趙 寬

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

0 引言

惠州石化制氫裝置的氣動(dòng)PSA裝置采用四川天一公司的工藝包，共83臺(tái)程控閥，其中蝶閥21臺(tái)，氣缸為AT系列產(chǎn)品，閥體為四川天一公司自產(chǎn)，62臺(tái)閘閥，氣缸和閥體均為天一公司自產(chǎn)。自2009年P(guān)SA運(yùn)行以來(lái)，多次出現(xiàn)程控閥故障，本部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況多次進(jìn)行維修、改型，最終通過(guò)一系列預(yù)防性維修手段和改造，降低了程控閥的故障率。

1 PSA簡(jiǎn)介

PSA為變壓吸附系統(tǒng)，是制氫裝置中用于提純氫氣的裝置。其基本原理是利用吸附劑對(duì)不同工藝介質(zhì)的吸附量具有選擇性，即不同的氣體在吸附劑上的吸附量有差異和一種特定的氣體在此吸附劑上的吸附量，隨著吸附壓力變化而變化的特性[1]。由83臺(tái)不同口徑的程控閥，按13個(gè)步序順序頻繁開(kāi)關(guān)，循環(huán)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)變壓吸附的整個(gè)工藝過(guò)程，提純特定氣體。惠州石化制氫裝置的PSA處理量為100000Nm3/h。自2009年投用以來(lái)，多次出現(xiàn)程控閥故障，在此期間對(duì)該閥門進(jìn)行多次更換和改造，確保了PSA的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 PSA工藝流程Fig.1 PSA Process flow

2 制氫裝置PSA流程

制氫裝置PSA工藝流程，原料氣來(lái)自制氫裝置的高變氣，主要產(chǎn)品為純度為99.99%的氫氣，輸送到全廠的氫氣管網(wǎng)，用做加氫裝置的原料，副產(chǎn)品為解析氣，用于本裝置轉(zhuǎn)化爐的燃料氣的補(bǔ)充氣。PSA系統(tǒng)共有10臺(tái)吸附塔，每個(gè)塔共有1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#程控閥，9#為公用順?lè)砰y門，10#為尾氣公用閥門，共83臺(tái)程控閥。PSA的流程圖如圖1所示。

3 程控閥簡(jiǎn)介

PSA的各個(gè)步序，包括吸附、均壓、順?lè)拧⒛娣?、沖洗、終沖等步驟都是通過(guò)程控閥的開(kāi)關(guān)并按周期性切換吸附塔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。程控閥每年需要開(kāi)關(guān)幾十萬(wàn)次，這對(duì)程控閥性能要求非常高，如果閥門因?yàn)槿魏卧虺霈F(xiàn)問(wèn)題，均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品氫氣波動(dòng)和尾氣波動(dòng)，如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致裝置聯(lián)鎖停車。

程控閥的性能需要滿足快開(kāi)、高頻、雙向流動(dòng)的最基本要求，具體要求如下：

1）采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求具備：快開(kāi)（2s），高頻（一年10萬(wàn)次，四年40萬(wàn)次）、緩沖功能（關(guān)閥時(shí)具備緩沖功能）。

2）閥體為金屬硬密封三偏心蝶閥，密封等級(jí)為ANSI VI級(jí)。填料密封要求為雙密封，氣缸和閥體壽命確保四年40萬(wàn)次無(wú)故障，填料無(wú)泄漏。

4 程控閥故障類型

圖2 填料泄漏圖片F(xiàn)ig.2 Picture of packing leakage

1）填料泄漏：程控閥動(dòng)作頻繁，閥桿與填料之間反復(fù)摩擦，導(dǎo)致填料磨損，氫氣介質(zhì)沿著填料處泄漏。氣動(dòng)程控截止閥填料處，緊固需用C型扳手，但大部分因長(zhǎng)期緊固，卡槽都已滑扣。氣動(dòng)程控蝶閥填料已無(wú)密封作用，填料泄漏情況如圖2所示。

2）閥桿損害：原閥桿材質(zhì)為42CrMo鋼，雖然屬于高強(qiáng)度鋼，具有很高的強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無(wú)明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后具有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力，低溫沖擊韌性比較好。但是閥桿長(zhǎng)期動(dòng)作，閥桿經(jīng)過(guò)10年上百萬(wàn)次動(dòng)作，導(dǎo)致材料疲勞，加上不斷的有泄漏出的氫氣對(duì)填料處閥桿進(jìn)行腐蝕，導(dǎo)致閥桿表面出現(xiàn)腐蝕，閥桿表面凹凸不平，加劇了對(duì)填料的磨損，形成惡性循環(huán)。

3）氣缸故障：由于氣缸高頻次動(dòng)作，導(dǎo)致氣缸故障率升高，主要表現(xiàn)為密封組件磨損，氣缸串氣，氣缸壁磨損，活塞板斷裂。氣缸的密封組件主要由氣缸蓋密封圈、活塞密封圈、活塞L型圈、活塞板與閥桿之間的密封圈組成，這些密封圈損壞，輕則導(dǎo)致氣缸串氣、漏氣，影響閥門開(kāi)關(guān)，嚴(yán)重的則會(huì)導(dǎo)致活塞板和氣缸壁之間產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦，導(dǎo)致氣缸壁和塞板報(bào)廢的嚴(yán)重后果，大大增加維修成本。

4）閥體內(nèi)件故障：平衡缸磨損嚴(yán)重，與閥芯之間摩擦力增加，導(dǎo)致閥門動(dòng)作遲緩；閥芯與閥座磨損，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏；閥芯密封片損壞，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏，閥芯磨損。

