先導式安全閥失效啟跳分析及處理

張 輝

（中化泉州石化有限公司設備部，福建泉州362103）

先導式安全閥失效啟跳分析及處理

張 輝

（中化泉州石化有限公司設備部，福建泉州362103）

針對某加氫裝置循環氫壓縮機出口先導式安全閥1130-PSV01015B，在正常運行中突然失效啟跳，且不能回座的事故實例，從先導式安全閥的原理、結構特點和現場情況等方面，對該安全閥的失效啟跳原因進行了分析，并提出了相應的操作維護建議和改進措施。

先導式安全閥 失效啟跳 原因分析

先導式安全閥是常用安全閥的主要類型，主要由主閥和導閥兩部分組成，導閥操作主閥的開啟和關閉。先導式安全閥具有排量大、不受背壓影響和動作靈敏，可以在非常接近開啟壓力下進行無泄漏操作、啟閉壓差小等優點，因此在石油化工設備和工藝中被廣泛應用。安全閥在現場使用過程中一旦出現問題，就必須要求及時發現、及時處理，否則浪費能源，甚至發生安全事故［1］。

某公司加氫裝置循環氫壓縮機出口設計安裝有兩臺先導式安全閥1130-PSV01015A／B（一用一備），自2009年5月裝置投產運行以來，已連續正常運行2年半時間。2011年11月25日和2012年5月29日，在裝置正常生產過程中，循環氫壓縮機出口安全閥1130-PSV01015B兩次突然失效啟跳且不能正常回座（安全閥定壓17.64 MPa，實際操作壓力均為 15.46 MPa），致使循環機出口流量降低觸發工藝聯鎖，分別導致裝置非計劃停工1次，給生產帶來了較大影響。安全閥主要技術參數如表1所示。

1 先導式安全閥工作原理及結構特點

1.1 安全閥設計參數

安全閥設計參數見表1。

1.2 安全閥的工作原理

先導式安全閥由主閥和導閥組成。導閥隨設備介質壓力的變化而動作，主閥則由導閥的驅動或控制而動作。當被保護系統處于正常運行狀況時，導閥閥瓣處于關閉狀態，系統壓力從主閥進口通過導管和導閥傳入主閥閥瓣（活塞）上方氣室。由于活塞面積大于閥瓣密封面面積，系統壓力對閥瓣產生一個向下的合力，使主閥處于關閉、密封狀態。

表1 安全閥的設計參數

當系統壓力升高達到整定壓力時，導閥開啟，同時滑閥向上移動封閉導閥的進氣通道。主閥閥瓣上方氣室的介質經由打開的導閥排出，使主閥閥瓣上方壓力降低，主閥閥瓣在進口壓力的推動下打開而使系統卸壓。當系統壓力降低到一定值時，導閥回座并帶動頂桿頂開滑閥。系統壓力再次通過導閥傳入主閥閥瓣上方氣室，并推動主閥閥瓣關閉。其工作原理如圖1所示。

圖1 先導式安全閥工作原理

1.3 先導式安全閥的結構特點

1130-PSV01015B是由北京某石化技術裝備工程公司設計制造的先導式安全閥，型號為HTXD-2503S。

2 失效啟跳經過及原因分析

2.1 失效啟跳經過及處理

2012年5月29日加氫處理裝置因循環氫流量低觸發工藝聯鎖，切斷進料130 min。導致聯鎖動作的原因：循環氫壓縮機出口安全閥1130-PSV1015B故障啟跳且不能正常復位（安全閥定壓17.64 MPa，當時操作壓力15.46 MPa），系統內高壓氫氣自安全閥往火炬系統泄放，反應系統壓力急劇下降，導致循環氫壓縮機出口氫氣流量低觸發工藝聯鎖，裝置被迫非計劃停工。

安全閥啟跳后裝置系統壓力急劇降低，反應系統壓力自14.04 MPa降至8.4 MPa。當班操作人員判斷并確認引起事件原因，在較短時間內投用備用安全閥，關閉故障安全閥前閥門，及時切斷泄漏源，避免了事故的進一步擴大。

2.2 安全閥解體檢查和失效分析

安全閥在省特檢院專業人員拆檢解體后發現：主閥瓣密封面融化損壞嚴重；閥瓣活塞外圈O型圈有明顯熔脹軟化現象，閥瓣兩個O型圈之間的外圈表面附有部分橡膠粉末；閥瓣組件燒結嚴重，導致主閥瓣在導套內卡澀無法拆卸；導閥內滑梭上部O型圈破損嚴重；壓圈和閥軸連接處的O型圈斷裂且脫落至壓圈外（此O型圈正常應該在壓圈內）。該安全閥解體后內構件檢查情況如圖2至圖5所示。

