催化装置双动滑阀阀杆磨蚀原因探讨

2022-09-11

一、前言

催化裂化是石化厂的主要生产装置之一, 由中石化北京设计院设计, 规模为19.59万吨/年。于2004年11月建成投产, 采用了很多先进的设备和工艺。冷壁式滑阀在我厂第一次使用, 其中双动滑阀安装在催化裂化装置再生器顶部出口与放空烟囱之间, 用以控制再生器的压力, 使之与反应器的压力基本平衡。阀的开度根据再生器与反应器间的压差, 通过电液控制系统进行控制。

阀系由两块按相反方向移动的滑板组成, 两边对称, 从装置生产安全角度考量, 当滑阀处于关闭状态时, 中间仍留有一定的开口, 约总开度的10%左右。滑板在导轨上滑动, 导轨通过紧固螺栓固定在座圈上。

其主要技术性能如下:

1. 设计压力0.4Mpa和0.5Mpa

2. 最高设计温度780℃和900℃

3. 最高工作温度720℃和870℃

4. 正常操作压差0.06~0.08 Mpa

5. 阀体外壁操作温度:150℃和250℃

6. 阀体外壁设计温度:350℃

7. 最大行程250mm, 实际行程200mm

二、双动滑阀结构特点

图1为双动滑阀结构示意图。冷壁式双动滑阀阀体部分有阀体、阀盖、节流锥、阀座圈、阀板、导轨、阀杆等组成, 阀体内壁采用100-150mm厚耐磨隔热双层衬里, 隔热性能好, 阀体外壁温度较低一般不超过250℃。阀体材料采用16Mn R低合金钢, 降低了阀体的造价。冷壁滑阀的节流锥和阀座圈可随阀体内温度的变化而自由膨胀, 因此, 消除了热壁式阀体因阀座圈板焊在阀体上使热膨胀受到限制, 从而导致阀座和导轨产生节阻现象, 以至于损坏滑阀。

为避免高温介质的直接冲刷, 导轨在阀座圈下游, 并远离阀口布置。同时, 阀体侧法兰采用标准的圆法兰, 其受力均匀, 这就克服了热壁滑阀采用方法兰容易泄漏的问题。

阀盖两侧和填料函上分别设有导轨和阀杆吹扫接口。阀盖上的填料函采用串联填料密封结构。如当工作填料失效或需更换时, 可向液体填料注入口注入二硫化钼锂基脂, 将内侧的备用填料挤紧, 使该填料起到密封的作用。这样, 在阀门正常操作的状态下, 即可方便地更换外侧的工作填料。

阀座圈、导轨、阀板为高温合金铸件, 阀座圈、阀板、导轨为高温合金钢制造结构。导轨采用凹形截面, 有利于抵抗冲刷。阀座圈的阀口四周和阀板头部衬有TA-218耐磨衬里, 选用角型保温钉瞄固。阀板上表面全部衬制龟甲网单层TA-218耐磨衬里, 有利于保护阀杆头部并解决了以往阀板部分合金表面不耐磨损的问题。阀座圈与阀板相对移动的二个衬里表面, 烧结后均进行磨削加工, 表面平整光滑, 滑动间隙均匀, 防止阀板卡阻并有利提高其耐磨性能。

阀杆为高温合金钢锻造结构, 材料选用4Cr14Ni14W2Mo, 与阀板连接的头部采用集T形接头和密封台肩与一体的圆柱形球面连接形式。阀杆与阀板的连接采用滑动配合, 以适应阀板随节流锥、阀座圈热胀冷缩时的位移。

阀杆表面喷焊硬质合金, 其表面硬化层较厚而均匀, 经磨削后几何精度高, 表面光滑, 有利于提高填料的密封性能。

三、双动滑阀阀杆故障现象

从双动滑阀的结构特点来看, 我们可以看出, 在正常的操作条件和正确的安装情况下, 其安全工作性能是充分可以保障装置连续生产需要的。装置从2004年11月建成投产以来, 在2006年4月份的检修中就发现双动滑阀东面阀杆被含有催化剂粉尘的高温烟气损伤, 当时没有备件进行更换, 被迫采取堆焊、车削处理。2006年10月停工时检查双动滑阀阀杆, 仍然是东面阀杆损伤, 采取更换新件的处理措施。2007年10月份检修时发现东边滑阀阀杆完好, 西

