延长S Zorb装置闭锁料斗程控球阀使用寿命的探讨

第５５卷　第４期２０１９年８月石　油　化　工　自　动　化
ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＰＥＴＲＯ ＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹＶｏｌ．５５，Ｎｏ．４
Ａｕｇ
，２
０１９稿件收到日期：２０１９０２２９，修改稿收到日期：２０１９０５１３。

作者简介：李政（１９８７—），男，辽宁岫岩人，２００９年毕业于北京化工
大学自动化专业，获学士学位，现就职于中石化北京燕山分公司，从事石油化工自动化运行管理工作，任工程师。

延长ＳＺｏｒｂ装置闭锁料斗程控
球阀使用寿命的探讨
李政
（中国石化燕山石化公司，北京１０２５００）
摘要：ＳＺｏｒｂ装置程控球阀是闭锁料斗单元的核心设备，
用于控制反应再生系统所需吸附剂的正常使用。

由于使用工况苛刻，工艺介质为高温、临氢、磨损严重的吸附剂，程控阀故障频繁，已成为ＳＺｏｒｂ装置生产的共性问题。

介绍了该类球阀的结构
特征，结合装置运行中球阀故障现象及原因分析，总结阀门故障处理经验，分别从安装、密封形式改造、操作及设备管理方面，提出延长球阀使用寿命的方法，在实际应用中取得了较好的效果。

关键词：ＳＺｏｒｂ装置　闭锁料斗　金属密封球阀中图分类号：ＴＨ１３８．５２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００７７３２４（２０１９）０４００８１０４
１　工艺流程及程控阀使用情况简介为了适应保护环境的要求，降低机动车尾气
中有害气体的排放，
世界各国对发动机燃料的质量都提出了严格的标准，汽油中的烯烃和硫等作为有害物质被严格限制。

康菲石油公司开发的Ｓ
Ｚｏｒｂ吸附法（ＳＺｏｒｂＳＲＴ）汽油脱硫技术，可将高硫催化裂化（ＦＣＣ）
汽油转化为低硫汽油，具有脱硫率高、抗爆指数损失小、氢气化学消耗低、能耗低的特点，可以将ＦＣＣ汽油中硫的质量分数直接降
低到１×１０－５以下，汽油辛烷值损失在１个单位以下，对于１．２Ｍｔ／ａ的ＳＺｏｒｂ装置，
当生产超低硫汽油时，与加氢处理相比，年操作费用可节省
１５０万美元，
是中国石化汽油产品质量升级的重要措施。

闭锁料斗控制系统（
ＬＭＳ）是ＳＺｏｒｂ装置控制的核心，
通过它的有效运转，实现吸附剂在反应器和再生器中的正常循环，同时还涉及氢氧环境的隔离和切换，安全要求很高。

ＳＺｏｒｂ装置有３１台闭锁料斗程序控制球阀，均为两位式切断球阀。

操作介质有高温油气、氢气、氮气及富含粒度为
０～１５０μｍ的吸附剂颗粒，
操作工况具有阀门前后压差大和开关频繁等特点，闭锁料斗典型的操作条件见表１所列。

基于以上特点，要求该球阀耐磨、耐冲蚀，开关迅速（通常８ｓ以内）并且切断能力高，隔绝及防泄漏能力强，通常设计要求达最高的Ⅵ级密封标准。

表１　闭锁料斗操作条件设计压力／ＭＰａ操作压力／ＭＰａ设计温度／℃操作温度／℃最大压差／ＭＰａ
操作介质４．２６２．９７４７０４２７４．２６
吸附剂（０～１５０μｍ），Ｈ２，ＨＣ 根据表１操作条件，
闭锁料斗系统程控球阀选用金属密封，目前某公司２套ＳＺｏｒｂ装置在用６２台程控球阀有５５台为ＭＯＧＡＳ进口金属密封球阀。

