80万t/年重油催化装置滑阀典型事故分析

        胜利油田石油化工总厂重油催化装置反应系统原有滑阀八台，在2007年改造中，由于新增汽油反应系统而增加新滑阀三台，在目前的11台滑阀中有两台使用蒸汽作为反吹动力来源，其余滑阀使用风作为反吹动力。它们分别是汽油再生滑阀、重油再生滑阀，因为这两个滑阀的下游有油气不能与风接触，故反吹动力只能使用蒸汽。反吹蒸汽主要布置在滑阀的两个地方，一个是布置在滑阀阀杆填料函，起密封作用。另一个是布置在正对两个导轨的位置，起不让因催化剂沉积在导轨而阻碍阀板运动的作用。
        滑阀通常的结构如图1所示，一般由阀体和执行机构组成，阀体主要由阀座圈、导轨、阀板、阀杆及紧固件等构成。为延长滑阀使用寿命，在阀体部分衬有隔热耐磨衬里，结构较简单，但是对材料以及安装有很高的要求。

图1

        一、事故发生经过
        2008年7月5日上午10时，反应系统的岗位人员发现汽油再生滑阀虽大范围开关，但对于催化剂的流动控制完全失效，导致汽油反应温度急速下降，而使汽油反应系统切断进料，结果是使整个装置内的汽油质量不合格，最后整个装置须停工抢修。
        拆开滑阀后发现，两台用蒸汽作反吹动力的滑阀有严重损坏，其中汽油再生滑阀阀杆端部磨掉而使其与阀板完全脱开，致使滑阀开关失效。支撑阀板的导轨沿阀杆轴向被磨出两个几乎贯穿的深洞。阀杆左右喷嘴为蒸汽反吹喷嘴，这两个喷嘴正对导轨，主要用来防止催化剂的沉积影响阀板运动。
        导致汽油再生滑阀开关失效的主要原因是阀杆端部的T型头和阀板的T型槽被磨掉，致使阀杆与阀板完全脱开。而导轨上的纵向深洞正对两个蒸汽反吹喷嘴，因而反吹蒸汽喷嘴与导轨的磨损有不可避免的联系。
        重油再生滑阀阀杆局部磨损，右侧导轨同样磨出一个深洞。该滑阀按目前状况也不会再使用多长时间。
        该装置自1997年开车以来，滑阀从未出现过如此严重的磨损情况，因为滑阀对于装置的长期平稳运行起着至关重要的作用，这种情况的出现引起了公司的高度重视。
        二、事故原因分析
        重油再生滑阀和汽油再生滑阀所通过的催化剂与高温油气接触，所以该两阀的反吹动力采用蒸汽而不用风，以避免油气与风接触产生闪爆，不利于安全生产。
        在2007年的设备改造中，反吹蒸汽采用公称压力为2.5MPa、直径为20mm的管线输送，在集合管分支后加有直径为3mm的孔板，经节流后分别流向阀杆填料函和两侧导轨。根据流体力学中的伯努利方程和流动连续性方程，可以得到经过孔板的流量与压差之间的定量关系式：

       
        式中：α—流量系数；
        ε—膨胀校正系数；
        d—节流板直径；
        △p——孔板前后差压；
        ρ1—孔板前的蒸汽密度。
        从上面的公式可以得到反吹蒸汽经过孔板离开蒸汽管时的速度v＝Q/A（A为蒸汽管的横截面面积）。
        由此可见，蒸汽在蒸汽管出口处的速度仅仅与孔板直径的平方成正比，因此孔板直径对于反吹蒸汽吹向阀杆T型头及导轨的速度起着决定性的作用。
        在旧的设计中，孔板直径是2mm。这样新的反吹蒸汽速度就是旧设计速度的2.25倍，可见孔板直径的大小对反吹速度的影响极大。较高的蒸汽速度会增加催化剂的涡流速度以及对阀杆和导轨的磨损速度，大大降低滑阀的使用寿命。
        另外，阀板及导轨和阀杆的材料选择对于它们的耐冲刷能力影响重大，新设计中阀座圈阀板导轨及阀杆的材质为0Cr19Ni9，而旧的设计中滑阀主体材料为GH180，相当于美国标准的Incoloy800H。
        GH180在长期高温应用中具有较高的冶金稳定性，使用温度最高可达1100℃，且在高温下易形成防护性能良好的氧化膜，该氧化膜具有足够的黏附性，因此合金在抗氧化性能好的高温下可承受反复加热，氧化膜不易剥落，在较高温度下具有高的持久强度和蠕变强度，在催化装置反应系统中，由于催化剂的存在，需要滑阀材料具有很高的耐磨性能，而该种材料恰恰可以满足这种要求。
        在新设计中，由于再生滑阀采用0Cr19Ni9材料，当装置反应系统操作非正常时，如长时间的碳堆和油气互窜出现的高温情况，最高温度可达800～900℃，而0Cr19Ni9的正常使用温度在700℃以下，这样在高温下其强度和耐磨度都大大下降，强度的降低主要表现在材料的石墨化倾向明显，并出现材料的开裂，强度的降低往往会加速材料的磨损，这些情况也可以从前面的图中看出。像汽油再生滑阀和重油再生滑阀与高温催化剂紧密接触，在选材时要充分考虑材料在非正常状况下的耐高温、耐磨性能。
        三、采取的改进措施
        一是将蒸汽限流板孔直径由3mm改为旧设计的2mm，以降低反吹蒸汽速度，进而减小催化剂对材料的磨损。
        二是将汽油再生滑阀和重油再生滑阀的主体材料由0Cr19Ni9升级为GH180。
        从2010年大修时的情况来看，看滑阀主体材料在使用1年半后磨损轻微，仍可继续使用，达到了预期效果。
        参考文献：
        ［1］中国石油和石化工程研究会.炼油设备工程师手册[M].中国石化出版社，2003.
        ［2］王怀义.石油化工管道安装设计便查手册[M].中国石化出版社，2003.
        ［3］张展等.机械设计通用手册[M].中国劳动出版社，1993.
        ［4］石油大学自动化系.测量仪表与自动化[M].石油大学出版社，1993.