(中化弘潤石油化工有限公司,山東 濰坊 262500)
某公司2008年建成投產(chǎn)1 Mt/a延遲焦化裝置,該裝置主要以減壓渣油、瀝青等重質(zhì)油為原料,原料經(jīng)加熱爐加熱到495~500℃后進(jìn)入焦炭塔進(jìn)行深度裂化和縮合反應(yīng),生產(chǎn)出干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油和石油焦。延遲焦化工藝普遍設(shè)置A、B共2座焦炭塔,一塔進(jìn)料生焦,一塔除焦吹掃,2座塔交替使用。四通閥位于加熱爐出口到焦炭塔之間的渣油管線上,對焦化油起控制作用,是切換焦炭塔進(jìn)料的核心閥門。為了確保延遲焦化裝置運行可靠,焦炭塔進(jìn)料管線上的四通閥和兩端的隔斷閥均選用進(jìn)口的VALL高溫球閥。在延遲焦化裝置生產(chǎn)運行中,當(dāng)從甩油線切換到A塔時,焦炭塔四通閥多次出現(xiàn)故障,導(dǎo)致延遲焦化裝置停工。
文中分析了四通閥產(chǎn)生故障的原因,并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。
焦炭塔四通閥是由加拿大VELAN INC.公司生產(chǎn)的VALL高溫球閥,由閥體、閥芯 (閥桿與球體)、耦合保護(hù)套、密封閥座、波紋管、導(dǎo)流筒及閥座插件等組成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 四通閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示圖
閥門閥桿與球體為一體鑄件,通過電動執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動閥門球體實現(xiàn)對通流介質(zhì)的通斷控制。四通閥內(nèi)的通流介質(zhì)一般為高溫渣油或者含有焦粉的高溫焦化油氣,故采用蒸汽對閥門內(nèi)部閥腔、閥座波紋管以及填料等部位進(jìn)行吹掃,以防止閥門內(nèi)結(jié)焦。
四通閥上使用電動執(zhí)行機構(gòu),閥門有1個進(jìn)口、3個出口,3個出口分別連接A、B塔的入口和開停工期間的甩油口。四通閥的球體旋轉(zhuǎn)120o,A、B塔分別完成進(jìn)料、生焦、除焦的過程,A、B塔每24 h切換1次,如此反復(fù)。
四通閥本身結(jié)構(gòu)較為特殊,正常工況下A、B塔進(jìn)料線周期性切換操作頻繁,工作溫度較高且易結(jié)焦,而且連接四通閥的管線也較多。2010年停工后對工藝管線進(jìn)行了改造,但每次在A、B塔間切換進(jìn)料時,四通閥必須經(jīng)多次旋轉(zhuǎn)才可以切換成功,電動執(zhí)行機構(gòu)力矩百分?jǐn)?shù)在40%~65%,給生產(chǎn)運行帶來不穩(wěn)定因素。裝置運行9個月后,四通閥電動執(zhí)行機構(gòu)力矩百分?jǐn)?shù)大于90%,進(jìn)料由甩油開工線切換到A塔時四通閥卡澀不動,電動執(zhí)行機構(gòu)過載,裝置被迫停工。
對閥門進(jìn)行拆檢維修,發(fā)現(xiàn)四通閥殼體在管線應(yīng)力作用后有輕微的變形,3個閥口距離閥體的中心距最大偏差值為0.6 mm,波紋管工作壓縮位移為2 mm。
一般情況下,拆卸清洗閥門或更換零件后,通常在四通閥安裝前進(jìn)行預(yù)組裝、水壓測試和空負(fù)荷調(diào)試。為防止密封閥座與閥座插件之間互相接觸而導(dǎo)致卡澀,預(yù)組裝時在3個閥座插件與閥體之間留0.8 mm的間隙,而拆檢前此間隙為0,說明四通閥安裝前調(diào)試的預(yù)留間隙在閥門安裝就位后即消失了。分析認(rèn)為是因與四通閥相連接的管線法蘭直接作用在閥座插件上,使閥座插件與閥體間隙變?yōu)?,進(jìn)而增加了波紋管工作位移量。經(jīng)測量,在波紋管自由狀態(tài)下,密封閥座與閥座插件臺階的距離為2.5 mm(圖2)。在減去波紋管工作位移2 mm后,剩余的0.5 mm間隙就是在閥體變形和預(yù)留間隙為0的情況下消失的。因此,必須保證閥體與閥座插件之間的間隙不小于0.5 mm,否則可能產(chǎn)生密封閥座和閥座插件的接觸相碰,使密封閥座失去彈性將所有外力施加給閥球,導(dǎo)致閥門卡澀。
圖2 密封閥座與插件結(jié)構(gòu)裝配示圖
四通閥的3個波紋管均為U型,波紋數(shù)10,具體結(jié)構(gòu)見圖3。波紋管材質(zhì)Inconel 625是以鉬和鈮為主要強化元素的固溶強化合金。