在实际运行过程中，这些球阀故障频发，严重影响吸附剂的正常循环，进而影响产品质量，且这些球阀维修难度大、维修成本高，严重制约装置的长周期运行。

降低关键阀门故障率，延长阀门寿命是目前ＳＺｏｒｂ装置长周期运行亟待解决的问题。

２　ＭＯＧＡＳ金属密封球阀结构特点２号ＳＺｏｒｂ装置闭锁料斗程控球阀，全部采用进口ＭＯＧＡＳ公司Ｃ系列耐磨球阀，每台由气动执行机构和本体球阀组成结构，如图１所示。

该
球阀采用双阀座浮动球设计，全金属双向密封；阀
体为全锻造阀体，材质有Ａ１８２Ｆ３１６和Ａ１８２Ｆ２２两种，前者耐８１５℃高温，后者可承受５９３℃工况［１］；球体、阀座机体材质为４１０ＳＳ，表面采用镀铬，超音速喷涂金属粒子表面处理工艺，经过处理
后的球体及阀座表面硬度能达到４５～６５ＨＲＣ［
３］。

球体与阀座全部以手工配对研磨，保证其密封等级达到Ⅵ级。

此外，该球阀采用超大球体设计，可
得到较宽密封面，防止很小的刮擦造成的泄漏，并可防止意外超行程转动造成的泄漏。

阀座锋利边缘具有球体自刮擦和自清洁作用，防止微粒进入密封面导致密封面破坏，造成泄漏。

弹簧结构采用碟形，有效防止固体颗粒堆积。

填料由３个模压成型的三明治式的组合纯石墨环和２个填充有缠绕丝的石墨抗挤压环两部分组成，密封泄漏量小
于５００μｇ／ｇ。

阀杆设计有轴肩，为防飞出压力密封阀杆，压力越大密封越紧。

图１　ＭＯＧＡＳＣ系列程控耐磨球阀结构示意３　程控阀故障现象及原因分析该公司目前有２套ＳＺｏｒｂ装置，
总结装置建设和维护经验，
由安装问题造成的程控球阀故障，一般３个月左右便会暴露。

不同部位球阀在使用中因其他原因也出现一些问题，其寿命影响Ｓ
Ｚｏｒｂ装置的平稳生产。

２号ＳＺｏｒｂ装置２０１３年１０月２４日建成投产，截至２０１４年１０月发生故障
统计见表２所列。

表２　２号ＳＺｏｒｂ装置程控球阀故障统计故障时间位号故障现象处理方式
２０１３１１０３ＸＶ２４２１　关闭超时（
多次）吹扫管线２０１３１１１５ＸＶ２４０６　关闭超时（
多次）增加气动风源２０１３１１２６ＸＶ２４０１　阀门内漏
更换阀门２０１４０１２３ＸＶ２４０３　阀门内漏
更换阀门２０１４０２２０　ＸＶ２４０８ 阀门内漏，
拆检发现密封环磨损严重更换阀门　
２０１４０３１９ＸＶ２４０６　阀门内漏
更换阀门２０１４０５２０ＸＶ２４０６　阀体与执行机构半脱开
更换键２０１４０５２０ＸＶ２４２０　阀门动作，
无回讯更换回讯开关２０１４０６０８ＸＶ２４０３　阀体与执行机构半脱开更换键
２０１４０６２５ＸＶ２４１９　关阀慢
更换整套阀体２０１４０６２８　ＸＶ２４０３ 关阀慢
更换新整套阀体续表２
故障时间位号故障现象处理方式
２０１４０８０７ＸＶ２４１４　关阀慢更换整套阀体２０１４０８１８ＸＶ２４１０　阀门内漏更换整套阀体２０１４０９２７ＸＶ２４０２　阀门内漏更换整套阀体２０１４０９２７ＸＶ２４０６　阀门内漏
更换整套阀体
３．１　阀门内漏
阀门内漏是目前影响装置稳定运行的主要故障，ＳＺｏｒｂ装置在实现闭锁料斗氢氧环境隔离以及吸附剂循环过程中，充分考虑了阀门内漏的影响，要求阀门零泄漏，同时在每条料腿上设置多台阀门，在工艺上保证了安全。

