延遲焦化防結焦球閥 延遲焦化球閥 焦化減壓閥 焦化球閥 焦化防結焦球閥 球閥

之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹延遲焦化防結焦球閥為了尋求更好的經濟效益，我國大型煉化裝配煉制原油的含硫、含酸比例在賡續上升。煉化裝配具有高溫、介質含有大量硬固體顆粒等復雜工況條件，傳統閥門無法適用。金屬硬密封耐磨球閥很好的解決了這一題目。我國大型煉油項目耽誤焦化裝配中使用的高溫防結焦金屬硬密封耐磨球閥，重要采用進口的VELAN球閥。近年來部分進口金屬硬密封耐磨球閥已被國產閥門所庖代。目前我國生產制造的金屬硬密封耐磨球閥的zui大公稱尺寸已達到DN800（NPS32），zui高公稱壓力已達到PN420（Class2500），zui高設計溫度達到600℃。
1 高溫防結焦耐磨球閥
焦化是使重質油品加熱裂解，聚合變成輕質油、中心餾分油和焦炭的加工過程。耽誤焦化是一種石油二次加工技術，是以渣油（一樣平常為減壓渣油）為質料、在高溫（500~550℃）下進行深度熱裂反應的一種加熱過程。減壓渣油在管式爐中加熱，采用高流速及高熱強度，使其在加熱爐中短時間內達到焦化反應所需的溫度，然后敏捷進入焦炭塔，使焦化反應不在加熱爐而是耽誤到焦炭塔中進行，故稱之為耽誤焦化。耽誤焦化裝配運行的重要矛盾為：使用的質料為重質油，重質油在高溫下容易結焦，但盼望它在焦炭塔中結焦，而不盼望它在加熱爐、焦炭塔餾出線和分餾塔底等處結焦。所以除了工藝采取諸如：在焦炭塔出口管線上打急冷油，在質料油進加熱爐輻射管之前注入蒸汽或軟化水等措施外，還應該防止管線上閥門的結焦。高溫防結焦耐磨球閥有用地解決了耽誤焦化裝配中閥門使用過程要解決的三個凸起題目：耐受500℃的高溫；防止高溫下的油氣結焦；消弭焦粉對密封面的沖刷。

某石化公司煉油廠延遲焦化裝置2008年9月建成投產，加工量為1200kt/a，生焦周期為24h。該裝置采用1臺加熱爐、2臺焦炭塔的工藝路線及可靈活調節循環比的工藝流程，裝置設計循環比為0.5，以減壓渣油、催化油漿、乙烯焦油為原料。
該裝置焦炭塔系統共有7臺高溫球閥，用于焦炭塔切換操作過程中的流程轉換。裝置運行至今，這些閥門不同部位先后多次出現故障，影響裝置正常生產，勞動強度增加，給安全生產造成了不同程度的困擾。
1 高溫球閥使用情況
焦化裝置焦炭塔系統高溫球閥共7臺：進料閥2臺，瓦斯閥2臺，瓦斯放空閥2臺，四通閥1臺，規格及操作參數見表1。
表1 高溫焦球閥參數

2 高溫球閥故障
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥裝置開工以來，使用的電動高溫防結焦球閥主要出現過3種故障：閥體內結焦閥門開關不動、電動執行機構損壞以及閥體中分墊片泄漏。電動執行機構故障是在閥門結焦后，手動操作電動執行機構阻力過大導致的損壞。
2009年9月，焦炭塔T1101B塔進料閥因結焦無法正常開關。新閥安裝后，為了保護閥門、電動執行機構以及盡早發現閥門結焦，電動執行機構zui大允許開閥力矩、zui大允許關閥力矩設定在zui大力矩的70%，實測開閥力矩、關閥力矩值均小于30%。隨著閥門的使用，開、關閥力矩逐步增大，zui后出現開、關閥過程中超力矩保護動作，閥門停止開關，閥門出現輕微結焦現象。為保證裝置正常生產，將開閥力矩、關閥力矩分別調至90%和100%，閥門維持使用。隨著生產過程的繼續，2009年11月，閥門結焦更加嚴重，zui后將開閥力矩、關閥力矩分別調至140%和100%，閥門依舊無法關閉到全關位置，剩余2%~4%的閥門開度，需將執行機構切換至手動狀態將閥門關閉到0位。由于長時間大阻力手動操作電動執行機構，電動執行機構內手動離合器損壞，zui后將電動執行機構拆卸，用加工好的手輪及加力杠代替執行機構開關閥門，維持裝置生產，員工勞動強度也因此大幅增加。
2011年，焦炭塔T1101A瓦斯閥出現了2009年B塔進料閥相同的故障，經歷了同樣的處理過程，維持了裝置正常生產。
2012年，焦炭塔T1101B塔進料閥再次出現類似故障。

