焦炭塔顶盖机故障分析及防范措施

张塞

（中国石化燕山分公司炼油厂，北京 102500）

关键字：延迟焦化 顶盖机 执行机构 故障分析

1 焦炭塔顶盖机概况

1.1 基本概况

焦炭塔是焦化装置的核心设备，随着装置自动化程度的提高，国内外各大石油公司都逐步采用顶底盖机技术，缩短了焦炭塔的生焦周期，提高了装置的处理能力。但随之也带来了一些新问题，自动顶底盖机事故在国内外均发生过[1]。国外自20世纪90年代以来，陆续开发了多款自动顶底盖机，其技术类型分为两种：一种是采用法兰密封技术，另一种是采用阀门密封技术，以DeltaValve，Z&J 公司为代表，目前在国内外各大石油公司均有应用[2]。2003 年之前焦炭塔上用的是传统人工开启的顶盖机。传统顶盖机采用螺栓连接，开启、关闭次数频繁，手工操作强度大。2003年以后，国内石化设计单位及设备生产厂家，在引进吸收国外技术的基础上，开发了具有自主知识产权的第一种类型的自动顶底盖机[3]。

燕山石化炼油部延迟焦化装置采用DZFC 电动双暗杆闸板阀顶盖机。电动双暗杆闸板阀为矩形闸板阀，通过双轴伸电机驱动两根丝杠实现闸板的开合运动，是一种按钮操作的全密闭、易操作，具有可靠密封性能的全自动设备，安全性好，运行成本低。

1.2 基本结构和原理

DZFC 顶盖机由驱动、阀体部分组成。阀体部分由壳体、封头、闸板、密封座、丝杠等组成。阀体部分质量近4.5 t，其外形为矩形，中间闸板为矩形平板，阀体部分最大外形尺寸为3600×1200×900 mm，结构与普通大口径高温平板闸阀相似，壳体和封头材质为ZG15CrMo，上下压盖材质为15CrMo（锻件），闸板材质为1Cr5Mo（表面渗氮），上下密封环材质为15CrMo（锻件），丝杠材质为316，碟簧材质为GH4169/30W4Cr2V，梯形螺母材质为QA110-4，密封垫、盘根材质为石墨带茵丝，螺栓材质为25Cr2MoVA，螺母材质为35CrMo。

驱动部分主要包括电机（YB3-100L2-3-4），电机通过减速机（K77 AM100 M4 A+B）带动丝杠转动，丝杠与闸板通过梯形螺母联接，从而带动矩形闸板做往复运动来实现开、关。顶盖机设计压力为0.5 MPa，设计温度为500℃，介质为高温油气、水蒸气，密封蒸汽耗量≤100 kg/h，密封蒸汽压力为0.6 MPa，试用塔口直径为φ900 mm，启闭油缸行程为780 mm，开/关阀时间为≤3 min。

闸板阀采用金属硬密封，在开关阀过程中密封力不卸载。在闸板下部设置20组碟簧提供足够的密封力，使密封比压达到相关阀门设计规范所规定的最小密封必须比压，而又不大于金属密封环的滑动闸阀的最大密封比压。密封副能够随着温度的变化自动吸收膨胀与补偿收缩。工作时阀内高温密封环内及阀体两端封头内均通蒸汽，蒸汽压力采用定压控制，压力高于介质压力0.1 MPa 以上，起辅助密封作用。两端封头与阀体采用方法兰连接，密封形式采用双金属自密封波齿垫。

1.3 焦炭塔工艺流程

延迟焦化工艺流程采用一炉两塔配置，加热炉连续进料，焦炭塔并联切换操作。原料油在焦炭塔中发生裂解和缩合反应，裂解产生的轻烃和油气进入分馏塔，缩合产生的焦炭聚集在焦炭塔中，焦炭塔作为焦化装置的反应器需要从常温提升到320℃才具备切换条件[4-5]，当塔中的焦炭聚集到一定的高度时，通过四通阀进行切换，使原料油进入另一个焦炭塔，反应后的焦炭塔又从440℃逐渐降低至80℃才具备水利除焦条件。除焦之前需要冷焦，冷焦的工艺过程一般包括小吹气、大吹气、给水、放水。小吹气是为了把油气吹到分馏塔，大吹气和给水使产生的油气和蒸汽到放空塔，放水使塔顶的溢流水和冷焦结束时塔底水排到冷焦水处理部分，待塔内水排放完后，用人工或者自动顶盖机和底盖机分别打开塔顶和塔底法兰盖，利用高压水进行除焦，除焦完成后封闭焦炭塔顶和底法兰盖，用蒸汽驱赶塔内空气并进行密封性实验等操作，随后对焦炭塔进行预热达到暖塔温度后，切换四通阀使原料油进入该焦炭塔中进行裂解和缩合反应，另一个焦炭塔则进行冷焦、除焦、切焦、暖塔等操作，两个焦炭塔循环交替运行，一般18～24 h进行一次切换焦炭塔的操作，目前焦化装置生焦周期为20 h。

2 故障分析及处理措施

近3 年焦炭塔顶盖机共发生故障4 起，故障部位主要是机械部分和控制部分。2015年11月9日发生减速机轴承磨损故障，主要原因是免维护轴承使用时间较长，轴承进水导致轴承损坏。2017 年9月16日顶盖机限位开关损坏，原因是由于阀杆在运转过程中冲力过大，造成接近开关处弹簧顶弯以及阀体内部接近开关挡板处变形、弯曲、断裂。2017年9月23日和2018年11月6日顶盖机发生无法开启故障。