阀门内漏导致安全性能降低、吸附剂损耗增加、程序运行中断、运行时间延长、吸附剂循环不畅，进一步影响加工量和产品质量。

３．１．１　喷涂层破坏在阀球、阀座表层硬化过程中，如果控制不好喷涂工艺，硬化层硬度不够，表层碳化钨硬化层与阀球、阀座基材结合不好，容易发生脱落。

球阀频
繁启闭，
在吸附剂颗粒环境中，阀球与阀座之间吸附剂颗粒刮研不干净，二者之间存在摩擦发热，最终导致阀球或阀座表面硬化层磨损。

３．１．２　吸附剂堆积
吸附剂固体颗粒尺寸最大为２００～３００μｍ，
最小仅为１μｍ，而且在苛刻的介质条件下，聚集在阀
球表面，
会引起阀门结垢，硬度很高，常规的办法很难将其从阀球表面清理下来，
这些聚集物的存在，一方面不能使阀球阀座的密封面很好地接触，导致阀门的内漏，一方面加剧了阀球和阀座的磨损。

进口端阀座与阀体之间存在间隙，吸附剂颗粒进入该间隙，如果不能及时带走，便积存在里面，导致碟簧失效，最终阀门密封失效造成泄漏。

３．１．３　反向受压
由于闭锁料斗的介质、温度、压力由程序控制，
阀门两侧压差大小周期变化，反向压差导致阀门密封性能下降，在压力波动情况下，反向压差大
于碟簧的预紧力而使阀门发生泄漏，
长时间导致密封面冲刷而失效［
２］。

３．１．４　工艺因素影响
操作温度低的部位要比温度高的部位球阀磨损严重，如再生器一侧的球阀发生内漏的机会要比反应器一侧的大。

如果吸附剂带液，球阀工况变成气、固、液三相，工况更加恶劣，此时磨损更严重。

位号ＸＶ１６，ＸＶ１７这些部位的球阀，
介质内的２８石油化工自动化
第５５卷　
吸附剂很少，但是磨损却很严重，与温度低、介质带液有很大关系。

３．２　阀门开关超时
长期投用后，由于阀检时间延长，吸附剂的循环时间相应延长，对于提高加工量和产品质量以及生产安全都是不利的。

球阀的执行机构为气动执行机构，包括电磁阀、回讯器等电气元件，随着球阀运行周期的延长，这些部件也经常发生故障，导致球阀不动作或开关缓慢，通过在线判断，及时更换电气元件，可以很好地解决该类故障。

执行机构靠风压推动打开，靠弹簧复位关闭，由于执行机构动作次数的增加导致弹簧的弹性疲劳，影响了阀门的开关速度。

同时，由于阀门开关动作频繁、管线振动等影响，阀体与执行机构半脱开也经常发生。

４　主要对策及建议
鉴于闭锁料斗工艺的特殊性，吸附剂颗粒对球阀的磨损不可避免，在实际运行过程中应做好如下几方面的工作，提高耐磨球阀的使用寿命。

４．１　提高设计、安装、使用维护水平
金属密封球阀作为ＳＺｏｒｂ装置关键设备之一，应引起工程设计、施工、使用、维护以及维修各个环节相关人员的足够重视，通过制定符合实际要求的设计、安装和施工规范，以及操作规程、维修策略和规程，实现金属密封球阀的全过程科学管理，有利于提高球阀的使用寿命，降低装置生产成本。

所有闭锁料斗程控球阀标有承压端，图纸以ＰＥ作为标记，承压端与非承压端区别在于承压端有碟簧，对于图纸标记承压端的安装方向同样重要。

而球阀的安装方向不一定与介质流动方向一致，也不能仅以两端压力高低做判断，而应考虑球阀两端介质，以吸附剂进入阀球和阀座密封面的可能性最小加以综合考虑。

装置在开工阶段，特别是首次开工，务必将管线内焊渣、杂物等清除干净，保持管线干燥无水分。

４．２　改单向密封为双向密封
鉴于双向密封的优点，对原设计结构为单向密封的ＸＶ１０２２阀改造，在低压端阀座与阀体之间增加碟簧，将单向密封变更为双向密封，保证该阀在双向受压工作环境下均能保证密封性能，降低泄漏。

