高少華，朱 亮，姜 鳴 ，王 瓊，丁德武， 朱勝杰

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島 2660712.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

煉油裝置閥門內(nèi)漏分析及對(duì)策

高少華1,2，朱 亮1,2，姜 鳴1,2，王 瓊1,2，丁德武1,2， 朱勝杰1,2

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島2660712.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071)

借助搭建的模擬試驗(yàn)裝置，模擬了煉油生產(chǎn)多工況的閥門內(nèi)漏模式，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：聲發(fā)射技術(shù)能夠檢出閥門氣體內(nèi)漏量小至1 L/min，該技術(shù)可以成為診斷閥門內(nèi)漏有效手段。從開口閥門泄漏數(shù)據(jù)可以看出，閥門內(nèi)漏遠(yuǎn)超過(guò)了其外漏比例。運(yùn)用包括事前檢驗(yàn)和聲發(fā)射在線檢測(cè)等技術(shù)手段探查和控制閥門內(nèi)漏，無(wú)論對(duì)煉油企業(yè)的清潔生產(chǎn)還是安全運(yùn)行都具有非常積極的意義。

閥門 內(nèi)漏 聲發(fā)射 檢測(cè)

一套典型煉油裝置配有上千只閥門，它們是控制物料的重要部件。 Terry Tamutus和Samuel J. Ternowchek 指出，煉廠閥門的5%～10%存在不同程度的內(nèi)漏，火炬系統(tǒng)閥門內(nèi)漏比例更是高達(dá)20%左右[1]。從中國(guó)石化安全工程研究院(簡(jiǎn)稱“安工院”)前期LDAR項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出[2]，某原油加工裝置的排凝閥泄漏比例高達(dá)33.3%，有超過(guò)一半的采樣閥存在泄漏(圖1)，在一定程度上開口閥的泄漏數(shù)據(jù)表征了國(guó)內(nèi)煉油裝置閥門內(nèi)漏現(xiàn)狀。眾所周知，煉油生產(chǎn)涉及到大量易燃易爆、有毒有害的物質(zhì)，而且具有高溫高壓、深冷臨氫的嚴(yán)酷工藝條件。一旦閥門控制失效，不但會(huì)造成物料損失、污染作業(yè)環(huán)境，甚至可能導(dǎo)致火災(zāi)爆炸、人員中毒傷亡事故，引發(fā)重大環(huán)境污染事件。閥門作為控制和調(diào)節(jié)物料的重要部件，是避免事故和控制事故蔓延的關(guān)鍵手段。閥門內(nèi)漏是威脅煉油企業(yè)安全、環(huán)境和職業(yè)健康的重大隱患。

圖1 某煉油企業(yè)設(shè)備密封分類統(tǒng)計(jì)

煉油裝置閥門內(nèi)漏的原因很多，加上工藝復(fù)雜，管線分、匯交錯(cuò)，除末端閥門外，其它閥門內(nèi)漏常常難以發(fā)現(xiàn)。本文根據(jù)近幾年在閥門內(nèi)漏的項(xiàng)目實(shí)踐，分析原油加工生產(chǎn)過(guò)程中閥門內(nèi)漏的原因，介紹閥門安裝前和投用后檢查檢驗(yàn)方法，探討提高煉油企業(yè)閥門可靠性的方法，以減少有害污染物的排放，提高安全和清潔生產(chǎn)的質(zhì)量。

1 煉油裝置閥門內(nèi)漏原因分析

內(nèi)漏是原油加工過(guò)程中閥門常見的失效方式之一，當(dāng)啟閉件與閥座之間密封損壞或性能下降時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)工藝要求而阻斷物料流動(dòng)。閥門內(nèi)漏的原因復(fù)雜，主要有以下幾個(gè)方面。

