PSA程控閥運(yùn)行維護(hù)與優(yōu)化改造研究

魏予都，韓永振

(貴州黔希化工有限責(zé)任公司，貴州 黔西 551500)

貴州黔希化工有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱黔?；?30萬t/a乙二醇項(xiàng)目由東華工程科技股份有限公司總承包，項(xiàng)目引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)化工技術(shù)，綜合能耗低，環(huán)保排放符合國(guó)家環(huán)保政策，屬于國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目，碳?xì)浞蛛x裝置采用的是法國(guó)液化空氣工程公司的部分冷凝法專利技術(shù)，原料氣生產(chǎn)能力94 000Nm3/h，一氧化碳產(chǎn)品氣量為31 290Nm3/h(純度≥98.5%)。

PSA的專利技術(shù)由四川達(dá)科特能源科技提供，氫氣產(chǎn)品氣量為61 160.8Nm3/h(純度≥99.9%)。該套工藝關(guān)鍵控制系統(tǒng)程控閥由成都某特種設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)制造。PSA提氫裝置程控閥運(yùn)行穩(wěn)定與否制約著該套裝置長(zhǎng)周期高效運(yùn)行。

1 PSA變壓吸附程控閥系統(tǒng)

1.1 程控閥在系統(tǒng)中的作用

程控閥是一種通過氣動(dòng)、液動(dòng)等動(dòng)力方式驅(qū)動(dòng)的二位切斷閥，程控閥與DCS集散控制系統(tǒng)或PLC相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序遠(yuǎn)程控制。廣泛應(yīng)用在制氫、制氮、制氧等變壓吸附氣體分離行業(yè)。程控閥是變壓吸附裝置關(guān)鍵設(shè)備，是保證變壓吸附工序順利完成和系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要組成部分[1]。

變壓吸附工藝流程由吸附、均壓、順放、逆放、沖洗等步驟組成，每一步工序都是通過順控的控制方式，按照既定程序由程控閥在設(shè)定時(shí)間開關(guān)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。因而程控閥需要頻繁地啟閉，操作要求和性能均要高于一般通用閥門。

本文探討的程控閥為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)二位切斷閥程控閥，黔?；SA提氫裝置簡(jiǎn)單工藝流程為原料氣在換熱器里冷卻，送到氣液分離器中閃蒸分離，頂部氣體為富氫氣，在深冷單元換熱器里復(fù)熱至常溫(35℃)后，離開冷箱被送至變壓吸附PSA裝置進(jìn)行氫氣提純。由于精脫硫裝置出口凈化氣組分大部分由氫氣和一氧化碳組成，因此凈化氣在進(jìn)入下一裝置前需要經(jīng)過吸附提純，在整個(gè)變壓吸附過程中，通過DCS集散控制系統(tǒng)組態(tài)順時(shí)控制系統(tǒng)來控制程控閥的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)氫氣提純的目的。

PSA變壓吸附提氫裝置控制畫面見圖1。

圖1 PSA變壓吸附提氫裝置控制畫面

1.2 程控閥安裝情況

PSA變壓吸附提氫裝置程控閥共計(jì)85臺(tái)，其中，DN300程控閥為原料氣進(jìn)口閥，DN250程控閥為原料氣出口閥。程控閥規(guī)格臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 程控閥規(guī)格臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 程控閥系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與問題分析

2.1 程控閥系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

自2018年4月起，黔?；ね懂a(chǎn)以來，在長(zhǎng)期的開試車過程中，該程控閥系統(tǒng)運(yùn)行很好地滿足了PSA提氫裝置安全系數(shù)高、能耗低、回收率高、產(chǎn)品純度高條件下的生產(chǎn)需要，雖曾出現(xiàn)數(shù)次微小故障，但未對(duì)生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

但從2019年9月起，隨著主裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、乙二醇裝置負(fù)荷的不斷提高，特別是PSA變壓吸附提氫裝置下游用戶對(duì)產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)質(zhì)高純度穩(wěn)定輸出的要求，因程控閥故障往往需要切塔降負(fù)荷運(yùn)行，已成為影響乙二醇裝置長(zhǎng)周期、高負(fù)荷、穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一。

2.2 程控閥故障事件統(tǒng)計(jì)