双向密封阀体结构如图２所示。

将原阀体按原低压面的结构对高压面进行加工，阀体与法兰连接用石墨金属复合垫片、盘根为一次成型石墨环，石墨金属复合密封垫片具有优异的耐腐蚀性、耐高低温、良好的压缩回弹性、较好的强度等特点，便于安装、拆卸，不易损坏，可防止介质对垫片的侵蚀，提高了耐压耐腐蚀性能。

实施过程中，需要多次微调打压面并对改造后的阀门进行打压试验，包括对阀体、气缸的调整，使两面的泄漏量均符合密封要求。

图２　双向密封阀体结构示意４．３　阀门气路改进
针对程控球阀动作慢的问题，根据执行机构动作的原理，提出了相应的改进措施。

由于执行机构动作次数的增加导致弹簧的弹性疲劳，影响了阀门的开关速度，从而影响了闭锁料斗的正常运行。

为了弥补弹簧的弹性疲劳造成的输出力减小，现将原有的两位三通电磁阀改为两位五通电磁阀，电磁阀的２路进气分别接入到原弹簧室和原气缸室，改进后的执行机构及气路如图３所示。

在阀门关闭的时候，执行机构的推动力由风压和弹簧弹力共同作用，使阀门的动作速度提高，这样就彻底解决了阀门由于弹簧长期使用弹性疲劳输出力降低关闭慢的问题。

改造后测试阀门的开关时间为：阀门开启时４ｓ，阀门关闭时５ｓ，完全满足程序对控制球阀的时间按要求。

４．４　做好工艺调整，避免程序的中断
工艺过程对球阀的运行影响很大，程控一旦非正常中断，吸附剂管道温度下降，对球阀运行不利；若球阀关闭顺序不能按照正常程序中断，吸附剂堆积在阀门及管道内，加剧阀门的磨损；通过调整管道上不同阀门开关延时设定值，可以改善下方球阀的工作状况；提高操作温度、增加相关管道伴热，尽量避免吸附剂带液，可以改善球阀的工作环境；通过优化闭锁料斗各步序的时间，改善阀门前后压差，有利于球阀的运行。

４．５　预知维修和强制更换
制订程控球阀预知维修策略，对每台阀门从上线时间到下线时间，故障维修时的监护人、故障类型、故障部位、故障现象、故障处理过程，处理时间等信息均详细记录。

在深入了解工艺运行情况和程控球阀运行模式的基础上，与工艺主管人员共同摸索制订程控阀门内漏判断指导手册，具体判断方法见表３所列。

表３　闭锁料斗程控阀内漏判断指南
位　号故障危害及现象如　何　判　断
ＸＶ１００１　泄漏后，如果泄漏量不大，对装置影响不大；当泄漏量逐渐增大，因Ｄ１０５内压
力较高（２．５ＭＰａ），使０１阀和０２阀之间
堵塞吸附剂，导致０１阀０２阀开关阀时间
延长或开关不到位。

使Ｄ１０５至Ｄ１０６下
料初期不畅，造成Ｄ１０５向Ｄ１０６排剂时
间长　１）关闭Ｄ１０５器壁阀，打开０１阀后ＤＮ２５排凝阀将管线内的余压排空，再缓慢打开Ｄ１０５器壁阀，观察０１阀后排凝有无气体和吸附剂排出。

２）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为０，调节仪表开关程控阀，将０４阀关闭，打开０３阀０２阀，观察闭锁料斗压力是否上升
ＸＶ１００２　泄漏后，一般不影响闭锁料斗循环，当
ＸＶ１００４打开时会发生ＰＩ１０１１升高，
ＭＥ１１０内吸附剂增多压差逐渐增大，导致
闭锁料斗停止运行　１）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为０，调节仪表开关程控阀，将０４阀关闭，打开０３阀０１阀，观察闭锁料斗压力是否上升。

２）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为零，调节仪表开关程控阀，将０１打开，观察ＰＩ１０１１是否快速上升，ＭＥ１１０压差是否快速上升。