1.1 高溫防結焦耐磨球閥在耽誤焦化裝配中的典型應用
耽誤焦化典型的工藝流程有一爐兩塔、兩爐四塔等。焦炭塔是輪換使用的，即當一個塔內焦炭聚結到肯定高度時，即進行切換，通過四通閥將進料切換進另一個塔。下面以一爐兩塔流程為例，介紹焦化高溫防結焦耐磨球閥在焦化裝配中的典型應用。圖1中加熱爐出口閥和一道甩油閥通常采用高溫防結焦耐磨球閥。圖2為已運至現場的高溫防結焦球閥的實物圖。圖3為高溫防結焦耐磨球閥在現場的應用。
（1）耽誤焦化裝配中高溫防結焦耐磨球閥的工況條件
焦化裝配中高溫防結焦耐磨球閥的使用介質一樣平常為含有焦粉的油品、減壓渣油和蒸汽，工作溫度在500℃左右，工作壓力為0.5MPa左右。在此工況條件下，閥門長期處于易結焦和高溫的工況條件下，就必須具備耐腐蝕、耐磨、耐沖刷、防結焦及快速切斷等功能。
（2）耽誤焦化裝配中高溫防結焦耐磨球閥所用的閥門材料
經過焦化加熱爐后，介質中的環烷酸大部分會發生分解。因此，焦炭塔頂大油氣線以及焦化爐出口至焦炭塔管線的腐蝕機理重要為高溫硫腐蝕。所以在此高溫重油部位的管道材質保舉選用12Cr5Mo。閥體的材質不應低于球閥所在體系管道的材質，這就使得高溫防結焦耐磨球閥的閥體一樣平常選為ASTMA217C12（鉻鉬鋼），球體一樣平常選為ASTMA487Gr.CA6NM（鉻鎳鉬鋼）或其相似甚至性能更高的其他材質。
耽誤焦化用高溫防結焦耐磨球閥
圖中：加熱爐出口閥的工作溫度在500℃，工作壓力為0.5MPa，持續工作時間8400h；一道甩油閥的工作溫度在500℃/450℃，工作壓力為0.6MPa/0.3MPa，若一個生產周期24h的話，一道甩油閥工作18h。
圖1 高溫防結焦耐磨球閥在耽誤焦化中的典型應用
已運至現場的高溫防結焦球閥的實物圖

防結焦球閥在現場的安裝圖
1.2 耽誤焦化裝配高溫防結焦耐磨球閥的介質工況特征及對閥門的要求
（1）介質中含有焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結焦、沾結，容易導致閥門卡死或密封失效。因此要求閥門對閥座、閥門中腔、閥門填料等部位進行有用防護，阻止結焦介質在閥門工作過程中進入閥內。
（2）閥座采用刮刀結構設計。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關過程中，閥座對球面有刮刷動作，能有用削減球面污物進入密封副，保證密封可靠。
（3）閥門用于高溫工況，zui高工作溫度為500℃，因為閥門零部件的熱脹冷縮，容易導致閥門在高溫下的卡死而無法實現啟閉動作。閥門結構、尺寸設計和選材時要確保高溫工況正常工作，不發生卡死。
（4）閥門可靠性要求高，閥門的動作失效將導致整個體系的停車。
（5）閥座的密封等級要求為ANSIFCI70-2VI級。
1.3 高溫防結焦耐磨球閥的設計結構和制造特點
高溫防結焦耐磨球閥是在浮動球閥的基礎上予以結構設計的改進，以適應高溫、耐腐蝕、耐沖刷和易結焦的工況要求施工圍擋制作，進步閥門使用壽命。
高溫防結焦耐磨球閥在設計階段應采用計算機仿真技術，進行有限元分析和閥門在500℃時的溫度場分析，參照分析效果和現實經驗調整閥門結構和內件設計尺寸。
高溫防結焦球閥的結構示意圖和三維剖面圖如圖2和圖3所示河北人事考試，其結構特點歸納如下：
耽誤焦化用高溫防結焦耐磨球閥
1-閥體；2-波紋管；3-閥前閥座；4-球體與閥桿；5-閥后閥座
圖2 高溫防結焦耐磨球閥
耽誤焦化用高溫防結焦耐磨球閥

