催化裂化装置滑阀故障分析

    由于其位置和作用特殊，用于催化裂化装置上的单动、双动滑阀工作时直接接触高温催化剂或烟气，其正常运行与否直接关系到整个装置的安全平稳。通过对其工作原理及其典型事故进行剖析，提出了滑阀管理方法和预防事故发生的有效措施。
    滑阀作为催化剂循环流程中的关键设备之一，在反应再生生产中，对催化裂化反应温度控制、物料调节以及压力控制起到关键作用。在紧急情况下，再生和待生滑阀还起到自保切断两器的安全作用。在同轴式催化裂化装置中，滑阀也作为催化剂外循环的调节阀和安保切断阀。此外，在催化裂化装置的再生气压力控制中，烟气流程上的双动滑阀也同样是起到两器安全和烟机安全的保护作用。文中对滑阀生产运行中的典型故障情况进行了分析。
    1 滑阀简介
    滑阀按照隔热形式分为冷壁式和热壁式。热壁式是早期的技术，而冷壁式是20世纪90年代发展起来的，其应用更加具有代表性。
    1.1 滑阀主要参数及结构
    阀体材质为20g或16MnR，内壁采用100～150mm厚的耐磨隔热双层衬里，使阀体外壁工作温度较低。对单动的再生、待生滑阀，其外表实测壁温能够控制在150～180℃。对双动滑阀，阀体内操作温度高达700℃时，其外壁温度也不超过200℃。所以，冷壁滑阀的阀体材质大多采用16MnR低合金钢，相对热壁式滑阀，在材料应用和制造上降低了要求。
    阀体与管道的连接采用同类材料焊接方式，现场组对焊接方便。滑阀的出入口多采用等径焊接结构，大盖多采用圆形或矩形箱体结构。双动滑阀则采用了类似单动滑阀的结构，只是对称设置了2个箱体及大盖。双动滑阀的大盖密封均采用了先进的唇型密封结构。冷壁单动滑阀阀体设计上主要采用等径三通型焊接结构，双动滑阀阀体采用异径四通型焊接结构。催化裂化装置中典型滑阀结构示意图见图1。

1.阀杆 2.填料函组件 3.阀大盖 4.唇形密封 5.节流挡板组件 6.阀体 7.耐磨衬里 8.阀板 9.导轨
图1 典型单动滑阀结构简图

    1.2 滑阀内件构成
    滑阀内件主要由节流锥、阀座圈、导轨及阀板等几部分组成。
    节流锥在滑阀内部，属于高温受力部件，承受着介质压差及阀座圈、导轨、阀板的全部重量。节流锥为悬挂式，大端焊在阀体上，节流锥下部通过螺栓固定有阀座圈和导轨，阀板与导轨相对滑动，节流锥和阀座圈等可随阀体内温度变化而自由膨胀和收缩。
    阀板和阀座圈形成滑阀的密封面。阀板密封面全部衬有耐磨衬里，并将阀板尾部隐蔽在密封面下面，盖住阀杆头部以增强阀板的耐冲蚀，并保护阀杆头部不受催化剂的冲刷。阀座圈、阀板、导轨均为高温合金钢铸造结构。
    滑阀导轨采用L型截面，便于喷焊硬质合金和磨削加工。阀座圈的阀口四周和阀板头部均衬有耐磨衬里，有效防止催化剂直接冲刷导轨与阀座圈的结合面，避免吹断导轨螺栓。
    阀板表面全部衬制龟甲网单层耐磨衬里。在催化剂冲刷严重的阀板前端和阀座圈的阀口处，均设有增强隔板来固定衬里。在阀板和导轨布置上，将导轨远离阀口安装，避免了催化剂直接冲刷导轨表面。阀板和阀座圈的重迭度增大，减少了通过间隙的催化剂通过量，减轻对导轨的磨损。
    有数据显示，国产冷壁单动滑阀导轨距离阀口为75mm，冷壁双动滑阀导轨距离阀口为100mm，全关时的阀板头部与阀口重叠大约50mm，有效地补偿了阀板磨损，保障了全开阀门时的流道畅通。