３）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为０，调节仪表开关程控阀，将０１打开，关闭２７阀，关闭ＰＩ１０１１引压阀，关闭０４阀后手阀，打开０４阀后排凝阀观察是否有气体和吸附剂排出
ＸＶ１００３　内漏后ＭＥ１１０料位升高较快；ＰＤＩ
１０１１和ＰＤＩ１０１４较平时升高和
ＭＥ１１０差压高报导致闭锁料斗停止循环　１）闭锁料斗正常循环时，泄压打开０４阀后，ＰＩ１０１１压力和ＭＥ１１０压差突然升高，变化趋势和闭锁料斗压力变化趋势相似。

２）现场判断，当闭锁料斗正常循环时，泄压打开０４阀后，测量０４阀后管线温度，温度升高说明０３阀内漏。

３）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为０，调节仪表开关程控阀，将０４阀关闭，开０２阀，向闭锁料斗充氮气至０．５ＭＰａ，打开０２阀前犇犖２５排凝阀，观察是否有氮气排出。

４）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为０，调节仪表开关程控阀，向闭锁料斗充氮气，观察ＰＩ１０１１及ＭＥ１１０压差是否上升
ＸＶ１００４　Ｄ１０５至Ｄ１０６进料时，料斗不能正常收料，ＭＥ１１０料位升高；ＰＤＩ１０１１和ＰＤＩ
１０１４较平时升高。

ＭＥ１１０压差增大，导
致闭锁料斗停止运行　１）闭锁料斗正常循环时，０３，０２，０１阀开时，ＰＩ１０１１及ＭＥ１１０压差快速上升。

２）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为０，调节仪表开关程控阀，将０４阀关闭，开０３阀，向闭锁料斗充氮气至０．５ＭＰａ，观察ＰＩ１０１１及ＭＥ１１０压差是否上升。

３）现场检查０４阀后管线温度是否上升。

４）闭锁料斗处于停止状态，料斗压力为０，调节仪表开关程控阀，将０４阀关闭，开０３阀，向闭锁料斗充氮气，关闭ＰＩ１０１１引压手阀及０４阀后手阀，打开０４阀后的排凝阀是否有氮气棑出
利用上位机监控将阀门执行机构的运行时间引入上位机，实时监控并记录，通过历史趋势判断故障，实现设备的预知维修。

随着气动执行机构动作次数的增加，弹簧的弹性系数有所下降，执行机构故障日益凸显。

通过在上位机上增加程控球阀的阀检时间，可以随时记录阀门的开关时间和运行状况，通过趋势记录并加以分析，判断执行机构故障出现的时间，有针对性地进行维修或改造。

因工艺原因，球阀工况无法改变时，一些特定部位阀门作为易损件管理并定期更换。

如０３阀因安装位置原因，通常３个月需要更换。

如果采取定期更换，在阀门磨损初期予以送厂家研
（下转第８８页）
后直管段相当短（前５犇，后２犇），再加上原含氨酸性气流量测量选用的是Ｖ锥流量计，而由于Ｖ锥流量计先天设计缺陷使测量本体的锥体容易脱落，存在很大的安全风险。

因此，本次对含氨酸性气流量测量的Ｖ锥流量计更新时，就必须考虑前后直管段限制和流量计测量本体的安全性，经过综合性技术分析和安全评估，最终决定选用ＭＢＦ多孔平衡流量计，该流量计的技术特点既满足流量计前后直管段限制，又能确保流量计测量本体的安全性，还能满足新的环保排放标准对硫磺装置含氨酸性气流量测量的苛刻性能要求。