1.1 設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和安裝可能出現(xiàn)的問(wèn)題

a)閥門的啟閉件[3]不符合工藝溫度、壓力要求。閥門的壓力額定值與其工作溫度相關(guān)，同一閥門工作溫度越高，其耐壓性能越差(圖2)。高溫可導(dǎo)致啟閉件強(qiáng)度降低, 疲勞度增加。如果設(shè)計(jì)或安裝的閥門與工藝不符，密封面可能很容易磨損，而造成閥門發(fā)生內(nèi)漏。

圖2 工作溫度對(duì)最高允許壓力的影響

b)在煉油生產(chǎn)裝置運(yùn)行過(guò)程中, 原油的酸值越高, 閥門密封面腐蝕越快。其腐蝕特性表現(xiàn)為均勻?qū)訝罡g。其中環(huán)烷酸腐蝕與介質(zhì)的流速關(guān)系密切，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)物料流速越快，腐蝕越嚴(yán)重。另外，原油中所含的水為堿性水，在含堿原油中形成的環(huán)烷酸鈉,將加速閥門密封面環(huán)烷酸腐蝕[4]。

c)物料特別是液態(tài)烴通過(guò)閥門壓降過(guò)大，閥門一旦有微小開度，就會(huì)產(chǎn)生氣穴和閃蒸(通常為啟閉件附近)而對(duì)閥件造成損害。氣穴的內(nèi)爆將會(huì)把金屬撕成微小碎片，被氣穴損傷的閥件呈凹坑狀[5]，氣穴損害的外觀與閃蒸損傷大不相同，后者表現(xiàn)為表面光滑磨損，上述兩種現(xiàn)象對(duì)閥件的損傷都會(huì)造成閥門特別是調(diào)節(jié)閥或截止閥內(nèi)漏。

d)閥門制造存在缺陷，投用前未檢驗(yàn)。密封面未達(dá)到要求的表面粗糙度值，或兩密封面的材料不匹配，鑲配的閥圈與閥座或閥瓣結(jié)合不夠緊密，在流體長(zhǎng)期高壓沖擊下，使閥件與閥座不對(duì)中，密封面之間不能嚴(yán)密貼合。

e)閥門在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，未采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施或封蓋脫落丟失，密封面粘沙石，甚至受到劃傷。部分閥門如截止閥、偏心蝶閥和單密封球閥多數(shù)是有安裝方向的，安裝過(guò)程未注意閥門閥體所標(biāo)介質(zhì)流動(dòng)方向，密封可能達(dá)不到規(guī)定的指標(biāo)而影響閥門的使用壽命。

1.2 操作或檢修不當(dāng)

a)操作人員不了解閥門的使用及閥門的結(jié)構(gòu)，不明閥門的開關(guān)行程。在使用中常容易使閥門關(guān)閉不到位, 高速流體長(zhǎng)期沖刷容易使閥門產(chǎn)生內(nèi)漏。

b)由于關(guān)閉閥門扭矩過(guò)大, 常容易使啟閉件與閥座相互擠壓, 導(dǎo)致密封面產(chǎn)生硬傷。

c)檢修的作業(yè)過(guò)程中，管路中存有遺留物，如焊渣、焊條頭、鋸條、鐵渣、金屬墊片殘損部分及由于油品雜質(zhì)，使管道結(jié)垢后脫落的腐蝕物, 在閥門開關(guān)使用當(dāng)中, 碰巧夾在啟閉件、閥座密封面當(dāng)中, 容易產(chǎn)生硬傷、劃痕、坑點(diǎn), 導(dǎo)致閥門內(nèi)漏。較為典型是2007年2月17日美國(guó)Valero煉油廠丙烷脫瀝青裝置的一只丙烷調(diào)和入口閘閥閘板與閥座之間夾了一根鐵絲，最終導(dǎo)致大量丙烷泄漏而發(fā)生火災(zāi)事故[6]。

2 閥門投用前泄漏檢驗(yàn)

