曾小勇

（福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建泉州 362800）

0 引言

近年來，受下游需求拉動，我國的聚丙烯產(chǎn)能持續(xù)快速擴張，大量新增聚丙烯項目陸續(xù)投產(chǎn)。載氣壓縮機是聚丙烯裝置的核心設(shè)備，生產(chǎn)對其運行的可靠性要求很高。它關(guān)系著裝置的穩(wěn)定運行，一旦出現(xiàn)故障不僅會影響裝置產(chǎn)能，還會造成大量的經(jīng)濟損失。所以，載氣壓縮機長周期的平穩(wěn)運行是裝置盈利的基礎(chǔ)和保障。

某石化公司聚丙烯裝置采用Novolen 氣相聚丙烯工藝，目前共有兩條聚丙烯生產(chǎn)線：一號線兩個反應(yīng)器為并聯(lián)設(shè)計，以生產(chǎn)行均聚和無規(guī)則共聚產(chǎn)品為主；二號線兩個反應(yīng)器為串聯(lián)設(shè)計，以生產(chǎn)均聚和抗沖共聚產(chǎn)品為主。每條生產(chǎn)線僅設(shè)計有一臺載氣壓縮機組，無備用設(shè)備。一號線于2013 年11 月改造擴能，增加并入一個反應(yīng)器。裝置于2009 年8 月正式投產(chǎn)使用，載氣壓縮機氣閥故障率較高。2012—2018 年，一線載氣壓縮機K800 和二線K805 氣閥更換記錄見表1、表2。

表1 載氣壓縮機K800 的氣閥更換記錄

表2 載氣壓縮機K805 的氣閥更換記錄

從表1 和表2 可以看出，7 年內(nèi)2 臺設(shè)備共更換氣閥22 次，幾乎每年都會出現(xiàn)至少1 起因氣閥故障導(dǎo)致非計劃停機事件。壓縮機故障不僅造成工藝波動、影響工藝產(chǎn)能，同時還增加了生產(chǎn)能耗和檢維修費用。正常生產(chǎn)期間，如壓縮機故障停機，載氣將無法回收、只能排火炬燒掉。為了控制排放成本，一般會選擇裝置降量生產(chǎn)，壓縮機安排搶修，減少載氣排放損失。因此，壓縮機氣閥故障問題已經(jīng)成為制約裝置長周期穩(wěn)定運行的因素。

1 設(shè)備參數(shù)

載氣壓縮機K800 和K805 均采用Burckhardt 公司的立式迷宮壓縮機，相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表3。

2 工藝流程簡介

Novolen 氣相工藝采用帶雙螺帶攪拌立式反應(yīng)器，該反應(yīng)器能夠使催化劑在氣相聚合的單體中分布均勻，盡可能使每個聚合物顆粒保持一定的鈦/鋁/給電子體的比例，以解決氣相聚合中氣固兩相之間不易均勻分布的問題：在放射性料位計控制下，聚合物產(chǎn)品粉料間歇地被排至粉末出料倉，與粉末一同排出的氣體被稱為載氣；在粉末出料倉內(nèi)，粉料通過旋風(fēng)分離器與載氣分離；載氣經(jīng)過載氣過濾器過濾，再經(jīng)過冷卻器冷卻后進(jìn)入壓縮機系統(tǒng)壓縮、送往不同地點（圖1）。

圖1 載氣壓縮單元工藝流程

3 氣閥故障情況

載氣中含有大量的聚丙烯細(xì)粉，而載氣過濾器濾袋的過濾精度為5 μm，無法過濾掉全部的聚丙烯細(xì)粉，因此仍有部分細(xì)粉通過過濾器進(jìn)入載氣壓縮機系統(tǒng)。載氣過濾器共安裝有72 個濾袋，其中任何一個濾袋密封未安裝好或出現(xiàn)破損，則將有大量細(xì)粉通過載氣過濾器進(jìn)入壓縮機系統(tǒng)。因此，載氣壓縮機氣閥運行周期一直不穩(wěn)定，有時運行很短時間就發(fā)生故障停機。雖然已經(jīng)做過大量預(yù)防性維修工作，也無法避免載氣壓縮機氣閥突然性的故障損壞，產(chǎn)生非計劃停機損失。載氣過濾器的介質(zhì)組成為聚丙稀細(xì)粉，其他設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 載氣過濾器設(shè)計參數(shù)

