程控閥故障分析與防控

朱狄，高仁鵬，納賽爾

（中國石油獨(dú)山子石化分公司煉油廠，新疆 獨(dú)山子 833699）

1 前言

某制氫裝置以天然氣和加氫低分氣為原料，采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化、中溫變換、變壓吸附技術(shù)，每小時氫氣產(chǎn)量8×104Nm3，供加氫裝置使用。裝置工藝由原料氣脫硫、轉(zhuǎn)化、變壓吸附（PSA）3個單元組成。

變壓吸附（PSA）單元主要作用，是將制氫裝置轉(zhuǎn)化爐產(chǎn)生的富含氫氣的混合氣體，以及外部輸送來的富含氫氣的氣體通過變壓吸附的原理來將富氫的混合氣體分離，提供純度高達(dá)99.9%的氫氣并入系統(tǒng)氫氣管網(wǎng)，供下游的加氫裝置使用，同時附屬產(chǎn)生一部分含有一定熱值的氣體供制氫裝置轉(zhuǎn)化爐作為燃料使用。

變壓吸附（PSA）單元由吸附塔、順放氣罐、解吸氣緩沖罐、解吸氣混合罐、液壓油箱、液壓油泵以及程控閥組成。PSA單元主流程的工序包括：吸附、一～四均降、順放、逆放、沖洗、四～一均升、產(chǎn)品氫終升共13個工藝步序，總計8個程控閥分別對應(yīng)不同的工藝步序，分別標(biāo)記為1～8號程控閥。

從2009年投用至今，PSA單元的吸附塔、順放氣罐、解吸氣緩沖罐、解吸氣混合罐、液壓油箱、液壓油泵等部件未發(fā)生影響裝置正常生產(chǎn)的故障或事件，而PSA單元的程控閥則時有出現(xiàn)不正常或不正確的開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)氫網(wǎng)大幅度波動，進(jìn)而影響后續(xù)的加氫裝置大幅度波動，嚴(yán)重時，加氫裝置還因此被迫停工。因此，提高PSA單元的可靠性，尤其是程控閥的可靠性至關(guān)重要。

2 PSA運(yùn)行現(xiàn)狀及檢修情況匯總

從2017年5月14日起，該制氫裝置的PSA單元的程控閥接連發(fā)生打不開或關(guān)不上的情況，嚴(yán)重影響了下游的加氫裝置的正常生產(chǎn)，為此對制氫PSA單元進(jìn)行全面的檢查與維修。根據(jù)檢修工作與輔助配合性工作的工作量與工藝生產(chǎn)的平衡，從2017年7月3日起，每周檢修一個吸附塔的8臺程控閥，至2017年10月13日，所有吸附塔的程控閥檢修完畢，總計檢修80臺套。

檢修主要分為檢修機(jī)械部分與檢修控制系統(tǒng)部分。

2.1 機(jī)械部分

（1）主要為更換7、8號程控閥的放大器，并對新舊放大器進(jìn)行解檢。（2）根據(jù)程控閥拆解出的情況來判定是否更換程控閥油路活塞的泛塞組合密封與外三角組合密封。（3）清理油缸與活塞上存在的油泥、鐵銹等雜質(zhì)。

2.2 控制系統(tǒng)部分

按計劃更換1號、2號電磁閥，對3-8號電磁閥進(jìn)行解檢與清理，根據(jù)拆檢結(jié)果決定是否更換，清理、更換完成后回裝，回裝完成調(diào)試正常后交付車間。

2.3 普遍存在問題

（1）泛塞組合密封（彈簧密封圈）。聚合物介質(zhì)老化，顏色變黃，變硬；部分存在少量的彈簧片變形或斷裂，如圖1所示。（2）外三角組合密封（O型圈及外密封圈）聚合物介質(zhì)老化，部分存在小段的磨損或破裂，如圖2所示。

圖1 泛塞組合密封顏色變黃，變硬，彈簧片變形、斷裂

圖2 外三角組合密封老化，存在小段的磨損或破裂

2.4 檢修過程出現(xiàn)較為嚴(yán)重的問題代表性的概述

機(jī)械部分

（1）某塔的5號程控閥油缸內(nèi)有大量的油泥，如圖3。（2）某塔的4號程控閥的外三角密封嚴(yán)重?fù)p壞，如圖4所示。（3）某塔的8號程控閥放大器內(nèi)部磨損，如圖5所示。（4）某塔的 2號程控閥油缸磨損，如圖6所示。（5）某塔的5號活塞生銹，如圖7所示。（6）某塔7號程控閥的新放大器內(nèi)有大量的雜質(zhì)，如圖8所示。

