王兴寿
(云南天安化工有限公司，云南 安宁 650309)
云南天安化工有限公司(简称天安化工)500 kt/a合成氨项目配套1套Shell气化装置，其飞灰过滤器(S1501)设置有24组滤棒，S1501反吹系统配置有24台快开角阀(简称反吹阀)，即1组滤棒顶部安装1台反吹阀——反吹系统利用快开角阀的快开特性，将超高压高温的氮气吹入过滤系统以清洁滤棒，从而使滤棒能起到更好的过滤作用。如果反吹系统出现问题，将可能导致滤棒损坏、粗合成气过滤不合格、氮气管网压力不稳定等一系列影响气化装置正常运行的问题，严重时将导致气化装置事故停车。总之，快开角阀的正常工作对于飞灰过滤器的长期稳定运行起着至关重要的作用。
S1501反吹系统24台快开角阀采用西门子S7-400PLC系统控制，正常生产时每台角阀间隔12 min动作反吹滤棒1次，快开角阀每次开关时间为250 ms，每2台快开角阀启闭间隔时间为30 s，要求快开角阀打开时间<100 ms、关闭时间<100 ms；
快开角阀工作气源压力为0.85 MPa，反吹氮气压力7.82 MPa、温度225 ℃，粗合成气压力3.9 MPa、温度345 ℃；
快开角阀前后压差3.9 MPa左右。可以看到，反吹阀长期在高温高压下高频率、高强度地快速动作。由于S1501反吹阀的快开、快关、高压差及其结构特性，其在高速动作过程中因对阀座密封、阀内件的冲击而产生较大的阀体震动，严重影响反吹阀的使用寿命，曾出现过因震动大而阀门密封损坏、波纹管破裂、阀杆断裂、阀芯(阀盖)螺栓松动、气缸杆断裂、气缸活塞螺栓松动等一系列影响反吹阀正常工作的问题。
天安化工Shell气化装置自2008年投产以来，生产中陆续发生过S1501反吹阀开关不灵活、外漏、内漏、阀杆断裂、阀座损坏、波纹管与内部阀杆摩擦严重造成波纹管破损密封失效、阀内件冲刷严重等问题，需频繁在线更换反吹阀(不停设备，只是关闭反吹阀前后截止阀进行更换)，增加了维护工作量与运行成本及安全风险。2022年以前，天安化工对S1501反吹阀主要进行了如下改进或尝试：① 因阀杆细2012—2013年曾出现过3次使用中反吹阀阀杆断裂的现象，于是将阀杆由原来的M24×3 mm加粗为M30×3 mm；
② 为降低反吹阀维护成本，尝试过国内某公司生产的“两段式”波纹管，线下试验发现没有现役“一体式”波纹管密封性好，且其机械强度达不到设计要求，故未安装至现场使用；
③ 整个控制阀的PLC系统硬件、软件增加了“冗余”，现场重新安装了手动控制箱，以便在自动控制失效时现场进行手动操作(逐一按顺序操控反吹阀)。运行至2022年2月，24台快开角阀已动作约3.6万次，陆续出现内漏(阀座密封损坏)、外漏(波纹管破裂)现象。为此，天安化工立项并于2022年5月完成快开角阀的改造(尤其是加装减震装置来提升快开角阀的使用寿命)、阀门内件的更新工作。以下对有关情况作一简介。
(1)通过对快开角阀损坏的阀座密封环进行分析，密封环材料(聚苯并咪唑，简称PBI，是一种特种工程塑料，被认为是目前耐热性能最好的塑料)及设计、加工方面存在缺陷，或材料配方不适合快开角阀工况——与原厂密封环外观颜色有明显差异，进口原厂密封环颜色偏灰色，国产密封环颜色偏黑色。
(2)实测发现，进口原厂阀座设计预压缩量为0.3 mm，国产阀座设计预压缩量为0.6 mm，相较于快开角阀密封环原设计压缩量偏大，导致阀门轴向密封比压偏大；
阀座与阀座定位环设计为过渡配合，间隙量为-0.013 mm，间隙设计值偏小，阀座热膨胀间隙不够；
隔离环与密封环的安装配合尺寸设计不合适。上述原因会导致快开角阀在高频、高速动作时阀芯对阀座产生较大的冲击而造成阀座径向挤压破裂脱落。
(3)S1501反吹系统通过快开角阀间断用7.82 MPa、225 ℃的超高压高温氮气反吹过滤元件，阀门气源采用0.85 MPa氮气[0.85 MPa氮气是为阀门气缸上下运动(开或关)提供动力源的通过前系统减压而来的，7.82 MPa、225 ℃氮气是流过阀芯的工作介质，二者分别由空分装置氮气系统不同压力等级氮气管网提供]，加之阀门开关动作过程较快——250 ms，这些都会对快开角阀气缸上盖及下盖、阀座密封环、阀杆及波纹管、开合螺母等部件产生较大的冲击力——通过厂家模拟测试及理论计算，阀门工作时，在阀门与活塞杆处会产生3～5 t的冲击力。另外，由于管道支撑固定位置有限，较大的冲击力还会引起阀门产生较大的震动。