我國(guó)2011年頒布的GB/T26480-2011《閥門的檢驗(yàn)和試驗(yàn)》旨在提高煉油建設(shè)、改建、擴(kuò)建或檢修項(xiàng)目中的閥門可靠性。對(duì)于影響煉油生產(chǎn)安全的關(guān)鍵閥門，到貨后和安裝前要根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施全批次檢驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)壓力與試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)項(xiàng)目與閥門公稱尺寸、公稱壓力及類型有關(guān)[7]，所有截止閥均應(yīng)實(shí)施高壓密封試驗(yàn)，所有浮動(dòng)式球閥須通過(guò)低壓密封試驗(yàn)。高壓密封的試驗(yàn)壓力通常取最大允許工作壓力(38 ℃時(shí))的1.1倍(蝶閥、止回閥除外)，低壓密封的試驗(yàn)壓力范圍在0.4～0.7 MPa范圍內(nèi)，通常一般取0.6 MPa。高壓密封試驗(yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)為水、煤油或黏度不高于水的非腐蝕性液體。如果要求進(jìn)行高壓氣體殼體試驗(yàn)，應(yīng)在完成液壓殼體試驗(yàn)之后進(jìn)行。低壓密封和低壓上密封試驗(yàn)可以采用空氣或氮?dú)狻?/p>

2.2 試驗(yàn)時(shí)間

閥門壓力試驗(yàn)時(shí)間是指從閥門內(nèi)部壓力已經(jīng)達(dá)到規(guī)定數(shù)值開始計(jì)時(shí)，到試驗(yàn)結(jié)束為止，具體要求見表1。

表1 試驗(yàn)時(shí)間 s

2.3 試驗(yàn)方法

封閉閥門一端口，閥門全閉，向封閉側(cè)充入試驗(yàn)介質(zhì)，排盡腔內(nèi)空氣，逐漸增壓到規(guī)定壓力。對(duì)規(guī)定了介質(zhì)流向的閥門，應(yīng)按規(guī)定的流向施加壓力。試驗(yàn)期間，閥座、閥瓣和密封圈處的泄漏量不應(yīng)超過(guò)表2給出的閾值。

表2 閥門最大允許泄漏量

3 在用閥門的內(nèi)漏檢測(cè)

3.1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

近10年，國(guó)外學(xué)者Kaewwaewnoi W[8]，Mostafapour A[9]，Noipitak M[10]和Meland E[11]等人基于Lighthill的早期研究結(jié)果提出了閥門內(nèi)漏產(chǎn)生聲發(fā)射的理論預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，理論預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的聲發(fā)射信號(hào)基本吻合。對(duì)于氣體閥門，當(dāng)下游壓力低于上游壓力的0.5倍，發(fā)生內(nèi)漏的聲發(fā)射信號(hào)與閥門及工藝參數(shù)有如下關(guān)系式：

(1)

其中：

(2)

式中:AERMS——聲發(fā)射信號(hào)均方根值， mV；

M——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg；

P1——上游流體壓力，Pa；

R——?dú)怏w常數(shù)(8.314472 J/(mol·K))；

T1——?dú)怏w溫度，K；

α——聲波在流體中傳播速度，m/s；

D——閥門通徑，m；

C1——比例常數(shù)；

Q——體積流量，m3/s；

κ——?dú)怏w絕熱系數(shù)，對(duì)于多數(shù)壓力不高(相對(duì)臨界壓力而言)的氣體，κ在1.1～1.8之間。

通過(guò)式(1)可以看出：閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)與閥門的內(nèi)漏量，閥門入口壓力、溫度，物料特性參數(shù)(摩爾量、聲速)，閥門尺寸等相關(guān)。在閥門內(nèi)漏實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，可以對(duì)式(1)進(jìn)行反向求解，通過(guò)檢測(cè)閥門內(nèi)漏過(guò)程中的信號(hào)均方根(AERMS) 大小，判斷出閥門氣體體積泄漏量(Q)。A. Prateepasen研究了鑄鐵球閥以空氣為介質(zhì)的內(nèi)漏數(shù)學(xué)模型[12]如(3)式，對(duì)于給定的工藝條件(即閥門上游物料壓力和溫度)和閥門尺寸，可以通過(guò)測(cè)量聲發(fā)射信號(hào)的均方根間接得出閥門泄漏量Q。

