浅析天然气制甲醇装置转化放空阀性能优化

唐强

（海洋石油富岛有限公司电仪技术部，海南 东方 572600）

海洋石油富岛有限公司天然气制甲醇装置(即甲醇二期)转化系统放空阀PV2202 是甲醇二期关键、重要调节阀,控制着转化系统的转化气压力，其运行异常将直接导致装置负荷大幅波动甚至全厂停车。

1 原转化系统放空阀缺陷分析

1.1 工艺流程

天然气经脱硫后进入饱和塔D201 与工艺水饱和，再补充工艺汽提蒸汽，满足预转化所需的水碳比，天然气/蒸汽混合物在混合气加热盘管中加热到575℃，然后进入预转化炉D103，重组分吸热反应后分解成轻组分。预转化炉出口气再与转化炉需要的蒸汽汇合经预转化气预热盘管E302/2&1 加热到630℃，进入顶烧式转化炉F101，在含镍催化剂的作用下发生转化反应，生成含CO、CO2、H2等组成的混合气体。转化气离开转化炉F101 时温度大约为878℃，甲烷含量小于2.36%。转化气中含有大量必须回收的废热。转化气在随后冷却器中将水蒸汽冷凝分离出去，由PV2202 控制转化气压力（超压的转化气送至火炬燃烧）然后进入合成气压缩及合成回路。

1.2 原PV2202 阀门概况

PV2202 阀门原选型为FISHER 品牌GLOBE 阀门（执行机构为气缸）, 型号：NPS 16 Large EUT-2 585C Size 80,阀体材质：CF8M SST，阀芯材质：CF8M with CoCr-A，阀座材质：316 SST with CoCr-A，带平衡笼套(III 降噪/材质为316ENC 镀层，阀笼和阀座螺纹连接并点焊)，阀门规格为：16Inch，ANSI 300 RF，设计正常工况下：阀前压力1.53MPa，阀后0.3MPa，温度168℃，最大流量333057Nm3/h，阀门泄漏等级为IV。数据表如图1 所示。

图1 PV2202 调节阀数据表

PV2202 阀门阀体内部安装结构图如图2 所示。

图2 PV2202 阀体内件结构图

1.3 存在的问题

PV2202 自2010 年投用已来运行了10 多年，随着时间的推移暴露出的缺陷日益增多，特别突出地表现在该阀从2010 年甲醇二期投产以来，一直存在内漏现象，甲醇二期火炬放空量一直较大；联系专业厂家对PV2202进行了在线超声波检测，初步判断阀门内漏。由于阀门前后未安装压力表，压差可能与实际存在偏差，影响内漏精度，但定性分析确实存在内漏情况。阀门泄漏量如下：PV2202 有泄漏，泄漏量为170.5L/min。（对比同口径规格四级密封泄漏为400kPa 试验压力下每分钟泄漏量大约为21 万多毫升。即PV2202 原设计本身就允许存在泄漏，而且泄漏量还比较大），该阀门泄漏量大的问题导致转化系统能耗一直较高，需要减少PV2202 阀门泄漏量来减少转化气消耗，实现了节能降耗的目的。

2 改造方案可行性研究

为了满足装置生产各种生产工况的需要，提升装置效能，仪表专业技术人员经过与有关厂商分析讨论，得出结论有必要对转化系统放空阀PV2202 进行性能优化，提升阀门的使用效能。