自2018年4月該套程控閥系統(tǒng)運(yùn)行以來，出現(xiàn)過3次因閥桿斷裂故障切塔檢修的事件。程控閥故障事件統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 程控閥故障事件統(tǒng)計(jì)

2.3 程控閥累計(jì)動(dòng)作頻次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過近幾年程控閥故障問題統(tǒng)計(jì)，問題主要集中在程控閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿上，隨即對(duì)程控閥動(dòng)作周期頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)匯總(見表3)。

表3 程控閥動(dòng)作周期頻次分析(單系列為例)

2.4 程控閥運(yùn)行故障問題分析

(1)金屬特性疲勞壽命分析。近幾年，程控閥在運(yùn)行過程中的主要問題依舊在閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥桿斷裂，于是將解決問題的思路朝著閥桿材質(zhì)性能考慮，黔?；こ炭亻y閥桿材質(zhì)為40Cr鋼，在王弘等[2]發(fā)表的《40Cr鋼超高疲勞性能及疲勞斷口分析》，以及在江強(qiáng)等[3]發(fā)表的《40Cr 鋼的沖擊疲勞性能及疲勞斷口分析》這兩篇相隔9年的文章中，均可以看出S-N疲勞曲線趨勢(shì)一致，再生性及再現(xiàn)性高度復(fù)現(xiàn)，可以作為程控閥閥桿疲勞壽命周期頻次運(yùn)行參數(shù)的一項(xiàng)重要參考依據(jù)。

在圖2中，40Cr鋼超聲疲勞S-N曲線是通過試驗(yàn)載荷為軸向拉壓對(duì)稱循環(huán)載荷，載荷頻率為20 kHz，應(yīng)力比為R=-1。試驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫，超聲疲勞試樣的機(jī)械加工工藝要求與常規(guī)疲勞試樣相同，中間應(yīng)力場(chǎng)試驗(yàn)段經(jīng)縱向研磨，其表面光潔度達(dá)到R=0.32～0.64μm，完全模擬真實(shí)工況。通過參考對(duì)照?qǐng)D2，在105周次～1010周次范圍內(nèi)，S-N曲線顯示40Cr鋼疲勞壽命下降趨勢(shì)明顯加快，隨著循環(huán)應(yīng)力周次的增加，其承載強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，在這個(gè)過程中就會(huì)存在出現(xiàn)疲勞斷口的可能，在閥桿表面或近表面材料缺陷處就會(huì)形成疲勞源產(chǎn)生疲勞裂紋，循環(huán)應(yīng)力周次增加，疲勞裂紋擴(kuò)展，直至瞬時(shí)裂斷。程控閥閥桿斷裂面見圖3。

圖2 40Cr鋼超聲疲勞S-N曲線

圖3 程控閥閥桿斷裂面

(2)閥桿疲勞斷口發(fā)展分析。通過對(duì)比《中國(guó)鐵道科學(xué)》王弘等發(fā)表的《40Cr鋼超高疲勞性能及疲勞斷口分析》文中“超聲疲勞斷口SEM像”圖(見圖4)及黔希化工碳?xì)浞蛛xPSA裝置程控閥閥桿斷裂面圖(見圖5)，發(fā)現(xiàn)閥桿發(fā)生斷裂現(xiàn)象及裂紋斷口實(shí)物圖是與曲線圖及SEM像圖相吻合的。

圖4 超聲疲勞斷口SEM像

圖5 閥桿斷面

圖4為σ=±500MPa，N=9.92×106試樣在掃描電鏡下低倍宏觀斷口形貌，該斷口分為疲勞源區(qū)及疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)間斷裂區(qū)。

通過圖5閥桿斷面實(shí)物可以看到，疲勞裂紋在近表面應(yīng)力集中場(chǎng)處萌生，然后呈扇形向閥桿內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，隨著周期應(yīng)力交變負(fù)荷的變化頻次累積，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)一步發(fā)散，最終會(huì)隨著周期應(yīng)力交變負(fù)荷的變化頻次繼續(xù)累積產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂而造成閥桿的斷裂。而此類故障現(xiàn)象多出現(xiàn)在PSA提氫裝置原料氣進(jìn)出口DN300/DN250等大口徑程控閥，說明該類大口徑、大體積閥在其開關(guān)動(dòng)作過程中所承受的應(yīng)力負(fù)荷要高于其他小口徑程控閥；另一方面，因閥桿制作工藝為棒材加工，在加工過程中會(huì)存在缺陷，閥桿構(gòu)件外形突變處(圓角、切口、溝槽)、表面切痕或者材料內(nèi)部不均勻性及其缺陷部位，也會(huì)由于較大的應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中場(chǎng)附近長(zhǎng)期承載負(fù)荷，應(yīng)力的強(qiáng)度是隨著閥門動(dòng)作過程克服閥體、閥芯、氣缸活塞等一系列不平衡力而持續(xù)變化的，其隨著形成疲勞源產(chǎn)生疲勞裂紋，循環(huán)應(yīng)力周次增加，疲勞裂紋擴(kuò)展，直至瞬時(shí)裂斷(見圖6)。