(3)

3.2 內(nèi)漏模擬測(cè)試

為了探索閥門內(nèi)漏的聲發(fā)射信號(hào)特征，我們搭建閥門內(nèi)漏模擬測(cè)試裝置，簡(jiǎn)要流程見圖3。

圖3 閥門內(nèi)漏模擬測(cè)試裝置1-氣源；2-減壓閥；3-壓差變送器；4-待測(cè)閥門；5-聲發(fā)射傳感器；6-溫度變送器；7-聲發(fā)射信號(hào)前置放大/采集模塊；8-質(zhì)量流量計(jì)；9-回收氣瓶；10-計(jì)算機(jī)

裝置用壓縮空氣作為氣源(大于10 MPa)，通過(guò)減壓閥向系統(tǒng)提供模擬物料，待測(cè)閥門類型為煉油生產(chǎn)常見的閘閥。另外，由于氣源容量有限，僅對(duì)DN25、DN50和DN80等3種較小尺度的閥門進(jìn)行了模擬。通過(guò)專用耦合劑和膠帶把聲發(fā)射傳感器(ISD9203B)固定在閥體相對(duì)平坦部位，使接觸面最大以便有效拾取內(nèi)漏發(fā)出的信號(hào)。傳感器頻響范圍為150～850 kHz，輸出差分信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器處理后，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20 mA輸出。差壓變送器和溫度變送器分別測(cè)量待測(cè)閥門上下游壓差、氣流溫度。為了提高流量測(cè)試數(shù)據(jù)可靠性，裝置采用了3只不同量程(0～10，0～100，0～1000 L/min)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。測(cè)試后的氣體進(jìn)入回收氣瓶，可以循環(huán)使用。

通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用聲發(fā)射技術(shù)可以檢測(cè)出閥門低于1 L/min的內(nèi)漏流量(圖4)。該技術(shù)的閥門內(nèi)漏檢出限即可檢出的最小泄漏量與其上游壓力、公稱直徑有明顯的關(guān)系。從圖4可以看出，對(duì)于相同尺寸和結(jié)構(gòu)的閥門，壓力越高，檢出限越低，也就是對(duì)于相同的泄漏量，壓力越高，越容易檢出；相同的工藝條件即壓力相同，閥門尺寸越大，檢出限越高，即越難發(fā)現(xiàn)泄漏。

圖4 閘閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢出限

3.3 煉油企業(yè)閥門內(nèi)漏檢測(cè)實(shí)例分析

某煉油企業(yè)近幾年加工損失持續(xù)偏高，通過(guò)對(duì)其汽油加氫、汽柴油加氫、芳烴、重整、1#氣體分餾、2#氣體分餾、MTBE、丙烯預(yù)精制、1#催化裂化、2#催化裂化、 1#污水汽提、 2#污水汽提、聚丙烯等13套生產(chǎn)裝置安全閥進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)。借助聲發(fā)射檢測(cè)儀，歷時(shí)一周共檢測(cè)190臺(tái)安全閥，發(fā)現(xiàn)5臺(tái)內(nèi)漏。其中內(nèi)漏最嚴(yán)重的是催化裂化裝置穩(wěn)定塔頂?shù)囊慌_(tái)安全閥，參照BP公司給出的經(jīng)驗(yàn)估算，其泄漏量約45 L/min。如果按丙烷計(jì)算,約為5.08 kg/h，一年合計(jì)排放量37 t。比LDAR項(xiàng)目中的嚴(yán)重泄漏(檢測(cè)值>10 000 μmol/mol)閥門和輕液泵(包括液態(tài)烴、石腦油、汽油、苯和航煤等介質(zhì))高一個(gè)數(shù)量級(jí)，比嚴(yán)重泄漏的連接件(如法蘭、螺紋接頭等)高2個(gè)數(shù)量級(jí)[13]。因此，檢測(cè)和控制閥門內(nèi)漏無(wú)論是對(duì)減少有害污染物排放，還是降低企業(yè)加工損失，都具有非常積極意義。