    1.3 滑阀密封部分结构组成
    滑阀的阀盖法兰内表面衬有无龟甲网钢纤维增强的单层衬里，阀盖法兰两侧和填料函上分别设有导轨和阀杆的吹扫接口，用于引进脱水蒸气或其他气体介质对滑阀导轨及阀杆进行吹扫、冷却。
    滑阀填料函采用串联填料密封结构，见图2。填料函内串联装入两种不同材料和规格的填料，内侧为备用填料，外侧是工作填料。填料函操作时，备用填料松套在阀杆上并不压紧，当工作填料失效或需要更换时，可通过填料函上备用填料处的注入口向内注入液体填料，将备用填料充实并压紧，使该填料起到密封作用。在阀门正常工作、调节状态下，也可方便地更换外侧的工作填料。备用填料为浸油石墨盘根，工作填料为柔性石墨，液体填料可采用二硫化钼锂基脂或添加一定比例石墨粉进行配制。冷壁滑阀在安装完毕后还应适当调整工作填料的压紧量，以保证填料函的密封性能，调整原则是填料和阀杆之间的间隙不应过小，以免填料及阀杆过早磨损，功耗也会增大，严重时还会影响灵活性。

图2 滑阀串联填料密封结构示图

    1.4 控制技术
    滑阀控制方式有电液控制、气动控制和电机驱动控制模式。由于装置现场安全要求和对控制精度要求越来越高，新建装置上，滑阀控制方式则主要以电液控制为主流，小型的设备上依然还有气动控制，但已经相对较少了。
    滑阀电液执行机构是由电气控制系统、电液伺服阀、伺服油缸、油泵以及作为反馈元件的位移传感器（或角度传感器）等组成的典型电液伺服位置自动控制系统。电液执行机构接受主控室4~20mA输入信号，通过伺服放大器、电液伺服阀、高精度位移传感器组成电液位置控制系统，使伺服油缸活塞杆按指令信号作直线位移，通过机械连杆传动，实现输入信号和被控制设备的线性位移关系。
    电液控制具有控制精度高、推力大、定位准确、响应快以及寿命长等显著特点，电液执行机构选用配件的隔爆要求都满足国家强制标准，要求具有较高的安全等级。

图3 滑阀电液执行机构原理示图

    2 滑阀的典型故障及对策
    滑阀的故障大致可以分为滑阀本体故障和滑阀运行故障两大类。滑阀本体故障是指滑阀的本体导致的功能性故障、安全性故障。常见故障有阀道内耐磨衬里松脱、阀体内紧固件松脱、磨损、断裂以及阀杆密封泄漏等滑阀的外部泄漏问题。滑阀的运行故障主要指阀在生产运行中的控制部分故障。常见故障有滑阀的手动、自动切换机构卡阻，滑阀控制系统故障。
    2.1 阀内件紧固螺栓断裂及预防
    2.1.1 阀内部螺栓断裂
    滑阀长期处于高温状态下，滑阀内部紧固螺栓的高温蠕变疲劳断裂是最为常见的内件故障问题。近几年，国内炼化企业在生产过程中，出现滑阀内部螺栓断裂情况多起，经过事故统计分析，阀内部螺栓断裂是滑阀常见的设备本体故障。
    滑阀设计中考虑到热膨胀的综合影响，所有内件均依靠导流锥悬挂，高温下导流锥、阀座圈、导轨及阀板为主要的受力部件，它们承受介质压差的全部重量。结构性的原因使内件之间的紧固螺栓在高温下承受着巨大的拉伸力。滑阀的内部紧固件为耐高温合金螺栓，常用材料为高温合金GH33，具有非常强的耐高温烟气腐蚀、抗H、N腐蚀的能力，同时也具有抗渗碳腐蚀和S腐蚀的能力，具有很高的热强性。由于长期持续在高温下工作，螺栓经受周期性冲击拉伸，螺栓的疲劳脆性断裂倾向是明显的。最常见的螺栓断裂部位是滑阀导轨道与阀座圈的连接螺栓断裂、阀座圈与导流锥之间的连接螺栓断裂。