圖3 高溫防結焦耐磨球閥的三維剖面圖
（1）全通徑結構。球體通道直徑與管路直徑雷同，流阻小，流通能力大，排渣方便。
（2）浮動球閥，閥后單向密封結構。進口端為高壓端，閥門在關閉狀況時，在介質壓力的作用下，球體產生肯定的位移，緊壓在出口端的閥座密封面上，從而保證出口端的密封。
因閥門是單向密封結構，在現場安裝時，必須細致安裝方向。
（3）分體式球閥。防結焦球閥進口端的閥座為波紋管閥座，出口端為可在閥體嵌入槽中滑動的金屬閥座，閥體和閥座之間設置密封墊。
（4）波紋管的設置。因高溫防結焦耐磨球閥在高溫工況下運行時，球體、閥座等內件都會因熱膨而使尺寸增大，內件沿閥門通道軸向方向上的尺寸膨脹，是導致高溫下閥門啟閉卡死的重要緣故原由。為防止在高溫情況下因球體等內件受熱膨脹而卡死，因此在閥前閥座背后設置波紋管，其波紋管詳圖如圖4所示。
耽誤焦化用高溫防結焦耐磨球閥
1-波紋管；2-閥座

圖4 放大的波紋管與閥座的連接
波紋管通常采用Inconel625材料制作，采用電子束焊或氬弧焊與閥座和襯套相焊接。設計時應保證閥座密封中間小于波紋管中徑，如許能使密封可靠。波紋管的彈性加載結構，能在正常關閉情況下確保球體密封面和閥座密封面間的緊密接觸，在高溫下能有用補償內件受熱膨脹，避免因高溫而導致的卡阻。
耽誤焦化用高溫防結焦耐磨球閥
圖5 刮刀結構設計
（5）應用超音速噴涂密封面。針對焦粉沖刷工況，球體和閥座密封面采用超音速噴涂技術，通過噴涂不同的材料進步密封面硬度，以進步耐沖刷和耐磨損的使用壽命。
超音速噴涂技術提供了先輩的噴涂工藝，而決定涂層硬度的關鍵是合理選擇涂層金屬材料。的涂層材料能使球體和密封面形成超硬密封，可以在很大程度上解決高溫下密封面耐磨性降落的缺陷。分外是在500℃高溫下還可以保持較高的硬度，不會被焦粉等顆粒介質劃傷，確保密封面可靠長久使用。
（6）細密加工。在保證密封面硬度的基礎上，球體及閥座密封面制造精度、外觀粗糙度、球面與閥座密封圈符合度是保證高溫防結焦球閥應用成功的關鍵。采用球面磨床磨削以及研磨機配對研磨是很好的工藝方法，能使球體與閥座密封面的幾何精度和外觀粗糙度達到設計要求，實現高符合度及可靠密封。
（7）球桿一體化結構。閥門采用球桿一體化結構，保證了球體與閥桿的同心度，球、桿團體剛度、強度大，工作可靠。
（8）閥座刮刀結構設計。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關過程中，閥座對球面有刮刷動作，能有用削減球面污物進入密封副，保證密封可靠。刮刀結構詳圖如圖5所示。
閥座刮刀硬度比球面硬度稍低，當閥座刮刀的刃口刮削球體外觀的結焦物時不會損壞球體密封面，閥門每次開啟或者關閉過程中能對球體密封面進行刮擦作用，防止固體顆粒進入閥座密封區域，而影響閥座的密封心肺復蘇模擬人，有用進步閥座密封性能和使用壽命。
分外細致：閥座刮刀刃口一樣平常為90°，加工中不能倒角，否則失去刮刀功能。
（9）蒸汽吹掃結構。因為焦化介質中含有極細的焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結焦、沾結，導致閥門卡死或密封失效。采用蒸汽吹掃對閥門的波紋管內外、閥門中腔、填料箱等部位進行吹掃珍愛，能有用地防止殘渣以及汽相焦粉等物料進入閥體空腔中，避免因焦粉累積而產生題目。在閥門處于工作狀況下，吹掃蒸汽壓力高于管道介質壓力，就可以起到珍愛和屏障作用。

