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        • 国产硬密封球阀在催化剂工况使用故障与分析
          发布日期: 2018-11-3

          0 引言

          催化反应通常划分为生物催化和非生物催化2大领域。生物催化是自然界的生物体通过自身体内的生物催化剂——酶的作用来实现的。非生物催化也称为化学催化,又分为均相催化和多相催化(也有称为非均相催化),均相催化指的是催化剂和反应物处于同一相的状态,当催化剂和反应物处于不同相时称为多相催化。在多相催化反应中,催化剂通常为固体。固体催化剂的组成主要包括主催化剂、助催化剂和载体3部分。主催化剂是催化剂的活性成分;助催化剂是催化剂中具有提高主催化剂的活性、选择性,改善催化剂的耐热性、抗毒性、机械强度和寿命等性能的组分;载体是主催化剂物质的支载体,是固体催化剂的重要组成部分,作用在于改变主催化剂的形态结构,对主催化剂起分散和支载作用,增加催化剂的有效表面积、提高机械强度、降低催化剂的造价,常用的有氧化铝、氧化硅、沸石等。

          在存在催化剂颗粒或者粉料的介质中,控制阀门的工况是比较苛刻的,特别是在高温的条件下,由颗粒磨损、粉尘吸附积聚在球面,破碎的颗粒或者粉尘进入密封副间,温度引起的金属变形更会造成控制阀门的诸多故障,最终的故障现象表现为:动作不到位、不动作、泄漏。

          1 石油化工装置上催化剂工况的特点、使用情况及问题分析

          工业催化剂,要求具有足够的与寿命有密切相关的机械强度。成品催化剂往往需要较高的机械强度,这是因为固体催化剂在使用前和使用中会受到催化剂颗粒摩擦、冲击和本身的质量以及由于温变、相变而产生的机械应力,抵抗这种应力的能力,就称为催化剂的机械强度。对于流化床、移动床催化剂来说,机械强度更为重要。而在催化剂的生产过程中,还要经过焙烧过程,焙烧的主要目的,就是要提高催化剂的机械强度。

          在存在催化剂介质的苛刻工况下,使用金属硬密封球阀控制时,就带来了一个矛盾:催化剂的生产中要求产品具有高的机械强度,耐磨损、碰撞和挤压,球阀在开关动作的过程中,密封面不可避免的要与催化剂产生摩擦以及挤压。破碎的催化剂颗粒、细粉就可能进入金属硬密封球阀的密封副、阀杆、轴或者轴套、阀座背腔,造成阀门的内构件变形、磨损、卡阻、抱死,带来球阀操作不动作、内漏严重、关闭不严等故障,影响生产装置的长周期平稳运行。

          本文所提的催化剂,是指固体多相催化剂,应用于石油炼制和石油化工的部分场所;所谓催化剂工况,指的是球形、微球形的催化剂介质,一般的操作情况下,温度比较高,工艺介质中存在易燃易爆物质,对阀门的内漏比较敏感。

          在石油炼制与石油化工行业,催化剂工况介质基本上与此类似,比如催化裂化装置,催化剂粒径主要分布在20120μm,使用过程中的磨损会产生20μm以下的细粉。移动床裂解装置上,使用的是2mm球形催化剂。而在某催化剂生产装置的反应釜催化剂工况,则要压力和温度均高,催化剂细粉颗粒相似。在S-ZORB装置,介质是高压氢气吹送的高硬度的催化剂颗粒,介质温度为440℃,压力为2.8MPa,阀门开关频繁,约20min开关一次;催化剂的成分为氧化铝、氧化硅、氧化锌镍等。

          1.1 在移动床裂解装置上的使用

          某化工企业建设有移动床催化裂解装置,其核心单元为裂解反应器,操作压力0.6MPa,正常情况下的操作温度在520600℃之间,催化剂的置换量为每天1.42t。通过安装在反应器上下端的阀门的打开与关闭,来控制进出反应器的催化剂的量,维持催化剂一个相对稳定的活性,达到一个比较高的目的产品的收率。

          金属硬密封球阀靠近反应器安装,催化剂进口阀门安装在上部,催化剂出口阀门安装在反应器的底部,为确保反应器系统安全,避免油气泄漏导致着火、闪爆等恶性事故的发生,采用了双阀串联的工艺管路结构。在串联阀门的控制时序上,首先打开远离反应器的球阀,待阀门全开信号到来,经过一段时间之后,才能打开靠近反应器的球阀;而在关闭时,首先关闭靠近反应器的球阀,待球阀的全关信号到来,经过一段时间之后,才能执行关闭远离反应器的球阀的操作。这样做的目的是为了避免催化剂颗粒和催化剂粉尘在2台球阀之间积存,减少催化剂与油气长时间、高温接触而结焦或者粘结,造成阀门发生故障的可能性。