    在生产过程中，内件螺栓的损坏表现为滑阀功能性故障。常见滑阀内件螺栓松脱和断裂之后的现象：①阀板脱离正常的位置，在阀板与阀座圈形成的密封面就会出现泄漏空间，滑阀截流及切断效果变差或者失效，泄漏形成的这个非正常通道就会成为流体介质的过流而加剧磨损。②阀板脱离正常位置，或者阀板与阀座圈一起脱离正常位置，阀杆头承受来自于阀板的弯曲压力，导致阀杆弯曲变形，使得滑阀开关出现卡涩，甚至卡死的故障。
    2.1.2 采取措施
    对于滑阀内件螺栓断裂的应对措施，重点在故障预防和预防性检修更换螺栓的工作上。该处螺栓一旦出现断裂，不但会造成设备损坏，而且对生产造成重大影响，维修中去除断在螺纹孔里的断头螺栓也是十分困难的。
    按照滑阀使用企业的调研情况，以及对滑阀螺栓材料的理论分析表明，滑阀内部紧固螺栓在正常使用5~8a之后，推荐更换一次。如果使用中常有超过设计温度的情况，其螺栓寿命应相应减短。鉴于当前国内石油化工企业在催化裂化装置运行周期上多采用3a一修的管理周期。因此，建议对滑阀内部紧固螺栓采取2个生产周期进行一次全面更换是合适的，也是减免滑阀螺栓断裂的重要手段。
    2.2 大盖密封泄漏及处理
    2.2.1 大盖密封泄漏
    常见滑阀的大盖密封有采用柔性石墨垫片密封和唇型密封两类。由于高温条件，实际应用中采用唇型密封的情况较多。唇型密封采用了紧固螺栓和密封焊接相结合的形式。唇型密封的连接螺栓紧固力应该均匀，最后的焊缝要均匀、连续，避免砂眼等缺陷，以遏止最初可能出现的泄漏。紧固螺栓起到保持两道密封面之间压紧的作用。
    现场多年的生产实践表明，垫片密封泄漏往往会同时出现垫片损坏和法兰面损坏。唇型密封泄漏的主要原因有两点，其一是密封焊接中产生的气孔、夹渣、砂眼以及裂纹等缺陷；其二是焊接金属在烟气介质和水蒸气条件下形成腐蚀环境，由此导致焊缝穿透。
    2.2.2 解决措施
    （1）检查消除唇型密封焊接缺陷
    唇形密封在焊接过程中，容易形成穿透性气孔、裂纹等缺陷，以致于无法起到隔离密封作用。这类问题在装置开工期间的气密试验中能够充分暴露，也易于处理。对于新的密封焊缝，焊逢金属缺陷部位没有明显氧化层，韧性好，易于变形。针对该情况，可以采用钢钎敲击，铆住漏点，然后进行动火补焊，或者撤掉滑阀的内部压力再施焊。由于滑阀腔体内部有压力，切忌直接补焊。
    （2）唇型密封运行中的堵漏
    对于生产运行中的唇型密封泄漏，由于泄漏部位介质外漏，在缺陷位置形成了氧化层，难以通过铆接的办法将泄漏点敲击堵住。
    实践中，可以采用将漏点最近的两边密封面之间的间隙用焊肉填满的方法。此处的焊接填充应避开紧固螺栓，防止螺栓受热伸长、紧固力减弱引起新的泄漏。填充了焊接接头与大盖法兰形成了对漏点的包围，以进一步将漏点控制。
    （3）运行中大盖垫片密封泄漏的抢修
    垫片密封泄漏问题很难处理。由于垫片的抗冲刷能力弱，泄漏扩张比较快，因而要求处理时间短。
    生产实践中，滑阀垫片泄漏的在线处理方案通常是沿法兰边沿包盒子，即沿法兰边沿一圈制作盒子，这样才能将法兰密封面完整地包起来。该方案能够在保障堵住漏点的情况下，保护密封面在将来的可修复性。