3延遲焦化防結焦球閥 故障原因分析
從故障記錄來看，高溫防結焦球閥zui易出現的故障就是閥門結焦無法正常開關。
3.1 閥門長期使用的影響
裝置自開工至今經歷5次檢修（包含加熱爐清焦檢修）。檢修時檢查特閥殼體及閥球流道內有結焦現象，焦層厚度約為5mm，見圖1。

圖1 閥體內結焦情況
球閥應用于焦炭塔進料線及焦炭塔頂高溫油氣管線上，是裝置溫度zui高、zui易結焦的部位，結焦不可避免。而且由于球閥的結構特點，部分介質和焦粉可進入閥體與球體之間的空腔和波紋管的內外空腔內。雖然閥門設計時考慮了蒸汽吹掃口，但由于吹掃口位置設置等原因，介質及焦粉無法被*吹掃干凈，會在閥體空腔及波紋管內、外壁發生沉積，產生結焦。一旦結焦開始，這些部位又將成為不利因素，導致結焦速度加快，zui終使球體被迫抬升，波紋管變形甚至損壞，閥座變形，閥門開關力矩增大直至無法開關，閥門內漏直至無法使用。
3.2 閥門結構原因
理論上，當閥門*打開的時候，工藝介質從閥門中流過，波紋管推動閥座緊密貼合在球體上，球體受力后緊貼固定閥座，這樣就形成了閉合的腔室。吹掃蒸汽注入空腔后不產生流動，且蒸汽壓力大于介質壓力，蒸汽也形成保護，防止任何雜質進入空腔。閥門*關閉時也是同樣道理。因此，無論無論閥門處于打開還是關閉狀態時，都不會有吹掃蒸汽注入。只有當閥門在打開或關閉過程中，才會有吹掃蒸汽注入及雜質進入空腔的可能。波紋管內、外吹掃也是這樣。因此，閥門加工精度、密封面劃傷以及閥門長期在高低溫溫變載荷的作用下發生變形，為雜質進入空腔并結焦提供了條件。而結焦加劇又會加劇閥門尤其是波紋管和閥座的變形，進而加劇結焦，形成惡性循環，zui終閥門無法正常開關。這也是閥門一旦出現結焦，會在較短時間內結焦加劇的原因之一。
3.3 蒸汽品質及注入量的影響
閥門開關全程時長約20~30s，在閥門開關過程，需要有足夠的蒸汽量將雜質吹回管線內，避免落在閥體空腔內。閥門旋轉一定角度，會在底座上產生開口，空腔內聚集的蒸汽泄放到管線中，將雜質吹出。蒸汽量越大，吹掃效果越好，并且蒸汽會形成屏障，阻止雜質落入空腔。
裝置所用閥門共設計4道吹掃口，吹掃介質為廠內1.0MPa管網蒸汽，管網蒸汽品質的不穩定。在焦炭塔操作過程中不大量用汽的條件下，裝置自產蒸汽除自用外可向管網外輸蒸汽，此時球閥蒸汽吹掃用汽可保證較高壓力和流量。但在焦炭塔趕空氣試壓及老塔處理大量吹汽時，自產蒸汽不足，必須使用管網蒸汽，蒸汽品質相對較差，蒸汽吹掃效果變差。而焦炭塔操作用汽與球閥吹掃用汽來自同一分支管線，當焦炭塔大量用汽時，又會進一步弱化蒸汽吹掃效果，甚至出現短暫性的蒸汽中斷。另外，汽封管線保溫效果差、孔板孔徑過小也會削弱蒸汽吹掃效果。
3.4 工藝操作原因
除了閥門結構原因和人為操作失誤，將吹掃蒸汽關閉也是閥門結焦的原因。吹掃蒸汽中斷后，各空腔內失去蒸汽保護，介質就會進入空腔內結焦，即使是及時恢復蒸汽吹掃也無法將雜質吹出。若是焦炭塔處于生產狀態，后果將更加嚴重。另外，受裝置工藝操作影響，裝置出現過焦炭塔冷焦過程中，少量冷焦水通過汽封蒸汽線串入生產塔的狀況，管道內及冷焦水攜帶的雜質進入閥門空腔，并沉積導致閥門開關不動。