2.1 故障现象

2017 年9 月23 日和2018 年11 月6 日顶盖机故障类型一致，以最近一次进行失效机理分析。2018年11月6日12时00分，焦炭塔C-2101/A开始除焦，此时顶盖机电机跳。经过检查发现电机继电保护器启动。电机复位后，电机再次跳闸，初步判断可能由于顶盖机驱动铜套发生磨损。将顶盖机阀板压紧螺栓松动，降低压紧力后进行试验，仍然无法动作。12 时25 分，拆卸顶盖机执行机构齿轮，判别东侧和西侧丝杆是否有问题，西边第一个齿轮拆下后，东侧丝杆利用原有电机进行驱动，东侧丝杆的齿轮可以灵活旋转；随后将东侧第一个齿轮拆下后，西侧丝杆利用原有电机进行驱动，西侧丝杆齿轮没有反应。判断可能由于西侧丝杆和铜套发生黏合，影响顶盖机的开启。14时15分，东侧丝杆利用原有电机进行驱动，将西侧丝杆上的齿轮拆掉后利用人工替代，将阀板逐步打开。14 时30分，阀板顶到位，装置开始除焦。15时30分，对顶盖机西侧丝杆进行拆除，丝杆传动铜螺母和丝杆已经黏合在一起。

2.2 故障原因分析

图1 和图2 为2017年9 月23日顶盖机故障现场拆解情况，顶盖机执行机构拆卸后发现，丝杠与铜套磨损严重，丝扣已经全部切掉，铜套失效。

图3 和图4 为2018 年11 月6 日A 塔顶盖机故障现场拆解情况，如图所示，丝杠与铜套磨损黏连在一起，无法动作。

图1 丝杠磨损情况

图2 更换的新铜套

图3 两侧的丝杠图

首先，两次故障均为丝杠与铜套之间运动失效导致。闸板的开关是通过电机转动带动左右丝杆的转动实现。因此，在此过程中应确保左右丝杆的同步动作。否则，闸板左右行驶距离不一致，导致闸板位置卡死，无法移动。而闸板在密封力作用下，两侧丝杆驱动闸板开关时，由于丝杠及铜套加工精度及安装尺寸的偏差，丝杠与螺母副的啮合间隙有0.3 mm，导致阀板在开关过程中，密封座采用浮动密封座，随着阀板进入密封座程度变化（从开到关逐渐增加），受到的总密封力不变，但分解在阀板两侧的力不一样，导致两侧丝杠在闸板开关时行驶距离不一致，同时丝杠在定位套内，随着螺母运行至丝杠远端，因丝杠刚性，会造成闸板在水平方向左右摆动。这些都会导致在顶盖机开关时两侧的丝杆受力不一致，运行一定时间后或突然非正常工作会造成两侧的丝杆螺母副磨损和咬合不一样，使闸板在运行时偏斜着前进、后退。最终导致某一侧螺母受轴向驱动力大，丝杆丝扣和铜螺母丝扣黏合在一起，发生顶盖机故障。针对电机跳闸问题，在闸板移动过程中，到达两处极限位置时，两边的接近开关发出信号，控制闸板的移动，如果此时接近开关出现问题，信号反馈不正常，闸板到达极限位置时，将无法继续移动，而电机仍继续转动，这样就极易导致电机烧坏，出现安全事故。

其次，在顶盖机日常运行过程中，对顶盖机维护不够，定期加油不足，导致丝杠润滑不足和不均。另外，技术管理人员和操作人员对电动双暗杆闸板阀在运行中的实际情况了解不足，没有定期检查各联接部位的紧固情况、各润滑点处是否充分润滑，对顶盖机运转有无异常响声、振动、松动、卡阻等情况没有制定相应预知维修策略，也是顶盖机发生故障的原因[6]。

2.3 防范措施

1）在顶盖机的创新设计上限制水平方向闸板的运动，使左右两侧的丝杆螺母受力一致，保证两侧丝杠运行同步。

2）开盖之前检查丝杠是否干净，关盖之前，需要在丝杠处加油，保证丝杠铜套润滑。同时定期对顶盖机上电机的轴承箱和齿轮箱加油，轴承箱每周加XG/ET2一次，齿轮箱每周加70#齿轮油一次。

3）加强施工维保人员对顶盖机的维护保养能力，提高维保人员的素质，加强监测，制定相应预知维修策略，从而降低故障频率。

4）加强技术管理人员和操作人员对顶盖机的设备结构、运行原理和操作技能的培训，正确处理生产中出现的问题。

采取上述措施后，截止目前顶盖机运行正常，未发生相关故障，保证了焦化装置的长周期运行。

3 结论

“环境友好、清洁生产、最大限度的减少各类排放物”是延迟焦化装置绿色低碳发展的要求和方向。焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备，顶盖机又是焦炭塔的核心设备，顶盖机的正常运行直接关系全装置的安全长周期运行，顶盖机故障泄漏出高温蒸汽、油汽、焦粉和少量有毒气体，对环境和人身健康产生一定的危害，只有保证焦炭塔系统和密闭除焦系统的安全长周期运行，才能从源头上改善延迟焦化装置现场的环境，降低劳动强度，实现清洁生产以及企业绿色低碳发展。