    2.3 阀杆密封泄漏处理
    滑阀的阀杆在工作中相对于阀体都作往复运动。阀杆泄漏问题经常出现在长周期运行的后期或者检修结束的初期。前者出现的原因是长周期运行中，阀杆的密封系统材料失效或者在使用中维护不当。后者主要为检修施工质量差或者检修选用配件质量差所致。常见的几种阀杆故障情况及其处理方案如下。
    （1）紧固填料压盖
    阀盖上的填料函采用串联填料密封结构，1个填料函内串联装入了2种不同材料和规格的填料，内侧为备用填料，外侧是工作填料。正常操作时，备用填料松套在阀杆上并不压紧，当出现泄漏迹象时，适当紧固工作填料压盖，即可消除泄漏。
    （2）注入液体填料
    对于串联填料密封，工作填料完全压紧即可实现密封。泄漏时，表明外侧工作填料失效，需要启用内侧填料，并更换外侧填料。通过填料函上备用填料处的注入口向内注入液体填料，将备用填料充实并压紧，使该填料起到密封作用。在阀门正常工作、调节状态下，也可方便地更换外侧的工作填料。
    备用填料为浸油石墨盘根，工作填料为柔性石墨，液体填料可采用二硫化钼锂基脂或添加一定比例石墨粉进行配制。液体填料通过专用工具从填料箱体上的专用注入口进入填料腔体里，挤压内侧备用填料，使其起到密封作用，随着填料注入，阀杆泄漏会逐步减小，直到完全不漏。
    （3）串联填料密封更换
    串联填料密封有泄漏迹象时，首先紧填料压盖，通过进一步压紧外侧工作填料对泄漏进行封堵。当工作填料失效或需要更换时，注入液体填料，将备用填料充实并压紧堵漏，使该填料起到密封作用。此时，阀门在正常工作状态下，可方便地更换外侧的工作填料。
    在确认内侧填料正常工作时，进行更换外侧填料操作：①松开压盖螺栓，取下填料压盖。②按照安装填料的逆向顺序，用盘根钩等工具依次掏出外侧填料。③依据现场状态判断，在安全的前提下，尽可能掏尽外侧填料。④清理外侧填料箱内表面粘连的填料碎片。⑤把事先准备好的填料（盘根）按照技术要求依次装填。⑥安装填料压盖，按照技术要求紧固压盖螺栓，完成更换盘根工作。⑦注意调整工作填料的压紧量，以保证填料函的密封性能和阀杆动作的灵活性，防止盘根与阀杆间隙过小，引起填料及阀杆过早磨损，也会增大功耗。
    3 电液控制系统的常见故障及预防
    滑阀的电液系统包括弱电、动力、过滤、压控、电液转换，液力放大和液力驱动等几大部分，故障具有多样性、复杂性、偶然性、必然性与隐蔽性等特点。
    3.1 故障检查
    首先观察故障现象，仔细了解故障产生的原因和故障产生前后设备的运转状况，查清故障是在什么条件下产生的，并摸清与故障有关的其他因素以及故障的特点等。一般可以采用目测、探听、触摸、鼻闻及仪器检测等方法诊断查出故障部位。根据所核实的故障原因，先选择经简单检查核实或修理即可使设备恢复正常工作状态的项目，即采取先易后难的原则，排出检查顺序，以便在最短的时间内完成检查工作。
    液压系统的主要问题常由于液压油的品质问题或是电液控制阀的失效引起。电液控制阀故障的主要原因是液压油的清洁问题。因此，液压油的更换和管理是保障滑阀安全高精度运行的基础条件。
    3.2 电液系统的维护与保养
    3.2.1 控制阀管理