圖6 三次閥桿斷面位置示意

2.5 程控閥閥桿疲勞失效斷裂原因分析

針對(duì)上述問題，經(jīng)過數(shù)據(jù)類比分析，認(rèn)為造成閥桿斷裂的原因主要有以下幾點(diǎn)：①40Cr合金鋼材質(zhì)特性疲勞壽命原因；②閥桿構(gòu)件外形突變處應(yīng)力集中，且應(yīng)力場(chǎng)存在較強(qiáng)交變負(fù)荷；③閥桿構(gòu)件存在不均勻性缺陷加速了疲勞裂紋的形成；④程控閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力源氣源壓力過大，造成閥桿應(yīng)力場(chǎng)負(fù)荷周期性提高，進(jìn)一步加速了疲勞裂紋的形成；⑤PDN300/DN250規(guī)格大口徑程控閥，因其體量較大，其開關(guān)動(dòng)作過程中所承受的應(yīng)力負(fù)荷要高于其他小口徑程控閥，閥桿疲勞源產(chǎn)生時(shí)間要早于其他小口徑程控閥；⑥對(duì)于4臺(tái)用于均壓的程控閥，截至目前已運(yùn)行頻次超170萬周次，同樣，此類程控閥的閥桿疲勞源產(chǎn)生時(shí)間要早于其他程控閥。

3 PSA提氫裝置程控閥系統(tǒng)優(yōu)化改造探討

3.1 材質(zhì)選型升級(jí)優(yōu)化

經(jīng)過大量材質(zhì)特性資料數(shù)據(jù)對(duì)比，最終決定選擇17-4PH這種馬氏體沉淀硬化型不銹鋼。下面對(duì)40Cr與17-4PH兩種鋼材特性進(jìn)行對(duì)比說明。

3.1.140Cr

40Cr是我國(guó)GB的標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)，40Cr合金鋼是機(jī)械制造業(yè)使用較為廣泛的鋼材品類之一。40Cr經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能、良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。40Cr鋼的淬透性良好，水淬時(shí)可淬透到φ28～60mm，油淬時(shí)可淬透到φ15～40mm。40Cr經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后，用于制造具有高表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零部件，比如套筒、軸、主軸、連桿等部件。

3.1.2 17-4PH

17-4PH是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，GB牌號(hào)為 0Cr17Ni4Cu4Nb、05Cr17Ni4Cu4Nb，也是工業(yè)中使用較為常見的鋼材品類之一。17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼發(fā)展較為特殊，是由低碳馬氏體相變強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化疊加，從而形成的強(qiáng)化效應(yīng)，這類鋼材是目前研究者非常樂于研究的一類鋼，不僅是因?yàn)槠鋼碛旭R氏體時(shí)效鋼材特性的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還有一般馬氏體不銹鋼所沒有的不銹特性特點(diǎn)，這就擴(kuò)大了此鋼的應(yīng)用范圍。17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼更易于調(diào)整強(qiáng)度級(jí)別，即可通過變動(dòng)熱處理工藝予以調(diào)整。馬氏體相變和時(shí)效處理形成沉淀硬化相是其主要強(qiáng)化手段，17-4PH衰減性能好，抗腐蝕疲勞及抗水滴性能強(qiáng)，經(jīng)過熱處理后，17-4PH所制造零部件產(chǎn)品的機(jī)械性能更加完善，可以達(dá)到高達(dá)1 100～1 300 MPa的耐壓強(qiáng)度[4]。