(4)生产厂家为防止快开角阀阀杆过细而断裂，将快开角阀阀杆由原来的φ30 mm加粗至φ32 mm，波纹管上法兰盖孔φ36 mm，阀杆工作时理论上左右偏心只有2 mm；
实际安装稍有不同心，叠加震动时左右摆动就会加剧波纹管与阀杆的摩擦，导致波纹管破损(摩擦损坏的波纹管局部裂纹为肉眼可见极小的一条不规则细长小裂痕)，介质从破损处流出而造成阀门外漏。波纹管安装时“对中性”不好，会出现偏心现象，造成波纹管磨损或者密封失效而造成泄漏。出现故障时24台快开角阀“对中性”统计见表1(注：C系列阀门为第三代产品，即阀门4根固定支撑杆缩短，在原A/B系列阀门固定支撑的1/2处通过改造就固定在法兰盘上，原A/B系列阀门基本上是固定在阀门底部接近阀芯上部；
此举的主要目的是使阀门动作过程整体晃动减小，从而避免振动大而造成阀杆与波纹管摩擦、气缸出现异常抖动而影响其使用效果)。可以看到，A、B、D、E、G、H、L、N、P、Q、R、S、T、U这14台快开角阀波纹管与法兰盖孔内壁最小间隙均小于2 mm，而H、N阀波纹管几乎与法兰盖孔内壁摩擦。
表1 快开角阀阀杆与波纹管“对中性”统计 mm
(1)在保证快开角阀及工艺参数正常的情况下，工艺人员按颇尔公司(Pall Corporation)的技术数据适当降低反吹阀的气源压力，减小阀门关阀时对阀座密封环的冲击。
(2)现场选择具有代表性的2～3台反吹阀，电磁阀排气孔增加阻尼器(φ6 mm)，收集数据，待其运行正常后，进行剩余电磁阀排气孔阻尼器安装，减小关阀时对阀座密封环的冲击。
(3)若波纹管发生轻微泄漏，会有微量的7.82 MPa、225 ℃超高压高温氮气流出，为及时判断波纹管是否泄漏，准备一定数量的手持式带探头分析仪，用遮挡物遮住波纹管四周进行“欠氧分析”。
(4)准备一定数量的快开角阀在现场，当阀门出现故障时予以在线更换。
(5)正常情况下反吹气加热器(E3051)氮气流量约2 000 m3/h(标态)，若阀门内漏氮气流量至少增加300 m3/h，此时查看DCS画面流量数据应该有明显的上升趋势，因此，在DCS中一定流量范围内设置报警提示此氮气流量的变化，以利操作人员快速作出反应。
4.1 改进阀座密封环材质
通过对损坏的5个快开角阀阀座密封环进行分析，其损坏形状[约3 cm(长)×1 cm(宽)的均匀裂痕]即截面基本一致，怀疑为阀座密封环材料强度不够、韧性不足。实际测量进口原厂阀座预压缩量为0.30 mm，国产阀座预压缩量为0.60 mm，国产阀座预压缩量较大，易造成阀门过渡配合，间隙量为-0.013 mm，间隙量比原厂进口的稍小，膨胀系数不够，在高温、高压差、高频率、高速状态下阀门动作就会形成较大的冲击力。简言之，由于国产阀座预压缩量设计不合理，阀门动作过程中冲击力集中在阀座和阀座金属环处，易造成阀座密封环损坏。通过与厂家进行技术交流与探讨，将快开角阀阀座材质由PBI升级为PEEK CF30[PEEK CF30是添加30%碳纤维的PEEK(聚醚醚酮)改性材料，通过添加碳纤维提高PEEK材料的耐磨性和抗摩擦性能，材料有更高的导热率，机械性能好，并具有较高的弹性模量、机械强度、耐蠕变性和耐磨性；
PEEK CF30材料冲击强度[1]为5 kJ/m2，为PBI材料的2倍，韧性更好，在高速高频冲击下不容易损坏；
长期工作温度可达310 ℃，满足介质是粗合成气以及高压差(约4.0 MPa)的使用工况及技术要求]。
4.2 改变阀座密封环加工尺寸
经理论计算，将快开角阀阀座预压缩量由0.6 mm调整为0.35 mm，并适当增加阀座密封面宽度边缘——车30°倒角，减小阀座的工作密封比压；
阀座与阀体调整间隙为0.5 mm；