４　结束语
酸性气流量测量的准确性，特别是含氨酸性气的流量准确测量对硫磺回收装置至关重要，它直接关系到整个装置硫磺的转化效率以及后路尾气达标排放。

本文正是基于含氨酸性气的工艺特性以及现场对仪表设备的特殊要求，采用了ＭＢＦ多孔平衡流量计，彻底解决了硫磺装置含氨酸性气流量难以准确测量的难点。

通过一年多的实践证明，硫磺回收装置反应燃烧炉运行稳定，酸性气流量测量准确性提高，硫磺的转化效率得到了大幅地提升，同时装置尾气也能够长期保持稳定的达标排放。

参考文献：
［１］王政，赵园园．平衡流量计在工程测量中的应用［Ｊ］．现代冶金，２０１４（０２）：６８７０．
［２］张列维，周志猛．在线分析仪表在硫磺回收超洁净排放中的应用［Ｊ］．仪器仪表用户，２０１７（０６）：８３８５．
［３］贾玉明，宋蓓．在线分析仪表在硫磺回收装置中的应用［Ｊ］．仪器仪表用户，２０１３（０４）：４９５０．
［４］杨海涛，钱瑞杰．分析仪表在硫磺回收装置中的应用［Ｃ］／／中国石油和化工自动化第八届技术年会论文集．北京：中国石油和化工自动化协会，２０１１．
［５］符青灵．硫磺回收装置在线分析仪表配置浅论［Ｊ］．广石化科技，２００６（增刊１）：１７２１７５．
［６］王健．多孔平衡流量计在硫酸装置中的应用［Ｊ］．硫酸工业，２０１１（０６）：４９５０．
［７］马宝祥．平衡流量计的性能分析［Ｊ］．石油化工自动化，２００９，４５（０３）：６４６５．
［８］王曙华，庄武．气体流量计选型应用［Ｊ］．玻璃，２００９（０３）：４６５０．
［９］王艳．多孔平衡流量计的优化性能与应用［Ｊ］．仪器仪表用户，２０１６（０３）：９４９６．
［１０］王明涛．多孔平衡流量计使用中的技术探讨［Ｊ］．中国仪器仪表，２０１０（增刊１）：１６２１６４．
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
（上接第８４页）
磨修理，球阀仍可循环使用，大幅降低了装置维护成本。

４．６　科学建立备件储备
通过清扫、研磨、重新喷涂硬化层或更换内件的办法，及时将替换下来的球阀修复，使其真正达到备用的目的，有的单位定期将怀疑有问题的球阀拆下来清扫修理，也是避免故障扩大化，降低维修难度、降低维修成本的一种策略。

此外，尽可能采购同一厂家的程控球阀可以使部分同规格型号的阀通用，降低备用阀门数量。

５　结束语
本文介绍了汽油吸附脱硫装置闭锁料斗系统所用的ＭＯＧＡＳ金属密封球阀的特点及结构，总结阀门在运行中常见的球阀表层硬化质量问题，阀球、阀座涂层磨损，阀球上沉积吸附剂焦块，反向受压和开关超时等故障，进行了原因分析。

最后提出应对措施，包括提高设计、安装、使用维护水平封方向，对阀门密封改造，做好工艺调整，避免程序的中断，做好备用阀门储备等。

参考文献：
［１］王晓钧，邬佑清，高开科，等．ＧＢ／Ｔ１２２３７—２００７石油、石化及相关工业用的钢制球阀［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００７．［２］黄明亚，金成波，邬佑靖，等．ＧＢ／Ｔ２１３８５—２００８金属密封球阀［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００８．
［３］夏国顶．金属密封球阀硬化工艺概述［Ｊ］．机械研究与应用，２０１１（０１）：１０８１０９．
［４］王志强，丘平．煤液化装置金属硬密封耐磨球阀喷涂方法及材料的选择［Ｊ］．石油化工设备技术，２００８，２９（０４）：５８６０．［５］万文诚，王兵．金属球体密封面研磨工艺的研究［Ｊ］．阀门，２０１２（０５）：１１１４．
［６］郭晓亮．ＳＺｏｒｂ装置长周期运行影响因素及对策［Ｊ］．炼油技术与工程，２０１３，４３（０１）：５８．
［７］王春鹏．ＳＺｏｒｂ装置金属密封球阀内件硬化方法及材料选择［Ｊ］．石油化工安全环保技术，２０１１，２７（０２）：４３４６．［８］朱云霞，徐惠．ＳＺｏｒｂ装置技术的完善及发展［Ｊ］．炼油技术与工程，２００９，３９（０８）：７１２．
［９］吴德飞，庄剑，袁忠勋，等．ＳＺｏｒｂ技术国产化改进与应用［Ｊ］．石油炼制与化工，２０１２，４３（０７）：７６７９．
［１０］刘传勤．ＳＺｏｒｂ清洁生产新技术［Ｊ］．齐鲁石油化工，２０１２，４０（０１）：１４１７．。