延长S Zorb装置闭锁料斗程控球阀使用寿命的探讨

李政

(中国石化燕山石化公司，北京 102500)

1 工艺流程及程控阀使用情况简介

为了适应保护环境的要求，降低机动车尾气中有害气体的排放，世界各国对发动机燃料的质量都提出了严格的标准，汽油中的烯烃和硫等作为有害物质被严格限制。康菲石油公司开发的S Zorb吸附法(S ZorbSRT)汽油脱硫技术，可将高硫催化裂化(FCC)汽油转化为低硫汽油，具有脱硫率高、抗爆指数损失小、氢气化学消耗低、能耗低的特点，可以将FCC汽油中硫的质量分数直接降低到1×10-5以下，汽油辛烷值损失在1个单位以下，对于1.2 Mt/a的S Zorb装置，当生产超低硫汽油时，与加氢处理相比，年操作费用可节省150万美元，是中国石化汽油产品质量升级的重要措施。

闭锁料斗控制系统(LMS)是S Zorb装置控制的核心，通过它的有效运转，实现吸附剂在反应器和再生器中的正常循环，同时还涉及氢氧环境的隔离和切换，安全要求很高。S Zorb装置有31台闭锁料斗程序控制球阀，均为两位式切断球阀。操作介质有高温油气、氢气、氮气及富含粒度为0～150 μm的吸附剂颗粒，操作工况具有阀门前后压差大和开关频繁等特点，闭锁料斗典型的操作条件见表1所列。基于以上特点，要求该球阀耐磨、耐冲蚀，开关迅速(通常8 s以内)并且切断能力高，隔绝及防泄漏能力强，通常设计要求达最高的Ⅵ级密封标准。

表1 闭锁料斗操作条件

根据表1操作条件，闭锁料斗系统程控球阀选用金属密封，目前某公司2套S Zorb装置在用62台程控球阀有55台为MOGAS进口金属密封球阀。在实际运行过程中，这些球阀故障频发，严重影响吸附剂的正常循环，进而影响产品质量，且这些球阀维修难度大、维修成本高，严重制约装置的长周期运行。降低关键阀门故障率，延长阀门寿命是目前S Zorb装置长周期运行亟待解决的问题。

2 MOGAS金属密封球阀结构特点

2号S Zorb装置闭锁料斗程控球阀，全部采用进口MOGAS公司C系列耐磨球阀，每台由气动执行机构和本体球阀组成结构，如图1所示。该球阀采用双阀座浮动球设计，全金属双向密封；阀体为全锻造阀体，材质有A182-F316和A182-F22两种，前者耐815 ℃高温，后者可承受593 ℃工况[1]；球体、阀座机体材质为410SS，表面采用镀铬，超音速喷涂金属粒子表面处理工艺，经过处理后的球体及阀座表面硬度能达到45～65HRC[3]。球体与阀座全部以手工配对研磨，保证其密封等级达到Ⅵ级。此外，该球阀采用超大球体设计，可得到较宽密封面，防止很小的刮擦造成的泄漏，并可防止意外超行程转动造成的泄漏。阀座锋利边缘具有球体自刮擦和自清洁作用，防止微粒进入密封面导致密封面破坏，造成泄漏。弹簧结构采用碟形，有效防止固体颗粒堆积。填料由3个模压成型的三明治式的组合纯石墨环和2个填充有缠绕丝的石墨抗挤压环两部分组成，密封泄漏量小于500 μg/g。阀杆设计有轴肩，为防飞出压力密封阀杆，压力越大密封越紧。

图1 MOGAS C系列程控耐磨球阀结构示意

3 程控阀故障现象及原因分析

该公司目前有2套S Zorb装置，总结装置建设和维护经验，由安装问题造成的程控球阀故障，一般3个月左右便会暴露。不同部位球阀在使用中因其他原因也出现一些问题，其寿命影响S Zorb装置的平稳生产。2号S Zorb装置2013年10月24日建成投产，截至2014年10月发生故障统计见表2所列。

表2 2号S Zorb装置程控球阀故障统计

续表2

3.1 阀门内漏

阀门内漏是目前影响装置稳定运行的主要故障，S Zorb装置在实现闭锁料斗氢氧环境隔离以及吸附剂循环过程中，充分考虑了阀门内漏的影响，要求阀门零泄漏，同时在每条料腿上设置多台阀门，在工艺上保证了安全。阀门内漏导致安全性能降低、吸附剂损耗增加、程序运行中断、运行时间延长、吸附剂循环不畅，进一步影响加工量和产品质量。