阀座与阀座定位环调整为间隙配合，间隙0.35 mm，以保证阀座热膨胀量及避免阀芯受到冲击后的损坏破裂。
4.3 改变阀杆设计尺寸
经与厂家技术人员沟通，将快开角阀阀杆尺寸由原设计的φ32 mm改为φ30 mm，这样既可保证阀杆的机械强度，又可增大阀杆与波纹管的间隙，其间隙理论上可达到2 mm，可避免阀门动作时阀杆与波纹管内壁相互摩擦而影响波纹管的使用寿命，以免造成阀门外漏。
4.4 加装减震器
天安化工通过前期对其他单位快开角阀加装减震器使用效果进行调研，结合自身快开角阀实际使用情况，决定对24台快开角阀全部加装减震器，减小阀门动作时产生的震动，预防阀门故障。减震器工作原理为：当角阀活塞向上运动时，上腔室形成一个液压腔室，液压油在设定调节通道中节流流通，产生液压阻尼，减缓或降低气缸活塞对缸盖的冲击；
当角阀活塞向下运动时，下腔室形成一个液压腔室，液压油在设定调节通道中节流流通，产生液压阻尼，减缓或降低气缸作用力对阀芯、阀座的冲击；
并设定角阀活塞向上和向下运动时产生的液压阻尼都在活塞行程的最后3 mm左右，以保证阀门开关速度不受影响，氮气喷吹性能得到保证。厂家给出的理论计算结果为，角阀震动可减小50%～60%。快开角阀加装减震器前后阀门运行正常后随机进行在线反吹效果(压差)的统计，见表2。可以看出：加装减震器前后压差变化趋势基本一致；
在外部条件、工况一定时，安装减震器后产生的压差比安装前略大一点，这是由于加装减震器后阀门启闭大概延时8 ms所致(如果不满足工况要求，可以分别适当调整减震器顶部阀门开/关的阻尼限流螺栓，以满足使用需求)。
表2 加装减震器前后快开角阀压差对比 Bar
4.5 波纹管上法兰盖孔加导向环
为彻底解决快开角阀上下动作过程中波纹管与法兰盖孔内壁摩擦的问题，进行设计改进：在法兰孔上部分增设两瓣左右对称的耐磨导向套，阀门由阀芯导向环、上法兰孔两瓣对称耐磨导向套、波纹管尾端与开合螺母螺纹连接，3个“支撑点”形成一条直线，即使阀门因震动大波纹管晃动也不会造成摩擦其内外壁。
4.6 严格控制检修质量
快开角阀运行至今已使用15 a以上，由于历次拆卸维修以及高温导致的支撑杆变形，4根固定支撑杆达不到原来设计的505 mm[2]，对于变形严重的固定支撑杆需进行车床精加工，保证4根固定支撑杆长度一致；
对于变形较小的，剪切适当的铜薄板予以垫起，矫正高度，保证安装的“同心度”；
定制专用工装，确保安装过程中阀门波纹管不受额外的应力，防止波纹管变形或损坏而缩短其使用寿命。
严格执行检修规程：① 气缸活塞杆与减震器连接处加装防松垫片、涂螺纹紧固剂；
② 活塞V型密封圈更换过程中，涂抹润滑脂，使用专用的安槽工具；
③ 测试阀门全开、全关动作情况及气缸密封情况，复核角阀活塞行程、阀杆对中是否在许可范围内；
④ 进行阀门低压气体密封试验，完成后吹干阀体内部的水，安装法兰密封保护套。通过以上检修规程的严格把控保证快开角阀活塞的行程在19.5～20.0 mm。
通过上述措施严控快开角阀检修质量，维修完成后24台快开角阀阀杆与波纹管“对中性”统计情况见表3。可以看出，快开角阀波纹管与法兰盖孔内壁最小间隙均大于或接近2 mm，波纹管不会与波纹管上法兰盖孔内壁摩擦，解决了因摩擦而造成的波纹管受损问题。
表3 严控检修质量后“对中性”统计 mm
随着国内阀门制造厂家在技术、材料方面瓶颈问题的突破，目前市场上生产的第二代减震器现场使用情况较好，能满足快开角阀的使用需求，加装减震器可以在较大程度上减少快开角阀故障，减少其运行维护成本。天安化工飞灰过滤器(S1501)反吹系统快开角阀经上述改进后，再未出现过异常的阀座损坏及波纹管磨损破裂情况；
目前天安化工已完成全部反吹阀加装减震器的改造工作，加装减震器后快开角阀的震动非常小，几乎听不到阀门缸体及阀芯、阀座撞击的声音，减震效果明显；
快开角阀运行中反吹效果佳，动作时氮气压降及飞灰过滤器各工艺参数、压降均正常。总之，通过对S1501反吹系统快开角阀运行数据的收集、对比与评估，改进后快开角阀的使用寿命得到有效提升，助力了飞灰过滤器反吹系统的安全、稳定、优质运行。