2 高溫模仿實驗
因為焦化防結焦球閥是處于高溫且介質硬度較高、條件極其惡劣的工況，所以容易出現閥門在高溫下“抱死”無法啟閉，或密封面關不嚴不耐沖刷等題目。為確保閥門在現實工況條件下知足使用要求，確保產品質量，所以要求對高溫防結焦耐磨球閥除了進行常規的殼體實驗，閥座密封試驗、開關扭矩試驗外還應進行高溫啟閉和高溫密封試驗。
值得細致的是，對閥門進行室溫下的閥座密封試驗合格濰坊網絡公司，不能透露表現閥門處于高溫（或低溫）工況下使用時仍能達到閥座密封要求。對于防結焦球閥，其在高溫下發生密封走漏時，同化焦粉等固體顆粒的氣象或液相介質會對閥座、球體外觀產生十分劇烈的沖蝕，導致閥門密封失效。

（1）高溫啟閉動作和高溫閥座密封試驗
閥門連接試壓盲板、試壓管路、測量熱電偶，采用電爐或履帶加熱器體例對防結焦球閥進行加熱。熱電偶檢測通道內閥座和球體外觀溫度，當達到500℃時，進行閥門高溫啟閉試驗，同時進行閥座氣密封試驗。
（2）高溫吹掃試驗
依次檢測波紋管內側、波紋管外側、閥體中腔、填料箱吹掃體系是否順暢，先把要檢測的吹掃體系的氣源打開，其余吹掃體系的氣源不要打開，然后進行閥門的開啟動作，觀察閥體中腔吹掃體系是否順暢。
4 采取的措施
4.1 優化閥門結構，定期進行閥門更換
由于裝置球閥多次出現故障，影響裝置長周期運行，同時考慮費用因素，將焦炭塔系統6臺兩通電動球閥國產化，對其結構進行了改進，如采用“桿球一體化設計”、刮削式閥座結構設計、合金粉末及噴涂工藝等。采購6臺閥門，與原來進口閥門互為備用。測定閥門開關原始力矩值及對在用閥門的力矩進行定期監測，根據力矩值等條件綜合判定閥門運行狀態，根據判斷結果，利用裝置停工檢修時機對閥門進行更換，拆卸下來的閥門進行國產化返廠維修，避免閥門長期使用所帶來的不利影響，達到可靠運行的目的。
4.2 更改蒸汽汽源，加強操作管理
拆除吹掃蒸汽的限流孔板，zui大程度對閥門進行吹掃；委托設計部門將3.5MPa蒸汽減溫減壓后作為特閥汽封蒸汽汽源，消除管網蒸汽波動及焦炭塔趕空氣及大量吹汽用汽對特閥汽封的影響；改變冷焦方法，在冷焦水上水線上增設壓力變送器，嚴格控制冷焦給水壓力指示值小于特閥汽封汽源壓力，保證冷焦水不沿汽封線串入閥腔；嚴查工藝操作紀律，嚴禁隨意切斷閥門吹掃蒸汽線；檢查閥門開關到位指示，保證閥門處于全開、全開狀態；適當延長焦炭塔小吹汽時間，確保進料短管內潔凈；焦炭塔切換后，老塔閥門反復開關閥門3次，增加閥腔吹掃次數，盡可能將掉入閥腔內的雜質吹掃出來。
5 結束語
2013年5月裝置檢修期間，對焦炭塔系統球閥全部進行了更換，通過采取優化改進措施，至今閥門運行狀態良好，開、關閥力矩在70%以下。說明針對球閥產生的故障原因分析準確，措施得當。
因為能同時知足高溫、耐磨、耐腐蝕、防結焦和開關方便等要求，金屬硬密封防結焦球閥在耽誤焦化裝配中獲得了廣泛的應用，促進了球閥技術的快速發展。了解耽誤焦化裝配運行的工況參數和要求，掌握金屬硬密封防結焦球閥結構、制造、檢驗特點，對生產制造能知足使用要求的防結焦球閥具有緊張意義。目前國內的一些閥門制造企業生產的高溫防結焦耐磨球閥已經可以漸漸替換進口的同類產品，這將有用降低煉化企業的采購成本，推進我國煉化事業的發展。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