaqingPetrochemicalCompany,Daqing163714,China)

The causes of frequent take-offs of safety valves in urea synthesis tower are analyzed in respect of process operation, calibration and pressure setting of safety valves, on-site installation and insulation (inspections of safety valve spring, valve flap, corrugated pipe and other main components), and the root causes have been found out. 4 solutions are proposed such as re-design and replacement of the spring to increase the spring’s stiffness, optimized design of new disc to improve the disc stress, repair of bellows and a partition between the sealing surface and readjustment of the cold setting pressure of safety valve to improve the safety coefficient; In view of the high-pressure safety valve, the pressure testing of corrugated pipe, permeation testing of spring, corrosion inspection and forced ventilation cooling are recommended as prevention measures. A good reference is provided.

urea synthesis tower, safety valve, frequent take-off, causes, countermeasures

2016-02-03；修改稿收到日期：2016-05-18。

宋文明(1981-)，工程师，2004年毕业于辽宁石油化工大学过程装备与控制工程专业，现为该公司化肥厂机动科静设备主管。E-mai：hfswm@petrochina.com.cn