圖3 某塔5號程控閥油缸內(nèi)有大量的油泥

圖4 某塔4#閥的外三角密封嚴(yán)重?fù)p壞

圖5 某塔8號程控閥舊的放大器內(nèi)部磨損

圖6 某塔2號程控閥油缸磨損

圖7 某塔5號程控閥活塞有鐵銹

圖8 某塔7號程控閥的新放大器內(nèi)有大量的大型雜質(zhì)

對于機(jī)械部分出現(xiàn)故障的原因，總體可歸納為3大類，分別為程控閥活塞密封的老化與失效問題，元件、配件的可靠性問題以及程控閥內(nèi)進(jìn)水導(dǎo)致的銹蝕與磨損問題。

2.5 控制系統(tǒng)部分

控制系統(tǒng)檢修部分主要為更換特定的電磁閥，并對相應(yīng)的線路進(jìn)行防松檢查。除去固定更換的1、2號程控閥的電磁閥外，還更換了在運(yùn)行、檢修以及調(diào)試過程中出現(xiàn)故障或錯誤的電磁閥。歷時3個多月的檢修經(jīng)驗(yàn)表明，如某程控閥出現(xiàn)了錯誤或報警，一般對相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行檢修或更換，都能解決問題。

對于控制系統(tǒng)部分出現(xiàn)故障的原因，還是電磁閥的可靠性問題，此類問題可以和機(jī)械部分的元件、配件的可靠性問題統(tǒng)稱為設(shè)備元器件的可靠性問題。

3 原因分析與控制措施

對于上述的3個原因?qū)?yīng)的解決措施如下。

（1）定期更換程控閥活塞密封，在其生命周期內(nèi)，提前進(jìn)行更換，并擇機(jī)對部分密封組件進(jìn)行抽樣檢查，以確定密封更換的時機(jī)與數(shù)量，以便及時掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，避免無效的工作量以及人力財力的浪費(fèi)。

（2）從源頭上解決元器件的可靠性問題，增大對設(shè)備元器件的抽檢比例。由于程控閥、放大器與電磁閥都是大批量的發(fā)貨，根據(jù)現(xiàn)場檢修的經(jīng)驗(yàn)，目前的抽檢比例無法保證設(shè)備元器件到現(xiàn)場后是百分之百的合格品。此后此類元器件到現(xiàn)場安裝之前，做到能檢則檢，同時將壓力傳遞至供貨商與生產(chǎn)商，使其保證其產(chǎn)品在出廠與轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的優(yōu)質(zhì)與有效。進(jìn)而從源頭上控制設(shè)備元器件的質(zhì)量。

（3）對于程控閥內(nèi)進(jìn)水導(dǎo)致的銹蝕與磨損問題，可分為兩個方面，一方面是檢修過程中可能出現(xiàn)的問題，另一方面則有可能是工藝生產(chǎn)中的出現(xiàn)的偏差。對于檢修過程，可能是由于上次檢修時，防雨罩沒有及時上好，致使在檢修過程中進(jìn)入雨水，導(dǎo)致少量的油泥與鐵銹產(chǎn)生，在油缸內(nèi)摩擦，而生成大量的油泥。對于工藝生產(chǎn)中的出現(xiàn)的偏差，則可能由以下部分產(chǎn)生。

4 工藝生產(chǎn)部分

對于工藝生產(chǎn)部分，工藝介質(zhì)的富含氫氣的氣體和程控閥的驅(qū)動部件物理隔離，不會對程控閥的運(yùn)行造成影響，主要的影響在于程控閥兩側(cè)的壓差可能造成程控閥開關(guān)狀態(tài)的偏差，此項(xiàng)問題主要體現(xiàn)在4號程控閥上，在某吸附塔二均升與相應(yīng)的一個吸附塔三均降的步序時，程控閥兩側(cè)壓差最高可達(dá)1MPa,而其他程控閥兩端的差壓不會超過0.5MPa，且4號閥的錯油門的孔徑也并不大于其他程控閥的錯油門孔徑，因此4號程控閥因壓差過大的原因造成程控閥錯誤狀態(tài)的幾率較其他程控閥明顯偏大。