3.1.1喷涂层破坏

在阀球、阀座表层硬化过程中，如果控制不好喷涂工艺，硬化层硬度不够，表层碳化钨硬化层与阀球、阀座基材结合不好，容易发生脱落。球阀频繁启闭，在吸附剂颗粒环境中，阀球与阀座之间吸附剂颗粒刮研不干净，二者之间存在摩擦发热，最终导致阀球或阀座表面硬化层磨损。

3.1.2吸附剂堆积

吸附剂固体颗粒尺寸最大为200～300 μm，最小仅为1 μm，而且在苛刻的介质条件下，聚集在阀球表面，会引起阀门结垢，硬度很高，常规的办法很难将其从阀球表面清理下来，这些聚集物的存在，一方面不能使阀球阀座的密封面很好地接触，导致阀门的内漏，一方面加剧了阀球和阀座的磨损。进口端阀座与阀体之间存在间隙，吸附剂颗粒进入该间隙，如果不能及时带走，便积存在里面，导致碟簧失效，最终阀门密封失效造成泄漏。

3.1.3反向受压

由于闭锁料斗的介质、温度、压力由程序控制，阀门两侧压差大小周期变化，反向压差导致阀门密封性能下降，在压力波动情况下，反向压差大于碟簧的预紧力而使阀门发生泄漏，长时间导致密封面冲刷而失效[2]。

3.1.4工艺因素影响

操作温度低的部位要比温度高的部位球阀磨损严重，如再生器一侧的球阀发生内漏的机会要比反应器一侧的大。如果吸附剂带液，球阀工况变成气、固、液三相，工况更加恶劣，此时磨损更严重。位号XV16，XV17这些部位的球阀，介质内的吸附剂很少，但是磨损却很严重，与温度低、介质带液有很大关系。

3.2 阀门开关超时

长期投用后，由于阀检时间延长，吸附剂的循环时间相应延长，对于提高加工量和产品质量以及生产安全都是不利的。球阀的执行机构为气动执行机构，包括电磁阀、回讯器等电气元件，随着球阀运行周期的延长，这些部件也经常发生故障，导致球阀不动作或开关缓慢，通过在线判断，及时更换电气元件，可以很好地解决该类故障。执行机构靠风压推动打开，靠弹簧复位关闭，由于执行机构动作次数的增加导致弹簧的弹性疲劳，影响了阀门的开关速度。同时，由于阀门开关动作频繁、管线振动等影响，阀体与执行机构半脱开也经常发生。

4 主要对策及建议

鉴于闭锁料斗工艺的特殊性，吸附剂颗粒对球阀的磨损不可避免，在实际运行过程中应做好如下几方面的工作，提高耐磨球阀的使用寿命。

4.1 提高设计、安装、使用维护水平

金属密封球阀作为S Zorb装置关键设备之一，应引起工程设计、施工、使用、维护以及维修各个环节相关人员的足够重视，通过制定符合实际要求的设计、安装和施工规范，以及操作规程、维修策略和规程，实现金属密封球阀的全过程科学管理，有利于提高球阀的使用寿命，降低装置生产成本。

所有闭锁料斗程控球阀标有承压端，图纸以PE 作为标记，承压端与非承压端区别在于承压端有碟簧，对于图纸标记承压端的安装方向同样重要。而球阀的安装方向不一定与介质流动方向一致，也不能仅以两端压力高低做判断，而应考虑球阀两端介质，以吸附剂进入阀球和阀座密封面的可能性最小加以综合考虑。装置在开工阶段，特别是首次开工，务必将管线内焊渣、杂物等清除干净，保持管线干燥无水分。

4.2 改单向密封为双向密封

鉴于双向密封的优点，对原设计结构为单向密封的XV1022阀改造，在低压端阀座与阀体之间增加碟簧，将单向密封变更为双向密封，保证该阀在双向受压工作环境下均能保证密封性能，降低泄漏。双向密封阀体结构如图2所示。