圖2 閥瓣組件

圖3 閥瓣主密封面

圖4 壓圈和閥軸連接處的O型圈

從安全閥啟跳前后的壓縮機出口壓力曲線來看，循環機出口壓力基本都穩定在15.46 MPa，不存在超壓現象，因此可以排除是工藝超壓的原因。

圖5 滑梭上部O型圈

另外，根據失效安全閥解體檢查的情況來看，其導閥引壓管通暢無堵塞，導閥各內構件也未見水蒸氣和其他雜質，同時參考安全閥啟跳前后3 d循環機出口氫氣采樣組成分析，并無異常，因此也可以排除是由于引壓管堵塞或工藝介質組成變化導致安全閥失效啟跳。

根據安全閥兩次失效后拆檢解體的結果，進行了橫向對比，發現兩次啟跳過程及結果非常相似，二者之間存在一些共同點：（1）兩次均是在正常操作壓力下（15.46 MPa）發生起跳，且都未能正常復位；（2）起跳后均出現導閥內滑梭和閥座等關鍵位置的動密封O型圈破損和脫落；（3）閥瓣主密封面都發生了嚴重熔化，閥瓣O型圈都存在熔脹現象。對解體后的導閥進行顯微放大檢查后發現：導閥內閥軸、壓圈和閥座等密封面存在細微機械損傷和變形等缺陷。通過深入細致地交流和討論后認為：很可能正是由于這些密封面缺陷的存在，致使安全閥在正常投用時密封面的O型圈逐漸失去密封作用，導致安全閥在未達到定壓值的情況下，突然失效啟跳和不能正常復位。這也可以解釋為什么該安全閥在線投用一段時間后才失效起跳的原因。導閥閥座密封面缺陷形貌如圖6所示。

由于導閥閥座密封面存在缺陷和隱患，在長時間高壓氫氣的作用下，可能在閥座密封處某一點開始泄漏，這就造成高壓氫氣在此處節流。由于氫氣在節流的情況下溫度會上升，使閥座密封的O型圈在高溫下慢慢局部破損失效（導閥閥瓣O型圈整體完好而只是在一點發生斷裂，說明O型圈只是局部失效），最終導致主閥氣室壓力從導閥閥座處迅速泄放，主閥突然提前開啟。另外，導閥的閥座密封失效，使主閥氣室不能及時補氣，而沒有氣室上部壓力的作用，就沒有足夠的向下的壓力使主閥閥瓣復位，導致主閥不能回座。安全閥起跳后導致大量高壓氫氣自主閥閥瓣處向火炬線迅速泄壓，由于不能及時復位，氫氣在閥瓣的節流作用下產生大量的熱量，使得閥瓣主密封面熔化損壞嚴重和O型圈出現熔脹現象。這些現象與安全閥的拆檢結果也比較吻合。因此，認為安全閥導閥內閥軸、壓圈和閥座等密封面存在細微機械損傷和變形等缺陷，是導致此次安全閥失效起跳的根本原因。另外，主閥及導閥內O型圈的材質選型不當也可能是導致事故發生的另一原因。

圖6 導閥閥座密封面缺陷

3 結論及建議

（1）先導式安全閥1130-PSV1015B導閥內閥軸、壓圈和閥座等密封面均存在細微機械損傷和變形等缺陷，是導致其突然失效啟跳及未能復位的根本原因。

（2）安全閥失效起跳后，大量高壓氫氣自主閥瓣處排放至火炬管網。由于閥瓣處的高壓差和節流作用，導致氫氣在泄壓時產生瞬時高溫，使閥瓣底盤顏色變黑，同時熔化了氟塑料密封圈，并導致閥瓣下端O型圈（離閥座較近的一端）熔脹變形，閥瓣和導套卡滯在一起，使閥瓣無法回座。

（3）此安全閥密封件材質設計選型不當。原設計主閥和導閥內O型圈材質均為三元乙丙橡膠，其抗老化性能較好，但是其耐油和耐芳烴性能較差。建議對O型圈材質進行升級和更換，將原來的三元乙丙橡膠升級為氟橡膠（FKM V9000）。

（4）建議省特檢院在先導式安全閥定壓維護時，嚴格按照《HTXD先導閥維護使用》操作，特別是導閥的安裝和調試一定要嚴格執行，防止由于定壓拆檢導致內構件密封面損壞。

（5）認真排查裝置內同類型安全閥的使用和維護狀況，根據廠家提供的現場操作及檢驗的指導意見，細致認真檢查和維護，以防止此類事故的再次發生。

［1］ 王明禮.先導式安全閥的故障判斷和處理［J］.安全技術，2009，9（1）：25-26.

Reason Analysis and Treatment on System Crash of Pilot Operated Safety Valve

Zhang Hui
（Equipment Department of SINOCHEM Quanzhou Petrochemical Co.，Ltd.，Quanzhou 362103，China）

As for the system crash and unrecoverable accident happened on pilot operated safety valve 1130-PSV01015B of a hydrocracking unit circulating hydrogen compressor outlet，reasons were analyzed from the aspects of principle and structure feature of valve and field situation，corresponding maintenance suggestions and improvement measures were proposed.

pilot operated safety valve，system crash，reason analysis

2017-07-14；修改稿收到日期：2017-09-21。

張輝，工程師，本科，中化泉州石化有限公司設備部主管。E-mail：zhanghui8212＠126.com

（編輯 王菁輝）