壳牌煤气化特殊开关阀维护改造经验

摘要：通过对特殊开关阀使用维修改造情况的统计分析，评价了五年来解决阀门难题的效果。结合现场故障现象分析和维修改造经验，提出了进一步改进阀门结构材质的具体方法。确定了在改造维修基础上国产化是未来煤气化特殊开关阀的发展方向。

关键词：壳牌煤气化特殊开关阀；维修；改造；国产化

引言

神华直接液化煤制氢装置采用的是壳牌煤气化工艺，两套日投煤量两千吨的气化炉是核心装置。

装置上使用特殊开关阀共84臺。自2007年底投入使用以来，先后出现了阀门憋压卡滞、执行机构断裂漏气、连接件开裂、球座冲蚀、轴套磨损、耳轴变形、涂层腐蚀脱落、耳轴及填料函进粉卡滞等故障， 部分阀门因卡滞、内漏造成装置停工减负荷，对气化炉安全稳定运行产生较大影响。

文章写作之前作者分类整理了特殊开关阀的使用记录、检修改造记录，对不同工况的阀门故障现象、检修次数、使用周期、检修改造部位进行了总结分析。期望通过对典型故障现象的分析，结合特殊开关阀材质结构与耐磨腐蚀性工况不相适应的特点，找出故障频繁、检修周期短的原因，进而，提出改进方案，并以此为基础明确不同位置阀门的检修周期、备件整阀数量及维修方式。

五年来我们有针对性地在阀门检修、维护和改造等方面做了一些工作，取得了不错的使用效果。积累的维修改造经验既是年度大修和中长期维修改造计划的基础，也为下一步阀门维修、改造、国产化确定了方向和目标。希望国内煤气化装置的仪表同行和阀门制造企业专业人员对本文提出批评建议，就气化炉关键控制设备使用改造问题相互交流。

1.统计数据

1.1阀门总数量：

84台。

1.2总的在线时间：

UNIT1：24693小时。

UNIT2：23326小时。

1.3修理改造数量：

242台次， 其中厂家甲 174台次，自修61台次，厂家乙7台次。

1.4进口消耗备件数量：

开车备件、两年期备件维修包32套，ARGUS赔付维修包15套；两年期备件球、座21套，ARGUS赔付球、座4套；两年期备件整阀3台。

2.总体分析

按年份统计看，2009年外委厂家甲维修3台，2010年79台，2011年52台，2012年46台，外委维修数量逐年下降（2009年运行时间短，维修使用的是进口备件），分析统计数据一方面说明我们针对轴套、耳轴、防灰结构、复合密封的改造及备件国产化、现场维护的效果不错，已经逐步掌握了阀门在线使用周期；而另一方面也说明阀门维修率仍然处于一个较高水平，使用寿命有待提高。

检修和使用记录按照不同的工况分为煤粉固定球、煤粉平衡阀、煤粉锁斗阀、煤粉泄压阀、飞灰阀、渣水阀、氧阀。其中氧阀因为开工时酸洗腐蚀内漏只修理过一次，煤粉泄压阀前有过滤器，故障率较低，其他几类分析分列如下。

3.分类分析及对策

3.1煤粉固定球

8台阀门总的维修次数32台次，年均每台阀维修1.2次，本运行周期7台次阀杆断裂。

故障现象多是卡滞、断轴，故障原因主要有轴套磨损、耳轴变形及备件尺寸不标准装配定位精度差三个方面。轴套原阀是石墨编织网软套，使用1年后有磨损，后改造成耐磨金属轴套。改造的方法是缩短耳轴尺寸，加装耐磨金属套。金属耐磨套耐磨性能比原来有所提高，但耳轴变薄后容易变形，造成轴套卡滞，最终导致扭矩增大阀杆断裂。这是近期阀杆频繁断裂的主要原因。

初期我们采取恢复耳轴原尺寸，耳板重新加工表面硬化的改造方案。

ARGUS阀门装配精度要求高，金属备件材质及结构尺寸、软密封的尺寸密度要求精准无误差，装配人员必须严格控制对中定位偏差，在泄露率达标的前提下尽量减小工况下的阀门开关扭矩。

中期我们继续改进耳轴、轴套结构、增加球定位的稳定性和灵活性，提高软硬配件的材质和加工精度，使用效果有所改善；更换不适应高压差工况而又改造难度大ARGUS的阀门，使用轴粗套硬的国产阀，不同国产阀门使用效果不尽相同。