转化系统放空管线由于流通量大，一般管线尺寸比较大，同时为了保证密封性，减少转化气的消耗。该处的放空阀大都会使用大尺寸球阀。球阀一般为了保证密封性，一般会使用软密封，由于放空时介质流速高量大，对阀球的冲刷也严重，阀门运行一段时间后就会出现较大的泄漏量。再就是大尺寸球阀使用的执行机构也相对较大，使用时间长了后会导致气缸与阀球转轴磨损，进而会导致阀门动作卡涩无法正常开关、控制。而现在PV2202 选型是一台硬密封（阀门泄漏等级为IV）的GLOBE 阀门，是比较符合现场实际需求的阀门，直行程阀门避免了动作卡涩的隐患，同时硬密封也避免了受介质冲刷的影响（软密封极易受介质冲刷影响而导致密封受损，造成阀门的泄漏量显著上升）。如果将阀门泄漏等级由IV 提升至V，将会极大优化提升阀门性能，保证了泄漏量的极大降低，减少了转化气放空阀泄漏带来的转化气消耗。针对转化系统放空阀PV2202 暴露的问题及实际维护情况（选择直行程GLOBE 阀门，同时阀芯为硬密封的方向是完全符合生产实际需求），初步考虑对该阀门进行更新改造，范围包括：（1）阀门内件改型测绘加工，测绘阀体尺寸，重新设计阀门内件结构并核算V 级密封所需推力的执行器。阀门内件及执行机构需要更换，阀体、阀盖和自动控制部分可利旧；（2）根据目前需求，提供工艺参数重新选用一台同规格阀门，要求泄漏等级为V 级。同时新阀门法兰距需与现场目前使用阀门法兰距保持一致。避免管道动焊；（3）进一步维修（利用装置停车检修时间，将阀门整体送到FISHER 厂家服务中心维修。派专人现场监控，维修后打压试验确保达到五级密封要求）。

经过技术论证及结合装置检修实际情况及相应阀门备件管理和相关阀门厂家的技术服务，决定初步考虑FISHER 公司提出的进一步维修方案。该FISHER 厂家服务中心的技术标准与服务能力能够充分满足提升转化系统放空阀PV2202 性能的需要。

3 阀门性能提升方案介绍

在改造前，我们联系了相关厂家进行了技术交流，提供了几种方案。

（1）阀门内件改型，更换执行机构。测绘阀体尺寸，重新设计阀门内件结构并核算V 级密封所需推力的执行器。阀门内件及执行机构需要更换，阀体、阀盖和自动控制部分可利旧；

（2）更换新阀门提供工艺参数重新选用一台同规格阀门，要求密封等级为V 级。同时，尽量保持新阀门法兰距需与现场目前使用阀门法兰距一致，避免管道动焊。

（3）原厂家Fisher 根据选型计算，现场使用的PV2202 阀门提高气源压力到6kg，对阀内件使用新工艺进行密封面加工处理后，泄漏等级可由IV 达到V 级。同时考虑到此台阀已使用差不多10 多年，会有以下影响。①阀内件可能会变形；②该阀门阀笼表面有镀层，需要确认镀层是否存在损坏；密封环外径与阀笼内壁接触处及密封环内径与阀芯放置密封环凹槽处外径接触处，见图2 中标注28 处，此处有2 个泄漏可能：(a)密封环磨损并失去弹性后，不能有效与阀笼紧密接触或密封环磨损，降低它的密封性能；(b)阀笼内壁有 ENC 镀层，使用时间久会磨损镀层或者介质中存在异物导致镀层脱落，降低阀笼表面光洁度，从而加剧了密封环的磨损，内层脱落还会导致了阀笼与阀芯之间间隙增大，更易造成泄漏；③阀芯和阀座密封处有缺陷（阀座与阀笼是连接在一起的，微小缺陷不易看到）；此阀还存在第三个泄漏途径-阀座上密封环，见图2 中标注6 处，此密封环使用时间长失去弹性，降低密封性能；④阀芯与阀座接触处；阀芯和阀座损坏会造成泄漏，特别对于降噪阀笼，由于它的特殊结构会导致介质中异物不易排出，会损坏阀芯。

厂家建议尽量送到深圳服务中心维修；现场做维修由于工机具以及场地的限制有可能维修后不能达到V 级密封的要求，深圳服务中心具有深度加工研磨阀座阀芯（如果有损坏需要补焊加工），检查阀笼是否有磨损，划伤或镀层脱落损坏的能力；完全按照原厂制造工艺进行退镀、补焊、加工、电镀等处理，阀芯、阀座表面堆焊、镀层、硬化加工。