          选择的金属硬密封球阀参数为:法兰式安装,DN50PN6.4,材质310S并喷涂耐高温硬质耐磨合金,大于10000次的开关寿命次数。操作温度范围:常温(阀门关闭时)~650℃(最高,阀门打开时);操作压力:1.0MPa;工作介质:含油气的高温催化剂(催化剂为2mm球形颗粒,堆积密度750kg/m3,在使用过程中由于磨损和挤压而破碎,会产生细粉);间歇式工作,每天开关频次20次,零泄漏要求(常温下和工作温度下)。执行机构的配置要求:2位式,低功耗电磁阀控制,双作用带弹簧复位形式的气缸(电磁阀通电阀门打开,电磁阀失电阀门关闭),带位置回讯开关。

          在初步确定阀门的生产厂家后,首先做出1台阀门,进行常温下的阀门耐磨试验检测,使用的介质是2mm的氧化铝瓷球,经过20000次的开关动作之后,使用压缩空气检查阀门的泄漏量,达到了每分钟10个气泡。解体球阀,检查密封面——完整,除有粉尘积聚外,没有明显的磨蚀痕迹。如图1所示。

          1 试验检查后的球阀

          在生产装置开工投产,实际工况使用约1个月,反应器底部的球阀开始出现开关动作不灵活、动作慢、动作不到位甚至完全不动作(给动作信号后1min的时间,阀门还在原位置)的现象;经与生产厂家联系,把球阀气动执行机构的气源压力由0.35MPa提高到0.45MPa,使用性能好转。

          接着又使用了1个月,再一次出现阀门关闭不到位的情况,提高气源压力至最大,继续反复给开关信号,出现从外表看球阀的执行机构动作正常,而工艺操作上反映阀门泄露严重,关闭不住。

          停工检查,发现球阀损坏:球体凹槽处出现崩裂;观察阀杆,在开关2个方向都存在拉伤。如图2、图3所示。

          2 损坏的阀杆

          3 损坏的球体凹槽

          针对该故障情况,与球阀的生产厂家沟通,厂家提出:球体凹槽处出现崩裂系在阀门开启过程中阀杆头部传递的扭矩过大,超过了球体该部位承受的剪切应力所致,并分析原设计计算时,该耐高温硬质合金材料在680℃以下工作状态下承受150NM扭矩是安全的。之所以发生崩裂主要原因如下:原球体材料配方中碳化钨的成份可能略高,导致材料脆性增加,抗扭应力下降;该阀在使用过程中会将催化剂颗粒挤碎,在去年初湖南同类工况使用过程中发现挤碎的催化剂粉末会吸附在球体表面,形成一层致密的粉末层。这会导致球体与阀座之间的摩擦力增加,使阀门执行机构不能正常驱动阀门开启。与上述使用情况相似,可能现场操作人员在阀门卡住的情况下动用了手轮驱动。因为蜗轮蜗杆手轮机构输出力较大,再加上执行机构的弹簧力,使得球体出现崩口。

          针对上述分析,改进和处理方法:调整材料配方,提高球体的韧性;对新的球体和阀座表面做一道特殊表面处理,以避免因催化剂粉末吸附在球体表面而增加阀门扭矩。

          1.2 在连续催化重整装置上的使用

          催化重整,催化剂的金属组分主要是铂,还加入铼、铱或锡等金属组分作助催化剂,以改进催化剂的性能,堆积密度一般在700kg/m3以上。酸性组分为卤素(氟或氯),载体为氧化铝。其中铂构成脱氢活性中心,促进脱氢反应;而酸性组分提供酸性中心,促进裂化、异构化等反应。氧化铝载体的外形是直径为2mm左右的小球,具有较大的比表面和较好的机械强度,使活性组分很好地分散在其表面上。氧化铝载体提高了催化剂的稳定性和机械强度。

          在实际使用中,出现球阀关闭不住的故障情况大约还有30%。从阀体一端的表面看,球面有积尘和尘污。使用工况为2mm直径的球形催化剂和氮气介质、压力0.5MPa、温度≤70℃。出现的故障是球阀关闭不住,大约还有30%。从阀体一端的表面看,球面有催化剂粉尘粘结。使用工况为2mm直径的球形催化剂和氮气介质、压力0.5MPa、温度≤70℃。取下执行机构,使用加力杆扳动阀杆,依旧无法关闭,非常的沉,阻力非常大。把球阀中分法兰打开,检查,球面情况与图1相似。在球面上有催化剂粉尘积聚,密封副之间没有明显的磨损。对内部不做任何处理,安装之后,使用加力杆,可以非常吃力地扳动阀杆,关闭球阀。判断结果是使用过程中挤碎的催化剂粉末,一方面吸附在球体表面,导致球体与阀座之间的摩擦力增加;另外一方面催化剂细粉,进入阀座背腔,使板簧失去补偿作用,更加剧了球体与阀座之间的摩擦力,造成阀门执行机构不能驱动阀门继续关闭。