圖3 四通閥波紋管結(jié)構(gòu)
單層波紋管最大位移計算公式為:
式(1)~式(2)中,Smax為波紋管單波最大位移,δ0為波紋管單層壁厚,a為波厚,D為波紋管外徑,d為波紋管內(nèi)徑,mm;Ka為波深影響系數(shù),Kb為相對波深系數(shù);σs為波紋管材料屈服強度,E為波紋管材料彈性模量,MPa。
波紋管的 D=346 mm、d=316 mm,K=D/d=1.095,小于 JB/T 6169—2006《金屬波紋管》[13]中規(guī)定的最小值,根據(jù)JB/T 6169—2006中表A.2波深系數(shù)數(shù)據(jù)表,按圖4所示相對波深系數(shù)擬合曲線得出Kb=220。
圖4 相對波深系數(shù)擬合曲線
將 δ0=2 mm、a=9.5 mm、D=346 mm、d=316 mm、Kb=220、σs=410 MPa、E=205 MPa 代入式 (1)~式(2),計算可得Smax=0.272 mm。波紋管層數(shù)N=10,總最大位移量即為2.72 mm。
工作狀態(tài)中,在滿足纏繞墊片密封要求的前提下,考慮到閥體結(jié)構(gòu)的變形量,可將波紋管的工作位移量減少0.3 mm,將閥座臺階與閥座插件的間隙增大到2.8 mm。3個閥口的工作位移量平均變?yōu)?.7 mm,既可以避免密封閥座與閥座插件臺階的接觸,又能保證密封效果。
在閥座插件和閥體內(nèi)8個沉頭內(nèi)六方螺栓處加裝8個90 mm×30 mm×1.2 mm的鋼制調(diào)整墊片(圖 5)。
圖5 調(diào)整墊片安裝位置
調(diào)整墊片可以傳遞管線法蘭對閥座插件的壓緊力,使之作用在閥體上,固定閥座插件與閥體的間隙,進(jìn)而保證波紋管工作位移量不發(fā)生變化。在500℃高溫工作狀態(tài)下,閥球受到3個方向的推力而自動定位中心點,保證波紋管、閥座受力均勻,避免因安裝四通閥導(dǎo)致閥座插件卡死。
波紋管工作位移量變小后,為了防止閥體密封的纏繞墊片泄漏,將纏繞墊片厚度從原來的3.2 mm改為3.8 mm,增加的墊片厚度大于改變的工作位移量。安裝3個閥座插件時,在同時緊固前將密封墊片放置在與閥體結(jié)合面處,再從3個閥口分別放置調(diào)整墊片,最后緊固3個閥口的沉頭內(nèi)六方螺栓將調(diào)整墊片壓緊。
四通閥多次卡澀后,閥球和密封閥座之間相對擠壓產(chǎn)生劃痕,劃痕深度一般不超過0.2 mm,且劃痕面積不超過總接觸面積的30%。這種情況下可以將10#金剛砂均勻涂抹在閥球表面與密封閥座進(jìn)行對研。若劃痕深度超過0.2 mm且面積超過總接觸面積的30%,則要更換新的密封閥座或閥球,必須重新測量波紋管工作位移量,對調(diào)整墊片厚度進(jìn)行調(diào)整,使總的工作位移量保持不變。
加裝調(diào)整墊片后組裝調(diào)試四通閥,四通閥密封泄漏試驗中水壓試驗高壓1.49 MPa,泄漏量小于19 mL/min(0.9 cc),冷態(tài)旋轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)試驗力矩百分?jǐn)?shù)為0,說明組裝優(yōu)良。裝置現(xiàn)場安裝四通閥后,從開工到閥體溫度升到490℃需要2~3 d,在此升溫和恒溫階段每間隔1 h旋轉(zhuǎn)360°,保證四通閥在工作狀態(tài)時不會卡澀。
改造前后四通閥電動執(zhí)行機構(gòu)運行力矩百分?jǐn)?shù)對比見圖6。由圖6可以發(fā)現(xiàn),改造前在啟動升溫階段四通閥力矩百分?jǐn)?shù)急劇增大,此時管線受熱后應(yīng)力作用于閥體上,當(dāng)溫度升到500℃左右后,力矩百分?jǐn)?shù)逐漸趨于規(guī)律波動。改造后在升溫和恒溫階段四通閥電動執(zhí)行機構(gòu)力矩百分?jǐn)?shù)均平滑上升,工作狀態(tài)下A、B塔切換力矩百分?jǐn)?shù)為9%~14%,A、B塔切換時密封效果良好,閥座插件纏繞墊片未發(fā)生泄漏。
圖6 改造前后四通閥電動機構(gòu)運行力矩百分?jǐn)?shù)對比
對延遲焦化裝置焦炭塔四通閥故障原因進(jìn)行了分析,并對四通閥進(jìn)行了改造。四通閥改造后投用2 a來沒有發(fā)生過卡澀故障,保障了延遲焦化裝置的正常生產(chǎn)。到下一個大修周期(3 a),調(diào)整墊片和波紋管依然可以使用。采用文中改造措施節(jié)省了大量的物力和人力,解決了四通閥的卡澀問題,可為煉化行業(yè)延遲焦化裝置四通閥運行卡澀故障處理提供參考。