闸阀冻裂事故的分析及对策

(中国石油宁夏石化公司，宁夏 银川 750026)

某大型国产化大化肥生产装置位于西北，当地冬季平均气温-7.3℃，极端低温在-22℃以下。由于冬季天然气短缺和其他原因，装置处于停车状态。在夏季温度较高的时候，装置停车，系统进行置换吹扫，仅保留循环水系统运行。装置的整体停运给冬季防冻带来了很大的考验。在12月，现场发现合成气压缩机透平的中压抽汽管线电动阀门阀体冻裂(见图1)。

图1 阀门冻裂

1 阀门介绍

1.1 阀门结构[1]

该阀门生产标准为美标，尺寸为DN450，压力等级为10MPa。阀门结构为楔式单闸板闸阀(见图2)，楔式闸阀两个密封面与管道轴线成一定的夹角，即两个密封面成楔形，主要依靠楔式闸板与阀体的两个精加工面接触摩擦，达到一定的密封比压而实现密封。由于阀门开启瞬间存在很大的静摩擦力，开启力矩大，因此配置了较大功率的电动执行装置，以保证阀门的正常启闭。阀体材质为WC6高温碳钢，具有良好的抗蠕变特性，适用于高温工况。

图2 楔式单闸板闸阀结构注：1—楔式闸板；2—阀体；3—阀盖；4—阀杆；5—填料；6—填料压盖；7—套筒螺母；8—压紧环；9—手轮；10—键；11—压紧螺母；12—阀座

1.2 阀门所处位置

该闸阀安装在合成气透平ST1801抽汽管线上，与压力等级为4.9MPa的中压蒸汽管线相连。现场位置处于管线U形弯底部，管线U形弯两端在管廊上方，高度差约6m。该闸阀配有DN50旁路管线，阀前后分别配有DN40的排液导淋。

2 拆检情况

将该阀门整体拆除，从工艺管道移出后发现管道内无积液痕迹。对阀门进行拆检，拆除阀体中法兰后，发现阀体内腔体全被冰柱填满。

将阀门完全解体，清除积冰后，检查阀门内壁，发现其光滑、无划痕，开裂断面未见夹渣、气孔等缺陷。裂纹位置从阀门中心线和中法兰交汇处至阀体底部(见图3)。

图3 阀门内部裂纹情况

3 阀门冻裂原因排查[2-5]

从阀门拆检情况分析，阀体冻裂故障的直接原因为在闸阀关闭过程中或关闭后，液体介质进入阀体内腔，且几乎填满阀体内腔。随着冬季环境温度降到0℃以下，内部凝液结冰膨胀，阀体受力超过材质最大屈服极限而开裂。

3.1 压缩机透平停车未严格执行操作规程

合成气压缩机透平停车后，未能及时关闭电动阀门，且该阀安装位置处于管段U形弯最底部，蒸汽冷凝造成该管管段处积液。在这种状况下关闭电动阀门，造成阀体内积液。即使随后打开阀前后导淋排凝，但阀体内腔的液体仍无法排除。

查阅MES操作记录发现，合成气压缩机透平停车时，电动阀门阀前温度测点TI1855与阀后温度TI8034测点温度均下降至120℃左右。随后，阀前温度测点TI1855继续下降直到30℃，而阀后温度测点TI8034维持在120℃左右无变化。

锅炉系统停车，电动阀门阀后温度测点TI8034从118℃下降至26℃，此时查阅阀前温度测点TI1855为23℃，此时两温度基本与当时夜间环境温度相同。

从查阅MES系统对比合成压缩机组和锅炉停车后的电动阀门阀前后温度可以判断，压缩机透平停车后，操作人员按照停车操作规程要求，及时关闭了电动阀门，将前后流程断开，此时，U形管线内不可能产生大量积液，造成电动阀门在关闭过程中阀体积液，只能在阀体内腔中存留蒸汽冷凝，产生少量冷凝液。因此，可以排除未严格执行操作规程这一因素。