将原阀体按原低压面的结构对高压面进行加工，阀体与法兰连接用石墨金属复合垫片、盘根为一次成型石墨环，石墨金属复合密封垫片具有优异的耐腐蚀性、耐高低温、良好的压缩回弹性、较好的强度等特点，便于安装、拆卸，不易损坏，可防止介质对垫片的侵蚀，提高了耐压耐腐蚀性能。实施过程中，需要多次微调打压面并对改造后的阀门进行打压试验，包括对阀体、气缸的调整，使两面的泄漏量均符合密封要求。

图2 双向密封阀体结构示意

4.3 阀门气路改进

针对程控球阀动作慢的问题，根据执行机构动作的原理，提出了相应的改进措施。由于执行机构动作次数的增加导致弹簧的弹性疲劳，影响了阀门的开关速度，从而影响了闭锁料斗的正常运行。为了弥补弹簧的弹性疲劳造成的输出力减小，现将原有的两位三通电磁阀改为两位五通电磁阀，电磁阀的2路进气分别接入到原弹簧室和原气缸室，改进后的执行机构及气路如图3所示。在阀门关闭的时候，执行机构的推动力由风压和弹簧弹力共同作用，使阀门的动作速度提高，这样就彻底解决了阀门由于弹簧长期使用弹性疲劳输出力降低关闭慢的问题。改造后测试阀门的开关时间为： 阀门开启时4 s，阀门关闭时5 s，完全满足程序对控制球阀的时间按要求。

图3 改进后的执行机构及气路示意

改造后的执行机构在安全角度上也能够满足设计要求：

1)当系统断电时，由于程序设定电磁阀带电程控球阀开启，电磁阀失电程控球阀关闭，所以当系统断电时阀门会处于关闭的安全状态。

2)当系统断风时，阀门无论开或闭，均会经过执行机构的弹簧输出力使阀门回到安全位置。

4.4 做好工艺调整，避免程序的中断

工艺过程对球阀的运行影响很大，程控一旦非正常中断，吸附剂管道温度下降，对球阀运行不利；若球阀关闭顺序不能按照正常程序中断，吸附剂堆积在阀门及管道内，加剧阀门的磨损；通过调整管道上不同阀门开关延时设定值，可以改善下方球阀的工作状况；提高操作温度、增加相关管道伴热，尽量避免吸附剂带液，可以改善球阀的工作环境；通过优化闭锁料斗各步序的时间，改善阀门前后压差，有利于球阀的运行。

4.5 预知维修和强制更换

制订程控球阀预知维修策略，对每台阀门从上线时间到下线时间，故障维修时的监护人、故障类型、故障部位、故障现象、故障处理过程，处理时间等信息均详细记录。在深入了解工艺运行情况和程控球阀运行模式的基础上，与工艺主管人员共同摸索制订程控阀门内漏判断指导手册，具体判断方法见表3所列。

表3 闭锁料斗程控阀内漏判断指南

利用上位机监控将阀门执行机构的运行时间引入上位机，实时监控并记录，通过历史趋势判断故障，实现设备的预知维修。随着气动执行机构动作次数的增加，弹簧的弹性系数有所下降，执行机构故障日益凸显。通过在上位机上增加程控球阀的阀检时间，可以随时记录阀门的开关时间和运行状况，通过趋势记录并加以分析，判断执行机构故障出现的时间，有针对性地进行维修或改造。

因工艺原因，球阀工况无法改变时，一些特定部位阀门作为易损件管理并定期更换。如03阀因安装位置原因，通常3个月需要更换。如果采取定期更换，在阀门磨损初期予以送厂家研磨修理，球阀仍可循环使用，大幅降低了装置维护成本。

4.6 科学建立备件储备

通过清扫、研磨、重新喷涂硬化层或更换内件的办法，及时将替换下来的球阀修复，使其真正达到备用的目的，有的单位定期将怀疑有问题的球阀拆下来清扫修理，也是避免故障扩大化，降低维修难度、降低维修成本的一种策略。此外，尽可能采购同一厂家的程控球阀可以使部分同规格型号的阀通用，降低备用阀门数量。

5 结束语

本文介绍了汽油吸附脱硫装置闭锁料斗系统所用的MOGAS金属密封球阀的特点及结构，总结阀门在运行中常见的球阀表层硬化质量问题，阀球、阀座涂层磨损，阀球上沉积吸附剂焦块，反向受压和开关超时等故障，进行了原因分析。最后提出应对措施，包括提高设计、安装、使用维护水平封方向，对阀门密封改造，做好工艺调整，避免程序的中断，做好备用阀门储备等。