表3 煉油設(shè)備排放量篩分范圍 kg/h

注：1 氣體指在工藝條件下呈氣相的物料；2 指作業(yè)條件下為液體，且20 ℃時(shí)，含蒸氣壓大于0.3 kPa 有機(jī)組分重量百分比20%。

4 結(jié)語(yǔ)

目前煉油企業(yè)閥門管理主要依靠定期檢修，對(duì)閥門進(jìn)行拆卸、檢驗(yàn)、維修或更換，然而，拆卸檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際需要維修的閥門不到一半[14]，這種粗放管理模式會(huì)造成人力、物力的嚴(yán)重浪費(fèi)，已不再適合當(dāng)今原油加工的微利時(shí)代。為了有效地提高裝置運(yùn)行周期內(nèi)閥門的可靠性，減少由于閥門泄漏或失效造成的物料損失、污染物排放甚至安全事故，提出以下建議：

a)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，正確選用閥門, 提高閥門的使用壽命, 對(duì)保證裝置和管道的安全生產(chǎn), 滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求十分重要。閥門的額定壓力和溫度、材料、密封性能、防火、流量、功能應(yīng)符合煉油生產(chǎn)工藝要求，并留有足夠的設(shè)計(jì)余量。

b)對(duì)于影響煉油生產(chǎn)安全或可能導(dǎo)致非計(jì)劃停車的關(guān)鍵閥門，建議在到貨后和安裝前100%檢驗(yàn)。其它閥門可按一定比例進(jìn)行第三方質(zhì)量檢驗(yàn)。通過(guò)施工階段閥門質(zhì)量的監(jiān)督檢測(cè)，可以有效預(yù)防和減少煉油過(guò)程閥門內(nèi)漏發(fā)生，保證生產(chǎn)裝置平穩(wěn)安全運(yùn)行。

c)受煉油現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管道復(fù)雜、診斷數(shù)據(jù)庫(kù)有限和檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)不足等因素的影響, 檢測(cè)誤判時(shí)有發(fā)生。因此,還需要在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn), 建立、完善多工況的閥門泄漏聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，提高內(nèi)漏診斷準(zhǔn)確率，以便在煉油生產(chǎn)得到普遍應(yīng)用。

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AnalysisandCountermeasuresofValvesInternalLeakageforRefineries

Gao Shaohua1,2, Zhu Liang1,2，Jiang Ming1,2，Wang Qiong1,2，Ding Dewu1,2, Zhu Shengjie1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071 2.State Key Laboratory of Chemical Safety and Control, Shandong, Qingdao 266071)

It is demonstrated that internal leakage of valves may be a result of any defect in designing, manufacturing, installing, operating and maintaining through analysis of leakage causes in refinery facilities. Valve′s internal leak conditions have been test for many refinery processes with a through-valve leakage simulation facility. It has been proved that a valve can be detected for internal leakage as little as 1 L/min based on acoustic emission technology, therefore, it may be an effective measure to diagnose valves for internal leakage. Leakage rate of open-ended valves has demonstrated current conditions of valves in domestic refineries; greatly exceed external leakage proportions of valves. Therefore, detecting and controlling internal valve leakage based on tests in advance and online monitoring technologies of acoustic emissions have great positive meaning for process safety as well as clean production.

valve; internal leakage; acoustic emission; detect

2016-02-03

高少華，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于山東大學(xué)光學(xué)系，現(xiàn)在中國(guó)石化安全工程研究院長(zhǎng)期從事石化裝置泄漏檢測(cè)與修復(fù)和閥門內(nèi)漏診斷技術(shù)研究等。