          1.3 在催化剂生产反应釜上的应用

          30m3的反应釜上,安装有金属硬密封球阀,阀#1:磷酸;阀#2:二乙胺;阀#3:氧化铝固体粉末;阀#4:硅胶物料;阀#5:放料阀。放料阀是总体产物的输出通道,冲刷比其他阀门大。

          二乙胺是强碱性化学物质,磷酸具有粘性,氧化铝细粉非常硬,形成的介质是胶状物质体系,阀门前后压差大,流速高,冲蚀也非常厉害,并且还有酸碱腐蚀。

          出料阀的介质,属于胶状物质体系,在胶状液体中的固体物质含量4050%,粒度在1μm以下,温度200300℃。阀前压力6.0MPa,阀后压力微正压。

          遇到的问题是:阀门的使用时间非常短,基本上在1个月左右。遇到的问题有:阀门开关不动(球抱死之类的状况)、泄露(密封面被破坏,介质细粉吸附粘结在球面,又非常硬,基本上使用1周左右就会严重泄露了)、球裂开(采用陶瓷球阀的情况,大约使用3个月,由于开关阻力增大,阀杆把球拉裂)等故障。

          2 事例图片与简介

          4 球面积聚的脏物

          5 球芯凹槽开裂

          6 球芯凹槽开裂

          7 严重扭曲变形的阀杆

          8 阀座硬质合金剥离

          选型时的一些建议

          在采购之前,谨慎并综合评价不同生产厂家的方案,选择合适的扭矩,避免球阀出现因执行机构扭矩不足而造成无法启闭的故障。比如,同样是DN150PN2.5MPa规格的金属硬密封球阀,有的厂家选择执行机构的扭矩是800Nm,有的厂家选择的是1700Nm,差别很大。

          对于新工艺、新工况,由于介质的特殊性,要做好前期沟通和了解,与生产厂家一起,选择合适的阀门结构形式和耐磨合金材料、耐磨层喷涂方案。一个事例:提供给厂家的阀门规格书显示介质为液体,固体物质含量1020%;而实际的工况是粘稠的胶状介质,固体粉状颗粒含量达50%

          4 给硬密封球阀生产厂家的一些建议

          金属硬密封球阀用于粘稠固液介质,在刮刀结构无法有效地清除球体表面粘结的附着物时,可以借鉴凸轮挠曲阀的形式,开发一种偏心结构的金属硬密封球阀,采用力矩密封的原理,越关越紧,强制密封。

          在设计时,关注阀轴的强度和材料的选用、执行机构的扭矩裕量,以保证在极端的工况条件下也可以正常启闭。执行机构的裕量建议留的大些,要求不小于2倍的计算阀门扭矩为好,特别是在高磅级和高安全级别的位置。

          做好球体基材与硬质合金的选择、阀座硬质合金的喷涂与质量管理,减少脱落和剥离现象的产生。

          生产加工中要严格控制精度,保证阀内件的表面光洁度度与几何公差在设计范围内,避免由于加工精度不合适造成的使用故障。

          在高温工况下使用时,材料的热膨胀在球阀设计时必须认真考虑。如果设计考虑不周,阀门在高温下会由于材料的膨胀而被卡死,不能动作。

          阀座背腔的弹簧,比如圆柱螺旋弹簧、碟形弹簧、板簧及波形弹簧等,在粉料介质工况下,必须慎重地对待物料进入弹簧腔造成的弹簧失效,认真地做好防尘设计。特别是在高温情况下,弹簧腔进入粉尘物料以后,更容易造成球阀的抱死。

          建议各个厂家可以统一阀门开关方向,比如,均为顺时针关阀、逆时针开阀。

          建立产品档案,跟踪阀门的使用、维护、故障、维修等,逐步建立产品数据库,以大数据来提升公司的产品质量与服务。

          结束语

          本文在使用者的角度上,分析使用中遇到的金属硬密封球阀故障的几个代表案例,力图结合工艺情况,提出来一些个人的看法。希望国内的金属硬密封球阀的生产厂家,通过持续地跟踪好分析产品在使用中遇到的故障,不断地完善各自的设计与生产工艺,把产品做强做大,更好的服务于流程工业生产线,打造高端产品的民族品牌,发展各自独具特色的核心技术和核心竞争力,创造出百年企业。

           

           

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