同时，检查更换密封环等易损件以及打压密封条件可以保证维修升级后的阀门能够达到V 级密封要求。

4 几种性能提升方案的差异

A 方案相对B 方案价格成本上可能会稍有优势，对阀门内件改型测绘加工，更换执行机构；重新设计阀门内件结构并核算V 级密封所需推力的执行器；改造实施相对比更换新阀门价格低一些，但改造效果无法100%保证，而且原阀门不能继续使用就只能报废（报废费用也不低），主要因为通过以往检修得知，PV2202 阀座现场无法拆卸，阀座下密封圈更换不了，只能返厂拆卸。所以，在没有条件可以返厂维修的情况下，无法保障测绘改型后的阀门内件安装后可以满足现场使用要求。

B 方案更换阀门，阀体使用球阀或阀芯带软密封新GLOBE 阀。更换16Inch，ANSI 300 RF 新GLOBE 阀门最少需要60 万元左右、而且软密封阀芯在使用中很容易出现损坏，从而降低阀门泄漏量等级，达不到始终保持V 泄漏量等级的目的；16Inch，ANSI 300 RF 球阀相对价格更高，至少100 万元以上。

C 方案根据该阀的历次检修情况以及与FISHER 厂家进一步沟通来看，将现使用的PV2202 阀门送至具有艾默生过程管理阀门有限公司调节阀（Fisher）标准服务资质及相关授权的阀门服务中心；其深圳服务中心具有按照原厂工艺要求研磨加工阀座阀芯，阀芯、阀座表面堆焊、镀层、硬化加工以及打压密封的条件，通过新工艺对阀内件进行优化改造，返厂处理阀芯、阀座；将执行机构气源压力提高到6kg 等技术手段，来提升阀门泄漏量等级；可以保证维修改造后的阀门能够达到V 级硬密封的最终要求。

5 方案选择实施

通过多方论证交流后，我们选择了C 方案，制订了PV2202 性能提升改造计划，于2021 年甲醇二期大修对该阀门实施了改造：返厂维修处理阀芯、阀座，通过新工艺对阀内件进行优化改造，原阀门阀座、阀芯密封为面密封，泄漏量较大；通过使用专用工具改变其密封面并使用Emerson 阀门目前最近的密封面技术，其原理是利用密封面的不同耐磨合金的的温度膨胀性，当介质温度超过80℃时，密封面由原来的“外径”密封变为“内径”密封，达到活动密封效果（Flex Disc），由于减少了泄漏通道，大大降低了密封面积，减少了泄漏量，显著提升了阀芯、阀座的密封效果；此外，为了抵抗阀门冲蚀，阀芯、阀座做了CoCr(钴基合金）堆焊，该合金具有超强耐磨性以及和316 不锈钢结合不易脱落的特性，此外，由于阀笼长时间冲刷将原镀层已经完全吹损，本次通过ENC 电镀技术不仅解决了镀层脱落问题，并提高了镀层的可靠性。同时，将执行机构的气源压力提高到6kg，让现在使用的调节阀泄漏量等级由IV 提升到V级。改造后的阀门通过装置运行检验泄漏量明显减小，经过检测，改造后的阀门将原泄漏量由870.5L/min 降至23.8mL/min，达到了减少转化气泄漏量大造成的消耗，实现了装置节能降耗的改造目的。

6 结语

转化系统放空阀PV2202 通过检修改造后。运行至今一年多以来，以往装置转化系统转化气漏量大的顽疾彻底得到解决克服，证明改造获得了成功，实现了装置的“安、稳、长、满、优”，获得了显著的经济效益。通过这一改造装置仪表专业获得了更多关于设备维护、使用方面的经验，克服了原始设计参数偏低，选型阀门由于原始设计泄漏量为IV，从而导致泄漏量大的天生缺陷。这次成功改造给仪表专业解决仪表控制阀方面的问题提供了其他的思路。因此，本次改造的成功经验，对相关类似阀门性能提升改进具有一定的参考价值。对于今后如何更好地立足现有设备进行性能提升，解决实际生产中存在的问题或缺陷，我们今后将积累更多的经验，通过合适的改造逐步完善提升仪表设备的性能。