3.2 减温水调节阀内漏

电动阀门阀后管线离阀约2m处安装有减温水喷嘴，通过减温水调节阀进行控制，正常生产情况下用于对压缩机透平抽汽进MS管网前注水降温。在压缩机透平停车后，若此阀发生内漏，则减温水大量进入MS管网，造成U形弯管内大量积液。将调节阀拆下送至检修厂方进行打压试漏，该阀在1.2倍操作压力下水压试验无泄漏，排除了减温水调节阀内漏因素。

3.3 阀板MS管网侧密封泄漏

(1)电动阀门关闭后，MS管网又继续运行了6d。在这种状态下，电动阀门阀后管线处于管线盲端，温度为120℃左右，远小于MS管网实际压力4.8MPa对应下的饱和蒸汽温度261℃。在此压力等级下，U形弯管线内大量蒸汽冷凝成积液(在锅炉系统停车后，从U形弯电动阀门阀后导淋排出大量蒸汽冷凝液，得到了进一步验证)。

(2)楔形闸阀制造工艺和楔形阀板结构影响。从阀门制造工艺角度分析，影响楔形闸阀密封面泄漏的主要原因为密封面的粗糙度、平面度和阀体与阀板的角度误差，阀门加工制作过程中必然存在一定的加工误差。从楔形闸阀结构分析，其在管路上有两道密封面，只要其中任一道密封面能起到良好的密封作用，则该阀门就不会产生内漏，能够正常使用。因此，在阀门制造过程中，就不会考虑在阀板两侧受压不均的状态下两道密封面均能保持良好的密封状态。

(3)电动阀门为合成气压缩机透平至MS管网切断阀，机组停车后，电动阀门关闭，而MS管网继续运行，这种状态下，造成闸阀楔形阀板两侧受力不均，楔形阀板只承受MS管网侧压力。从楔形闸阀的结构可以看出，此时，楔形阀板在MS管网侧密封面的密封比压减弱，在压缩机透平侧密封面的密封比压增大。一旦在MS侧密封面的密封比压小于密封所需的最小比压，则必然在MS端密封面发生泄漏，蒸汽冷凝液进入阀体内腔，且无法从另一密封面(压缩机透平侧)排出。当锅炉系统停车后，MS管网压力迅速降低至常压，楔形阀板在MS管网侧密封面的密封比压恢复，积存在阀体内腔中的蒸汽冷凝液无法排出。

3.4 防冻方案考虑不周

锅炉系统停车后，电动阀门前后导淋打开排液，复线阀门打开串气，保证了管线无积液。由于对该类型阀门结构认识不深，未能考虑到阀体内腔会有大量蒸汽冷凝液积存，未再次打开阀门进行阀体内腔排液，造成阀体积液。

通过以上分析可知，阀门冻裂的主要原因为对楔形闸阀结构认识不足，阀板在受力不均的状态下，密封面发生泄漏进入冷凝液，而又无法排出所致。

4 处理及预防措施

(1)该阀阀体冻裂，阀门已发生变形损坏，不具备修复条件。且此阀较大，不属于常用备件，因此第一时间联系原生产厂家进行采购。

(2)对装置区类似阀门进行排查，及时发现问题并处理。

(3)补充完善防冻方案，安装有类似阀门的管道，在管道防冻交出后，应再次打开阀门，对腔体进行二次排凝。

(4)建议在楔形阀板一侧开小孔，排泄阀体内腔积液，具体方案与生产厂家进行可行性讨论。

5 结语

电动阀门阀体冻裂事件反映出装置设备管理人员对一些看似简单、常用的装置结构的认识不足，未能深入了解，以至于发生设备损坏事件。这也说明，装置冬季防冻方案还需要进一步细化到每一台设备、每一条管线和每一台阀门。只有彻底了解装置的内部结构，才能做好设备的维护保养工作。