    控制阀作为电液系统组成部分，安装在液压泵和液压缸之间，在系统中不作功，只对执行元件起控制作用。液压控制阀结构精密紧凑，其运行的可靠性主要与液压系统设计选型和液压油品质相关。
    在日常运行维护中，应依据控制阀动作的频繁程度设立不同的维护计划。
    （1）对于频繁动作的控制阀，应定期更新。如对于伺服阀，应该依据实际情况定期更新，避免阀芯磨损带来的负面影响。
    （2）对于偶尔动作的控制阀，应依据生产实际，制订计划在线试验其灵活性。如对于自保电磁阀，定期试验既可以检验其可靠性，也可以使油流通过阀芯，冲刷长期静止状态下液压油中沉积在阀芯上的杂质或变质物资，有利于疏通阀芯通道，避免阀芯卡涩。
    （3）对于外弹簧式控制阀，应定期清洗。如对于滑阀油温控制阀，外置的弹簧受环境影响，定期清理积灰和尘垢，能恢复其灵活性，保障使用效果。
    3.2.2 液压油管理
    据资料显示，70%~80%的液压系统故障是与液压油问题相关的。保障液压油质量的稳定及清洁度，有利于提高液压系统的可靠性。
    （1）滑阀油选择
    一般选用抗磨液压油，油品粘度是液压油的最重要使用性能指标之一。它的选择合理与否，对液压系统的运动平稳性、工作可靠性与灵敏性、系统效率、功率损耗、气蚀现象、温升和磨损等都有显著影响，甚至使系统不能工作。为此，选用液压油时，要根据具体情况或系统要求选择合适的粘度和适当的液压油品种。
    （2）油液清洁度
    油液清洁程度是决定液压系统能否正常工作的关键因素。据资料统计，液压系统故障有75%是由于液压油不清洁造成的。保持液压油的清洁应采取有效措施：①防止外界杂质进入系统。按照技术规范要求制订计划清洗油箱，更新液压油，并且一切添加液压油的器具都必须保持洁净，特别推荐购置滑阀用液压油时选用小包装型，避免添加过程中因分装导致的二次污染。②液压元件不要轻易拆卸，卸下的元件必须严格保持干净，存放于无尘地点。清洗、检查和装拆液压零件时，也应在无尘地点进行，总之，液压系统零件一定要避免长时间裸露，以尽量减少杂质进入系统的机会。③过滤杂质防止系统产生污物。经常检查过滤器差压，检查有无堵塞。防止油液变质产生沉积物，按要求定期清理油箱，清除沉积物并彻底换油。④定期检查油质。检验液压油的污染度和物化性能，其检验主要有两个方面：一是油的物理和化学性能，如粘度、闪点、酸度、水分含量、抗泡沫试验及防锈试验等。二是检查油中杂质颗粒大小和数量，即油的污染度。
    （3）油温
    油温主要影响油的粘度。油温过低会使粘度增大使吸油困难。油温过高会使粘度降低、油质变化、泄漏量增加、油液老化和变质，还会使密封件加速老化、变质和失效。油箱的油温不能超过60℃，一般液压设备的油量控制在35~60℃工作比较合适。
    （4）保持足够的油量
    输油量由执行装置的速度决定。为此，要求油箱的液面要尽量接近规定范围的上限。特别是第1次运行时，当各液压元件充满油液后，一定要注意观察油箱的液面高度，使液面接近允许液位的上限。
    4 结语
    随着催化裂化技术的不断进步和国内外催化裂化新技术、新设备的不断应用，催化裂化装置的规模也越来越大，滑阀直径以及制造技术难度也由此增大。滑阀位置关键，除了具有生产调节作用之外，也是装置自保启动情况下安全停车的关键设备之一，其安全运行性能将对整个装置产生较大的影响。