滑阀在灵活焦化装置的应用与维护

马建

摘要：灵活焦化工艺，是一种经济高效、连续流化床的成熟技术，加工最劣质原料，如沥青、油浆、油泥等，环境友好，产生的焦粉全密闭输送，无不良气味，不污染环境。生产出高价值的液体产品以及清洁的灵活气，后者可作为炼油厂燃料或用于发电，大幅度减少天然气需求，仅此一项每年可为项目节省生产成本约6亿元。

        灵活焦化装置目前全球仅七套成功投产装置，其各类设备的良好运行直接决定了装置的安全、平稳、长周期运行。其中的特种阀门——滑阀，作为焦粉在管线输送中的控制阀，其工况最苛刻，材质、装配精度要求极高。滑阀的正常运行是整套装置正常生产的关键。

关键词：灵活焦化，滑阀，应用与维护

        滑阀是利用阀芯在密封面上滑动，以改变流通面积的分流阀。因阀门开关力矩大，同时生产的频繁及高精度调整需求，通常设置电液执行机构，进行远程或者就地控制。

一、滑阀的结构与工况

1. 滑阀结构        因国内无任何应用经验，故国内灵活焦化装置滑阀也按照设计要求，采用纯进口设备，滑阀本体主要结构为：阀体、阀座、导轨、阀板、阀杆等，对于介质温度高于350°C的阀体，内壁设隔热耐磨衬里。见图1。

图1    滑阀结构示意图

2. 滑阀工况        灵活焦化装置共计17台滑阀，作为各反应器、容器间焦粉输送的关键控制阀，介质为高温焦粉，颗粒粒径分布于10～200µm，最高设计温度649°C，设计压力1.0 MPa。

二、滑阀的选材与理论失效模式

        滑阀在灵活焦化装置的应用已较成熟，其结构与选材在保证安全可靠性基础上，同时尽可能降低经济成本，内衬、堆焊、喷焊及熔敷的金属加工工艺在滑阀上应用较广。典型的材料使用情况见下表。

表1    滑阀部件材料应用优点

结构名称	材料使用方案	方案优点
阀体	本体采用SA516 Gr.70 碳素钢，内衬高强度耐磨耐火浇注料	衬里材料的使用，可降低本体受压元件的材质等级，经济性高；同时降低了滑阀安装法兰及其密封件的使用温度，大大减低了运行泄漏率
阀板、阀座、导轨	本体采用SA240 TP304H不锈钢，表面对焊Stellite硬质合金	满足高温强度的同时，通过堆焊硬质合金层，来节省此类特种材料的使用，降低成本
阀杆	本体采用SA182 F316H不锈钢，表面喷焊钴50合金	喷焊后阀杆强度大大提高，喷焊层精加工后，表面粗糙度等级高，有利于填料密封可靠性，并延长使用寿命

        通过上述材料及相应的加工工艺选择，理论上，滑阀的主要损伤模式为焦粉高速流通产生的阀内件冲刷磨损，和填料的磨损泄漏。该两种故障，在装置停工检修时，需进行重点拆检，对明显发生损伤的部位，进行备件更换即可。

三、滑阀的实际运行缺陷、故障原因及处理对策

        国内承建的首套灵活焦化自2019年9月建成、开工至今，滑阀整体运行状况良好，主要出现以下几次缺陷。

1. 阀盖泄漏

        问题现象：运行过程中，有2台阀门各出现过一次阀盖泄漏，发现泄漏后，按照规定的螺栓紧固力矩及顺序，及时紧固处理好，见图2。

图2    红圈中为阀盖垫泄漏后结晶物

        分析原因：滑阀安装于焦粉输送管线，管线因焦粉输送流量的变化产生振动，振动传递至阀体，导致螺栓出现预紧力松弛，从而导致垫片泄漏。

        处理对策：制定每周检查计划，对阀盖进行气体泄漏检查，同时每月对螺栓的松动情况进行专项检查，对松弛部位，及时进行定力矩紧固。

2. 阀杆泄漏

        问题现象：运行过程中，有1台阀门出现过一次阀杆滴漏，发现泄漏后，按照规程及时紧固处理好，见图3。

图3    红色箭头为泄漏的介质

        分析原因：滑阀阀位随工艺要求进行调节，阀杆频繁动作，导致石墨材质的填料产生磨损。

        处理对策：对阀杆填料每周进行专项检查，同时每月对填料函进行紧固检查，保证石墨填料充分压紧。

3. 阀门内漏

        问题现象：在装置首次开工运行后1个月，1台阀门出现内漏，滑阀阀位全部关闭后，介质仍然能进行流通，导致上游容器内焦粉料位无法正常控制。对该阀门进行紧急拆检，发现阀板、阀座圈严重磨损，见图4、图5。

 

图4    阀座磨损                                               图5    阀座磨损

        分析原因：磨损部位表明，该磨损发生在阀门阀位全关时，而并非发生于阀板打开焦粉介质流通后。因此判断焦粉颗粒粒径小，可以穿过阀板与阀座的配合间隙。对该部位的焦粉多次采样分析，发现85%以上的颗粒粒径小于150微米，近一半的颗粒粒径小于50微米。详见表2取样分析数据。

表2    该滑阀处理的焦粉介质的粒径分布

阀板与阀座的设计装配间隙为1.5mm，阀板与导轨的装配间隙为1.25mm，已远远大于焦粉颗粒，见图6。实际工况下，考虑到此处介质最高200摄氏度的运行温度，核算该温度下阀内件材质的热膨胀量，该间隙最多减少0.1mm。故最终判断内漏原因为阀板与阀座装配间隙过大。

图6    阀板与阀座装配间隙

        处理对策：因该装配间隙为国外制造厂企业标准，并无国内相应规范可询，且该装配间隙的调小，存在阀板卡涩无法开关、阀杆变形的严重损坏风险。故决定首先将阀内件放置到加热炉内加热至工作温度后，测量热态配合间隙，进而得到必须要保证的最小的冷态安装间隙。

为确保不造成设备的损害，决定逐步试验、每次适当减小该间隙进行约1个月左右的使用验证。通过1年左右的试验，该装配尺寸从最初设计的1.5mm，逐步缩小到1.3mm，0.9mm，0.7mm，最终缩小到约0.3mm。该间隙投用已2年，仍未出现阀门内漏，效果良好。

四、结语

        通过对滑阀4年的运行及检修情况观察及经验总结，做好平时的日常维护是保障滑阀安全运行的关键。在装置生产过程中，制定好对滑阀各部位部件的定期检查维护计划、及检维修规范手册，并严格执行检查维护的每一步工序，是滑阀安全平稳运行一个生产周期的强有力保障。

参考文献：

【1】Rules for Construction of Pressure Vessels. ASTM SEC VIII D1
【2】Welding Procedures GP 18-07-01. ExxonMobil

【3】Refractory Linings for Pressure Vessels and Piping. GP 19-03-02. ExxonMobil