原載氣壓縮機氣閥采用的PEEK 材料網(wǎng)狀閥，由閥座、閥片、彈簧、中間螺栓和升程限制器等部分組成（圖2）。它依靠閥片的開啟與關(guān)閉使氣缸與外界接通與切斷，閥片的開啟與關(guān)閉由氣缸內(nèi)、外氣體壓力差與彈簧力控制，無需其他驅(qū)動機構(gòu)。當(dāng)氣缸與閥腔之間的氣體壓力差足以克服彈簧力及閥片的質(zhì)量力時，閥片開啟，氣體先流入閥座再經(jīng)過環(huán)形通道進(jìn)入氣缸。氣閥剛開啟時，氣流推力大于彈簧力，閥片被推向升程限制器；當(dāng)活塞接近止點時，速度降低，進(jìn)氣速度和氣流推力也相應(yīng)減小，導(dǎo)致氣流推力不足以克服彈簧力，閥片又推向閥座，并與閥座貼緊，如此循環(huán)往復(fù)。閥片對閥座的撞擊并非完全垂直，因氣流不穩(wěn)定和閥片質(zhì)量不均勻，閥片會發(fā)生一定傾側(cè)，當(dāng)閥片側(cè)傾運動幅度超過設(shè)計值后，撞擊應(yīng)力隨側(cè)傾運動幅度增大而迅速增加。

圖2 網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)

由于載氣中含有聚丙烯粉末及少量的三乙基鋁，在閥片上結(jié)焦堆積不均勻，會增加閥片的側(cè)傾運動幅度，進(jìn)而增大閥片的撞擊應(yīng)力，導(dǎo)致閥片產(chǎn)生斷裂、使用壽命縮短。載氣壓縮機氣閥在使用中可靠性明顯存在不足，主要表現(xiàn)為：工藝氣中的固體顆粒成分在閥體上結(jié)焦，造成氣閥阻塞、氣閥流通性降低、閥片斷裂、彈簧卡塞、氣閥泄漏等故障（圖3）。

圖3 氣閥閥片斷裂

自聚丙烯裝置投產(chǎn)以來，載氣壓縮機K800 和K805 原裝氣閥故障率一直較高。為提升氣閥使用壽命，制定了很多提升措施，包括：提升載氣過濾器濾袋安裝質(zhì)量，保證濾袋密封口壓實，不會漏料，減少載氣帶粉量；改用其他品牌的網(wǎng)狀閥，提升氣閥質(zhì)量等。但使用效果不明顯。

4 氣閥改造方案

由于聚丙烯裝置的特殊性，載氣壓縮機介質(zhì)中含有較多聚丙烯細(xì)粉和少量三乙基鋁。針對氣閥使用工藝特點及故障情況，經(jīng)過初步研究分析，決定改變原氣閥的結(jié)構(gòu)，采用更適應(yīng)含有雜質(zhì)氣體的蘑菇閥。該氣閥具有流通性好，維護(hù)方便，對復(fù)雜工況和各種工藝氣介質(zhì)適應(yīng)性強等特點。而且改造簡單易行，直接更換目前氣閥即可，能夠準(zhǔn)確配合氣缸上現(xiàn)有的閥室和壓閥罩，不需要對壓縮機本身做任何改動，也不需要調(diào)整壓縮機的運行設(shè)置。載氣中的聚丙烯細(xì)粉更容易通過蘑菇閥，不會在氣閥流道中聚集產(chǎn)生結(jié)焦，造成閥片斷裂，機組故障停機。

4.1 蘑菇閥結(jié)構(gòu)

蘑菇閥具有獨特的密封面結(jié)構(gòu)，不同于網(wǎng)狀閥由一個呈蛛網(wǎng)形的閥片與閥座上的環(huán)形氣流通道形成密封面。蘑菇閥由數(shù)量更多的圓柱形蘑菇頭與閥座上的圓孔形成密封面，將閥座一分為二，使閥座的密封面成為一個獨立可拆卸的部分（圖4）。維修氣閥時，只需要將這個密封面連同蘑菇頭、彈簧等易損件一起更換，無需使用專用設(shè)備，就能保證其性能和新氣閥完全一致。而理論上環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥需要使用專用設(shè)備對密封面進(jìn)行翻新，很多用戶在現(xiàn)場只是簡單地更換彈簧和閥環(huán)等，不能稱為標(biāo)準(zhǔn)的維修。

圖4 蘑菇閥結(jié)構(gòu)