3.1.3兩種鋼材性能對(duì)比

40Cr與17-4PH兩種鋼材性能對(duì)比見表4。

表4 40Cr與17-4PH兩種鋼材性能對(duì)比

3.1.4選型升級(jí)優(yōu)化結(jié)論

通過對(duì)比40Cr與17-4PH兩種鋼材特性，不難發(fā)現(xiàn)，17-4PH這類鋼材硬度更高，其抗拉伸強(qiáng)度優(yōu)于40Cr鋼，考慮對(duì)DN300/DN250口徑程控閥及動(dòng)作頻次超106周次型號(hào)的程控閥進(jìn)行閥桿材質(zhì)升級(jí)優(yōu)化，以更高的耐壓強(qiáng)度、機(jī)械性能提高閥桿疲勞壽命。

3.2 閥桿直徑加大升級(jí)優(yōu)化

通過與原閥門廠家溝通技術(shù)交流，對(duì)大口徑程控閥閥桿直徑進(jìn)行升級(jí)，通過改變應(yīng)力場(chǎng)承受橫截面積來均衡應(yīng)力負(fù)荷的變化，這樣就能提高程控閥閥桿疲勞壽命，以期達(dá)到延長(zhǎng)閥桿壽命的效果。閥桿直徑加大示意見圖7。

圖7 閥桿直徑升級(jí)示意

3.3 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)供氣回路改造升級(jí)優(yōu)化

3.3.1氣路現(xiàn)狀

PSA提氫裝置程控閥氣源回路總管由2寸氣源總管引至裝置區(qū)中間位置后，分支為1寸氣源管引至各閥組附近，再由分支末端加裝氣源球閥，引φ12mm氣源管，將氣路引至程控閥控制氣源回路的電磁閥，氣源總管壓力為0.7～0.76MPa，程控閥氣動(dòng)控制啟閉壓力設(shè)計(jì)為0.4MPa，目前程控閥驅(qū)動(dòng)氣源壓力高于程控閥啟閉壓力0.3～0.36MPa，且單個(gè)程控閥進(jìn)氣壓力不可調(diào)節(jié)。

3.3.2氣路優(yōu)化結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)法逐步下調(diào)氣源壓力，在滿足工藝生產(chǎn)的情況下，由當(dāng)前的0.76MPa逐步下調(diào)至0.5MPa，減緩閥門開、關(guān)行程動(dòng)作沖擊力，降低程控閥在動(dòng)作周次的閥桿應(yīng)力負(fù)荷，延長(zhǎng)閥桿使用壽命。

(2)在氣源回路分支末端增加過濾減壓閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)程控閥個(gè)體的驅(qū)動(dòng)壓力精細(xì)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步減緩閥門開、關(guān)行程動(dòng)作沖擊力，降低程控閥在動(dòng)作周次的閥桿應(yīng)力負(fù)荷，延長(zhǎng)閥桿使用壽命。

(3)在控制氣源回路電磁閥的排氣孔增加阻尼裝置，進(jìn)一步減緩閥門開、關(guān)行程動(dòng)作沖擊力，降低程控閥在動(dòng)作周次的閥桿應(yīng)力負(fù)荷，延長(zhǎng)閥桿使用壽命。

(4)程控閥氣路采用三聯(lián)件減壓閥，即空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成的三聯(lián)件減壓閥，利用油霧器產(chǎn)生的油霧潤(rùn)滑程控閥氣缸活塞來降低氣缸活塞阻力，降低不平衡力對(duì)閥桿應(yīng)力負(fù)荷的影響，延長(zhǎng)閥桿使用壽命。

3.4 設(shè)備生命周期優(yōu)化管理

通過了解程控閥的結(jié)構(gòu)，做預(yù)防性維護(hù)檢修，隨乙二醇裝置催化劑生命周期定期對(duì)程控閥進(jìn)行密封件檢查更新；設(shè)備生命周期優(yōu)化管理，統(tǒng)計(jì)程控閥動(dòng)作頻次數(shù)據(jù)，分析機(jī)械件生命周期，提前干預(yù)維護(hù)。

4 結(jié)語

經(jīng)過采取PSA提氫裝置程控閥閥桿材質(zhì)升級(jí)改造、閥桿直徑升級(jí)、氣路優(yōu)化、設(shè)備生命周期優(yōu)化管理等一系列優(yōu)化措施，截止目前，該系統(tǒng)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了PSA提氫裝置安全系數(shù)高、能耗低、回收率高、產(chǎn)品純度高的性能。