近期在轴套、耳轴、阀座、阀杆连接改造的基础上再改变阀门的密封形式，降低阀带压差开关时扭矩，使用效果进一步改善。

图一 煤粉固定球损坏图片

3.2煤粉锁斗阀

16台阀门维修48台次，年均每台阀维修0.9次。

这类阀门因为介质没有腐蚀性，磨损不严重。

主要问题两个，一是ARGUS浮动球结构与壳牌煤气化工况造成的双阀蹩压，超设计压差导致了扭矩上升、连接件变形损坏、阀体及内件泄漏冲蚀。我们在开工初期设计安装了放憋压排放线，但这个排放线容易堵塞，造成防憋压失效。另外排放线上的阀门也易磨损泄漏，排放线上阀门泄漏后单阀高低压隔离的安全性也得不到保证。神华煤制油现场在DCS里做了一个测量阀门开关时间测试记录的逻辑，用于记录观察阀门运行情况。一段时间观察发现，开阀与关阀时间有较大差异，说明了安装了防憋压线后仍然存在受憋压影响扭矩增大的情况。

二是蝶簧翻转或弹性下降，阀门内漏密封面冲蚀，这种故障V1205上锁斗阀出现较多。我们分析原因有三，第一ARGUS蝶簧偏软，第二除桥操作使阀门单向受压，导致蝶簧翻转，第三阀座灵活性差，移动后不能复位。操作原因需要与生产工艺人员协商解决，阀门蝶簧及阀座密封下一步检修是改造重点，同时也应保证阀座的结构、尺寸、加工精度要适应压差变化及开关过程中阀座灵活移动的要求。

如欲彻底解决上述问题，我们认为将双浮动球阀中先开的阀（即除桥用阀）换成固定球是一种选择。双浮动球情况下我们采取的措施是在压力调节阀后引一路4.7MPa氮气接入双阀之间，用减压阀控制流量，用以平衡充压后阀门上的产生压力差。

图二 煤粉锁斗阀损坏图片

3.3煤粉平衡阀

16台阀门总的维修次数是53台次，年均每台阀维修1.0次，本运行周期7台次阀杆断裂。

煤粉平衡阀同样有双阀憋压和阀座灵活性差的问题，改进也要用与锁斗阀同样的方法。除此之外还有阀杆与球连接扁方断裂的问题，这个故障与双阀憋压直接相关，相互影响。改进阀杆材质、加强连接扁方的强度是维修改造初期采用的临时性措施，也起到了一定的作用。阀座灵活性要靠提高加工精度和提高软密封性能来保证，近期我们委托了有数控加工能力的维修厂家重新加工阀座的弧面，但因为检修工期和厂家加工能力的原因，阀座与阀体配合精度、软密封密封润滑性能还没有较大的提高。决解决双阀憋压是解决平衡阀故障的核心问题，神华现场采取的方法和效果在文章第5节会有专项介绍。

图三 煤粉平衡阀损坏图片

3.4飞灰阀

18台阀维修63台次，本运行周期5台次阀杆断裂。

飞灰阀也有双阀憋压和阀座灵活性差的问题。此外还有介质特性引起的腐蚀和卡滞。腐蚀的表现是球面有3mm大小的斑点，我们分析是现场保温伴热性能差而产生的露点腐蚀，加强伴热保温介质温度超过露点温度即可。卡滞的原因一是飞灰介质的粘性大，易结块，刮刀不锐利；二是阀门的备件尺寸和装配精度不合适；三是蝶簧弹性差，阀座稳定性差；四是阀杆密封差，进粉结块。大扭矩长时间运行阀杆会断裂，连接件会损坏。加宽密封面增加阀座稳定性，刮刀锐利加强刮灰效果，改造阀杆密封结构，改进蝶簧材质加强蝶簧弹性和耐腐蚀性是近期阀门维修改造的重点。同时，高温阀门装配间隙的调整也是一个重要问题，维修厂应根据阀门的使用温度计算好阀门的球座的装配间隙，出厂前做模拟高温工况开关试验；维修厂应不断改进蝶簧、垫片、密封圈的结构和质量，实现配件设计尺寸、入场检验程序的标准化，防止配件不合格及人为随意调整装配间隙等因素造成的现场阀门卡滞。

這类阀门的故障虽然有应对的办法，但实施起来并不容易。一方面是ARGUS阀门设计结构精巧、用材节省、空间小，对选材、内件设计、机加工、热处理要求较高，另一方面维修改造时间和成本也是制约因素。通过维修改造大幅提高使用寿命及运行稳定性不现实，使用效果只能略有提高维持运行，未来应考虑用耐磨、耐高温、耐腐蚀并且克服了ARGUS进口阀门缺陷的国产粉体阀门来逐步替代。

图四 飞灰阀损坏图片

3.5渣水阀

22台阀维修39台次，年均每台阀维修0.5次。

渣水介质阀门运行情况总体稳定，使用寿命可控。主要故障现象是球、座表面有腐蚀和较深的刮痕，碟簧脆硬断裂。需要改进硬化涂层的耐腐蚀性能，硬度，改进蝶簧的材质和强度。

渣水阀虽然检修周期可控，但工况及打开压差变化比较大，近期有两台阀门出现了卡滞打不开装置险些停工的情况，所以应对渣水阀因球座磨损导致的扭矩增加的问题应想办法解决，我们给维修厂建议一个是耐腐蚀硬化图层性能改进，另一方面要使用加厚蝶簧和蝶簧提升至INCONEL718材质，并注意热处理后蝶簧性能要合格。通过上述改造，不但可以减少卡滞造成的执行机构、连接件损坏，阀门的使用寿命也有会有较大提高。