其次因?yàn)闈櫥蛧a(chǎn)化的原因，裝置早期將原設(shè)計的液壓油由美孚DTE10EXCEL32換成目前的昆侖L-HV32液壓油，兩者相應(yīng)的差別主要體現(xiàn)在潤滑油的抗乳化與酸值等常見主要性能指標(biāo)上，兩種不同的潤滑油在運(yùn)行1～2年期間對應(yīng)的化驗(yàn)分析如表1、2（略去性質(zhì)相同或相近的部分）。

表1 原設(shè)計用油DTE10EXCEL32運(yùn)行1～2年期間的相關(guān)化驗(yàn)分析

對比兩者的化驗(yàn)分析，國產(chǎn)化滑油L-HV32#的酸值是國產(chǎn)化前的潤滑油DTE10EXCEL32酸值約4倍，潤滑油對管路或部件的腐蝕或部件上易脫落的部分的剝離更為明顯，當(dāng)雜物，進(jìn)入潤滑油的管路中，更易產(chǎn)生鐵銹和油泥等雜物堵塞程控閥的進(jìn)出口油路，從而影響程控閥瞬間驅(qū)動的扭矩，造成程控閥開、關(guān)不到位或無法開關(guān)，對生產(chǎn)造成極大的影響。

兩種潤滑油的抗乳化性能平均值分別為9分鐘和17分鐘，更換國產(chǎn)化潤滑油后的抗乳化性能明顯下降，潤滑和減振的性能明顯下降，使PSA系統(tǒng)的程控閥在瞬間需要改變開關(guān)狀態(tài)時無法及時削減振動，潤滑效果減低，也加大了閥門卡澀的幾率，造成程控閥的開關(guān)故障的幾率增加。

制氫裝置2011年經(jīng)過第一次大修，2013年下半年，PSA程控閥僅出現(xiàn)了一次打開不到位的情況，此時DTE10EXCEL32經(jīng)過大修換油后，運(yùn)行時長為13～19個月；2015年制氫裝置第二次大修，更換PSA液壓油站潤滑油，此時的潤滑油運(yùn)行時長為9～17個月，運(yùn)行時長小于原潤滑油的運(yùn)行時長，但在5～7個月期間，總計出現(xiàn)了 14次不正常的開關(guān)狀態(tài)，故障率確是更換原潤滑油運(yùn)行狀態(tài)下的14倍，雖然存在程控閥固件和配件的老化的原因，但程控閥的相關(guān)固件的設(shè)計壽命為15年，目前僅運(yùn)行8年，相關(guān)固件的老化不能造成14倍故障幾率的影響。2017年10月中，在更換完程控閥的相應(yīng)電磁閥和程控閥內(nèi)的密封組件后，其后運(yùn)行不到2星期，還是出現(xiàn)程控閥無法正常開關(guān)的情況，此時相應(yīng)配件處于完好狀態(tài)，可見程控閥配件問題也僅是影響PSA程控閥平穩(wěn)運(yùn)行的主要原因之一。

表2 更換國產(chǎn)化用油L-HV32后運(yùn)行1～2年期間的相關(guān)化驗(yàn)分析

在10月底將PSA液壓油在線更換后，運(yùn)行了75天，暫未出現(xiàn)程控閥故障問題，在2018年2月，再次對PSA液壓油再次進(jìn)行在線更換，從初次換油到目前為止，總計運(yùn)行300天，未出現(xiàn)程控閥故障問題。由此可見，潤滑油的質(zhì)量直接關(guān)乎PSA程控閥的平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié)語

根據(jù)3個多月對PSA程控閥及相應(yīng)附件的檢查檢修情況以及歷年來PSA運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)表明。（1）定期更換程控閥活塞密封組件，在密封組件生命周期內(nèi)，提前進(jìn)行更換，并擇機(jī)對部分密封組件進(jìn)行抽樣檢查。（2）從源頭上解決元器件的可靠性問題，增大對設(shè)備元器件的抽檢比例。（3）通過對檢修過程與質(zhì)量的控制，以降低雨水進(jìn)入PSA液壓油系統(tǒng)的幾率；并縮短更換現(xiàn)有的國產(chǎn)化潤滑油的運(yùn)行周期。

通過對以上控制措施的落實(shí)，有效的降低PSA程控閥的故障幾率，有效地保證PSA單元長周期平穩(wěn)運(yùn)行，為下游加氫裝置平穩(wěn)運(yùn)行提供了保障。