边的一根阀杆有不同程度的冲刷磨损, 拆出进行堆焊处理。2008年9月份发现东边的阀杆再次出现了不同程度的磨损, 并且导轨中部有催化剂烧结而成的硬块。如图2所示即为东面阀杆磨损图, 图3即为导轨内烧结而成的硬块。

四、双动滑阀阀杆磨蚀原因分析

1. 高温工况下阀杆材料恶性变化

如图3所示, 烟气携带着催化剂从再生器烟管出来时, 由于流通面积发生了突变, 在阀板处带动周围的气体形成了涡流。由于催化加颗粒非常细小 (呈粉尘状) , 便随着气体一起旋转, 形成催化剂涡流 (如图4所示) 。由于此前使用的是兰州石化产的LRC-99型催化剂, 其细粉较多, 有相当一部分携带出来。在700℃的高温烟气及催化剂颗粒的冲刷下, 阀杆的受力条件非常恶化, 其内部材料不可避免的发生了再结晶、扩散、溶解等过程, 疲劳裂纹从表面缺陷或表面晶界萌生并沿晶界向基体内生长。实际上, 疲劳寿命绝大部分消耗于裂纹生长区。在循环应力的作用下, 累进式发生沿晶断裂和穿晶故障, 裂纹以一定形式的速度扩展, 使阀杆材质受到严重的削弱。

2. 吹扫、冷却用非净化风流量超标

双动滑阀阀盖上原设计是蒸汽吹扫沉积的催化剂, 用来防止催化加堵塞阀板与导轨之间的滑道与填料函间的间隙, 并冷却有关部件。现场改为非净化风, 由于非净化风温度较低, 约26℃左右, 烟气温度700℃左右, 冷热流体接触, 会改变导轨头处和阀杆与阀板连接处的催化剂涡流温度和旋转速度, 造成此而出金属的快速冲蚀。

3. 安装时零位漂移

由于双动滑阀是两边各向对面位移, 因此安装时要仔细调好行程限位。正确的零位安装如图3所示。催化装置在2006年4月份的检修中就发现东面阀杆被含有催化剂粉尘的高温烟气损伤, 2006年10月检查发现仍然是东面阀杆损伤。当时分析认为是吹扫的非净化风副线开的太大。为防止人为操作上的因素, 割除了非净化风的副线, 并加上了φ3mm的限流孔板。2007年10月份检修时发现东边阀杆完好, 而西边的一根阀杆有不同程度的冲刷磨损, 拆出进行堆焊处理。检修完安装后, 仪表进行调整零位, 发现寻找不到零点。2008年9月份发现东边的阀杆再次出现了不同程度的磨损。通过以上现象, 经过分析后我们认为是安装时阀杆与液压系统螺纹连接处未定位准确, 导致阀板活动后, 越过零点位置, 使阀板与阀座圈间隙增大, 烟气从侧路进入, 吹蚀阀杆。正常情况下, 滑阀的两个阀板如图5 (a) 所示, 两边阀杆行程一致, 中间留有约10%的开度。而在异常情况下, 阀杆与液压系统螺纹连接如果错上2~3扣, 就会出现如图5 (b) (c) 所示的情况, 西边或者东边的阀板越过零点位置, 阀板与阀座圈的缝隙之间高温烟气量加大, 从缝隙偏流的含有催化剂粉尘的高温烟气, 直接烘吹阀杆, 致使阀杆受力条件恶化, 强度下降, 表面出现蚀坑。从图6可以看出, 烟气从西边侧路进入, 长期的侵蚀之下, 特定点龟甲网已经破损。