轴及连接件变形和双相钢内套磨损的故障在每次维修时也要检查和修复。

图五 渣水阀损坏图片

4.双阀憋压问题讨论

出于安全考虑，煤气化装置的进料、排灰、排渣都设计成双阀。双阀结构在充泄压工况易产生双阀憋压，表现为阀门超额定压差工作，打开扭矩成倍增加卡滞。一些现场使用固定球结构球阀，固定球耐压差能力强，一般设计也是全压差开关，一般不会出现卡滞故障。神华现场使用的双阀都是浮动球结构，卡滞和因扭矩增大造成的连接损坏、阀杆断裂的故障经常发生。我们认为，双阀憋压已经成为干粉煤气化工艺煤粉、飞灰介质的特殊开关阀故障的主要原因，蝶簧翻转、阀座卡滞、内漏、连接件断裂、连接变形、执行机构磨损等一系列严重阀门故障都和双阀憋压有关，分析憋压的原因和探讨解决双阀憋压方法有重要意义。

双阀憋压的原因分析。

双阀设计是出于安全考虑，而产生双阀憋压是工艺条件、操作步骤和阀门结构及现场阀门内外密封效果等综合作用的结果。下面结合神华现场的几种憋压现象简要分析一下憋压原因。

4.1压力交变粉体气相输送工况是双阀憋压的工艺条件。无论飞灰还是煤粉，固定球还是浮动球，现场凡是双阀的部位都会出现憋压卡滞现象。

4.2两个阀门泄露等级相同（两阀上压降大致平均分配），充泄压时间相对短是产生憋压的两个必要条件。

4.3某些部位阀门填料外漏、阀体外漏、法兰垫片外漏会加剧憋压。

4.4阀门出现内漏后憋压现象即消失，新阀或新修理阀门憋压最严重。

解决双阀憋压的办法及优缺点。

4.5增加排放线和单向阀。有点是施工简单，费用低廉，现场出现的问题是排放线易堵，单向阀磨损内漏。飞灰工况尤其易堵，防憋压效果较差。

4.6增加排放线和开关阀，并将开关阀动作引入顺控。优点是解决了单向阀失效的隐患，但因为排放线也是小口径长距离，易堵难清理，且增加的开关阀要求是耐磨球阀，费用较高。

4.7增加氮气平衡线。缺点是只能在下锁斗、平衡阀位置使用。

4.8使用单向密封的阀门，改造现有阀门为单向密封。盘阀是单向密封的阀门，适合双阀憋压的工况，但双盘阀的可靠性有待验证，价格也偏高。改造现有的浮动球为单向密封是一个既实用，投资又低的办法，单向密封改造在神华现场的取得了很好防憋压效果。

以上几种方法都有各自优缺点和适用部位，解决问题的成本也不一样，目前我们认为采用单向密封的阀门是成本最低效果最好的解决办法。

5.结论

每一类阀门的维修改造方向在分类分析中已经做了介绍，总体上ARGUS阀门结构精巧，对含固腐蚀等恶劣工况适应性差；用材节省，改造空间裕量小，维修改造提升余地不大，使用寿命和稳定性不完全可控。因此我们认为在解决问题过程中持续改进ARGUS阀的同时，未来应考虑在关键部位用国产阀门替代原阀，以缓解故障率高维修效果不好的困境。在改造维修的基础上国产化是解决进口壳牌煤气化特殊开关阀适应性差、价格高的根本途径和方向。当然，这个工作应该由有丰富维修改造经验的国内厂商和使用单位一同来完成。

近几年我们与国内阀门制造商在阀门维修、改造、内件国产化、维修包国产化、新型结构阀门的应用等方面开展了务实有效的合作，完成了ARGUS阀维修备件及整阀国产化。虽然国内阀门球、座等备件的质量控制、加工精度方面落后于国外先进企业，但国内企业服务好，改进反应速度快，有价格优势，质量控制连年稳步提高，完全替代进口产品指日可待。开工以来神华煤制油与国内阀门企业在关键耐磨、耐腐蚀、高温、高压阀门维修改造过程中，不断加深交流，彼此信任，在信息互通、技术共享、共同研发等方面做了大量工作，逐步形成了一套双向无障碍的工作模式，并且每年不断完善和加强。正是这种制造企业和使用现场深度交叉合作，才形成了维修、改造、使用、观察记录、统计分析，交流、持续改进的一整套产品提升过程。

我们对煤化工装置国产特殊开关阀的未来充满信心。

参考文献：

[1]陆培文 孙晓霞 杨炯良.阀门选用手册. 机械工业出版社 2009（5）

[2]张志贤.阀门技术资料手册. 中国建筑工业出版社2013（5）.

作者简介：姜伟（1973.12-），男，汉族，黑龙江省依兰县人，工程师，工学学士，化工仪表自动化现场维护。