4.2 蘑菇閥的優(yōu)點

（1）圓形的蘑菇頭形成流線型的氣流通道，壓力損失小，比普通網(wǎng)狀閥更加牢固，而獨特的弧形結(jié)構(gòu)更有利于氣體的流通及雜質(zhì)的通過，對惡劣氣體環(huán)境適應(yīng)性更強，特別適用于雜質(zhì)和液擊較多的工況。

（2）可更換密封面設(shè)計，便于現(xiàn)場維修，閥體不受磨損可反復(fù)使用，只需要更換蘑菇頭和彈簧等易損件就可以完成氣閥修復(fù)。

（3）單個彈簧或蘑菇頭受損，僅損失少量氣閥功能，仍可堅持運行，避免緊急停車。

（4）彈簧底部增加底座，避免彈簧對閥蓋的磨損。

（5）彈簧置于蘑菇頭底部的空腔內(nèi)，不與閥蓋發(fā)生摩擦，萬一彈簧斷裂時，也不易掉出。

（6）強化處理的蘑菇頭，可以使其承受更高的沖擊力，氣閥可以選擇較高的升程增加氣閥槽道的流隙面積，從而提升氣閥的效率。

蘑菇閥與網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)對比如圖5 所示。

圖5 蘑菇閥與網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)對比

4.3 蘑菇閥更換

2018 年11 月裝置停工大檢修，公司對聚丙烯裝置兩條線載氣壓縮機K800 和K805 進(jìn)行大修，同步對機組氣閥進(jìn)行改造更換。蘑菇閥是根據(jù)原網(wǎng)狀閥安裝尺寸進(jìn)行設(shè)計改造的，因此壓閥罩和卸荷器均可以利舊，只需要更換氣閥。改用蘑菇閥后，機組各運行參數(shù)都非常穩(wěn)定，各級溫度及壓力未見明顯變化。

5 改造效果

載氣壓縮機蘑菇閥運行兩年后，拆卸下來的出氣閥如圖6 所示?？梢钥闯鰤嚎s機帶粉嚴(yán)重，并在氣閥表面結(jié)焦。解體檢查蘑菇閥，氣閥蘑菇頭結(jié)焦情況良好，密封面完好（圖7）。這證明蘑菇閥非常適合攜帶聚丙烯細(xì)粉的載氣工況，對雜質(zhì)具有良好的通過性，不易在氣閥流道中聚集產(chǎn)生結(jié)焦、損壞氣閥。

圖6 氣閥外觀情況

圖7 蘑菇頭結(jié)焦情況

載氣壓縮機改為蘑菇閥后，氣閥預(yù)防性更換周期延長至2年。根據(jù)氣閥更換周期，合理制定聚丙烯裝置的停工檢修計劃，預(yù)防性更換載氣壓縮機氣閥，不會對生產(chǎn)產(chǎn)生任何影響。從2018 年11 月至今已運行4 年多時間，氣閥使用壽命完全達(dá)到預(yù)期，未發(fā)生因氣閥故障導(dǎo)致機組停機的異常事件。

氣閥改造前，兩臺機組幾乎每年更換1～2 次氣閥，且每年會出現(xiàn)至少一起因氣閥故障導(dǎo)致非計劃停機事件。改造后每兩年才更換一次氣閥，每年可減少更換兩臺套壓縮機氣閥，減少一起非計劃停機搶修更換氣閥事件。

更換兩臺套壓縮機氣閥的維修費用約80 萬元，故障維修一次開停機時間需要48 h，壓縮機檢修期間載氣排放火炬，如果裝置不降量生產(chǎn)，每小時損失載氣7 t 左右，涉及產(chǎn)值預(yù)估3 萬元，48 h 造成的損失約144 萬元。改造蘑菇閥后，裝置運行平穩(wěn)，能完全做到預(yù)防性維修更換氣閥，減少了載氣排放損失和氣閥檢維修費用，每年節(jié)約費用成本超過220 萬元。

6 結(jié)束語

近年來國內(nèi)聚丙烯產(chǎn)能大幅提升，作為生產(chǎn)裝置的重要設(shè)備，載氣壓縮機的故障率關(guān)系到裝置能否長周期平穩(wěn)運行。氣閥是迷宮壓縮機最常見的故障部件，通過具體情況進(jìn)行故障分析，找到故障原因并提升其使用壽命尤其重要。將氣閥改造為蘑菇閥后，裝置的運行穩(wěn)定性和可靠性有了明顯提升，為生產(chǎn)帶來經(jīng)濟效益，具有較大推廣意義。