5）大口徑三偏心蝶閥軸套斷裂：這是大口徑蝶閥最容易出現(xiàn)、最難解決的問(wèn)題，軸套斷裂后，閥門無(wú)法開(kāi)關(guān)，由于閥門口徑大，對(duì)工藝生產(chǎn)影響最為嚴(yán)重。軸套斷裂情況如圖3所示。

6）儀表附件故障：閥門回訊故障，容易對(duì)內(nèi)操操作產(chǎn)生誤導(dǎo)。電磁閥和氣控模塊故障,電磁閥卡澀分為不能正常開(kāi)啟和不能正常關(guān)閉兩種狀態(tài)[2]，如果處理不當(dāng)，直接會(huì)導(dǎo)致閥門開(kāi)關(guān)異常，如處理不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致尾氣量波動(dòng)，影響后面裝置的操作。

7）閥門內(nèi)漏：程控閥內(nèi)漏后，在吸附工藝過(guò)程中部分產(chǎn)品氫氣會(huì)通過(guò)內(nèi)漏的程控閥竄入作為轉(zhuǎn)化爐燃料氣的解析氣中，造成解析氣工藝參數(shù)發(fā)生大幅度變化[3]，如果處理不當(dāng)，會(huì)造成下游轉(zhuǎn)化率因?yàn)樨?fù)壓和差壓等工藝參數(shù)波動(dòng)，導(dǎo)致聯(lián)鎖停爐。

圖3 蝶閥軸套斷裂Fig.3 Broken butterfly valve bushing

5 氣動(dòng)程控閥預(yù)防性維修策略

1）在線預(yù)防性維修氣缸：利用PSA可以逐塔切除的特點(diǎn)，在氫氣富足時(shí)逐塔切除，對(duì)該塔程控閥氣缸進(jìn)行預(yù)防性維修，檢查氣缸各部件的磨損情況，并更換易損密封件，拆檢電磁閥和氣控模塊，檢查密封圈和閥芯情況，如發(fā)現(xiàn)臟，或者帶水需要進(jìn)行徹底維修。

2）閥桿材質(zhì)升級(jí)改造：將原閥桿材質(zhì)改為17-4PH。17-4PH是沉淀硬化型馬氏體不銹鋼。此不銹鋼是由銅、鈮/鈳構(gòu)成的沉淀、硬化馬氏體不銹鋼。此材質(zhì)具有高強(qiáng)度、高硬度和抗腐蝕的特性。改造后的閥桿表面更加光滑，與填料之間的摩擦力減小，對(duì)填料的損傷減小，同時(shí)該材料的抗氫氣腐蝕性能加強(qiáng)，閥桿和填料的故障率大大降低。

3）三偏心蝶閥改型：原蝶閥軸套經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂情況，主要原因?yàn)殚y門開(kāi)關(guān)扭力大，而軸套強(qiáng)度不夠。2015年開(kāi)始將部分閥門進(jìn)行返廠修復(fù)，對(duì)該批次閥門進(jìn)行軸套增加加強(qiáng)筋，同時(shí)對(duì)軸套進(jìn)行加厚處理。改造后閥門故障率確實(shí)有明顯提升，大面積軸套斷裂情況不再發(fā)生，但偶爾還有部分閥門軸套出現(xiàn)斷裂情況。2019年利用大修機(jī)會(huì)對(duì)該批次閥門進(jìn)行改型升級(jí)，通過(guò)此裝置專利供應(yīng)商核算將該閥門口徑由DN600改為DN500，并對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改造，氣缸由齒輪齒條氣缸改為撥叉形式的氣缸，同時(shí)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)里面增加關(guān)閥的緩沖模塊，增加關(guān)閥緩沖功能，減少了關(guān)閥時(shí)對(duì)閥門的沖擊力，減少閥體的故障率。為了實(shí)現(xiàn)快開(kāi)慢關(guān)的最佳工藝效果，通過(guò)改造執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣路，實(shí)現(xiàn)此功能。改造后的蝶閥，運(yùn)行近兩年，未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

4）電磁閥和氣控模塊等氣路附件改型：經(jīng)過(guò)10年的運(yùn)行，絕大多數(shù)已經(jīng)存在老化情況，經(jīng)常出現(xiàn)氣路元件故障，導(dǎo)致閥門動(dòng)作異常的事件。根據(jù)氣路元件的運(yùn)行情況，將用電磁閥直接控制閥門開(kāi)關(guān)的氣路改為用電磁閥控制氣控模塊，然后通過(guò)氣控閥控制閥門開(kāi)關(guān)。此次改造的主要目的是閥門開(kāi)關(guān)所需氣量很大，所以原電磁閥CV值很大，超過(guò)1，電磁閥費(fèi)用高，替代性差，并且故障率高（PSA現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差，粉塵等容易堵塞先導(dǎo)電磁閥的先導(dǎo)孔，導(dǎo)致電磁閥故障）。改造后，將大CV值的先導(dǎo)電磁閥改為小CV值的直動(dòng)電磁閥，配上相應(yīng)CV值的氣控模塊，在滿足閥門開(kāi)關(guān)速度的基礎(chǔ)上，降低了更換費(fèi)用（每臺(tái)節(jié)省5000元）。

6 結(jié)論語(yǔ)

PSA經(jīng)過(guò)上述一系列措施，通過(guò)提高PSA預(yù)防性維修率的方式，使PSA程控閥的故障率大大降低，提高了PSA運(yùn)行的安全性和可靠性，同時(shí)通過(guò)氣路模塊改型等方式，使PSA程控閥的維修成本大大降低，提高PSA運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。