焦炭塔頂蓋機故障分析及防范措施

張塞

（中國石化燕山分公司煉油廠，北京 102500）

關鍵字：延遲焦化 頂蓋機 執行機構 故障分析

1 焦炭塔頂蓋機概況

1.1 基本概況

焦炭塔是焦化裝置的核心設備，隨著裝置自動化程度的提高，國內外各大石油公司都逐步采用頂底蓋機技術，縮短了焦炭塔的生焦周期，提高了裝置的處理能力。但隨之也帶來了一些新問題，自動頂底蓋機事故在國內外均發生過[1]。國外自20世紀90年代以來，陸續開發了多款自動頂底蓋機，其技術類型分為兩種：一種是采用法蘭密封技術，另一種是采用閥門密封技術，以DeltaValve，Z&J 公司為代表，目前在國內外各大石油公司均有應用[2]。2003 年之前焦炭塔上用的是傳統人工開啟的頂蓋機。傳統頂蓋機采用螺栓連接，開啟、關閉次數頻繁，手工操作強度大。2003年以后，國內石化設計單位及設備生產廠家，在引進吸收國外技術的基礎上，開發了具有自主知識產權的第一種類型的自動頂底蓋機[3]。

燕山石化煉油部延遲焦化裝置采用DZFC 電動雙暗桿閘板閥頂蓋機。電動雙暗桿閘板閥為矩形閘板閥，通過雙軸伸電機驅動兩根絲杠實現閘板的開合運動，是一種按鈕操作的全密閉、易操作，具有可靠密封性能的全自動設備，安全性好，運行成本低。

1.2 基本結構和原理

DZFC 頂蓋機由驅動、閥體部分組成。閥體部分由殼體、封頭、閘板、密封座、絲杠等組成。閥體部分質量近4.5 t，其外形為矩形，中間閘板為矩形平板，閥體部分最大外形尺寸為3600×1200×900 mm，結構與普通大口徑高溫平板閘閥相似，殼體和封頭材質為ZG15CrMo，上下壓蓋材質為15CrMo（鍛件），閘板材質為1Cr5Mo（表面滲氮），上下密封環材質為15CrMo（鍛件），絲杠材質為316，碟簧材質為GH4169/30W4Cr2V，梯形螺母材質為QA110-4，密封墊、盤根材質為石墨帶茵絲，螺栓材質為25Cr2MoVA，螺母材質為35CrMo。

驅動部分主要包括電機（YB3-100L2-3-4），電機通過減速機（K77 AM100 M4 A+B）帶動絲杠轉動，絲杠與閘板通過梯形螺母聯接，從而帶動矩形閘板做往復運動來實現開、關。頂蓋機設計壓力為0.5 MPa，設計溫度為500℃，介質為高溫油氣、水蒸氣，密封蒸汽耗量≤100 kg/h，密封蒸汽壓力為0.6 MPa，試用塔口直徑為φ900 mm，啟閉油缸行程為780 mm，開/關閥時間為≤3 min。

閘板閥采用金屬硬密封，在開關閥過程中密封力不卸載。在閘板下部設置20組碟簧提供足夠的密封力，使密封比壓達到相關閥門設計規范所規定的最小密封必須比壓，而又不大于金屬密封環的滑動閘閥的最大密封比壓。密封副能夠隨著溫度的變化自動吸收膨脹與補償收縮。工作時閥內高溫密封環內及閥體兩端封頭內均通蒸汽，蒸汽壓力采用定壓控制，壓力高于介質壓力0.1 MPa 以上，起輔助密封作用。兩端封頭與閥體采用方法蘭連接，密封形式采用雙金屬自密封波齒墊。

1.3 焦炭塔工藝流程

延遲焦化工藝流程采用一爐兩塔配置，加熱爐連續進料，焦炭塔并聯切換操作。原料油在焦炭塔中發生裂解和縮合反應，裂解產生的輕烴和油氣進入分餾塔，縮合產生的焦炭聚集在焦炭塔中，焦炭塔作為焦化裝置的反應器需要從常溫提升到320℃才具備切換條件[4-5]，當塔中的焦炭聚集到一定的高度時，通過四通閥進行切換，使原料油進入另一個焦炭塔，反應后的焦炭塔又從440℃逐漸降低至80℃才具備水利除焦條件。除焦之前需要冷焦，冷焦的工藝過程一般包括小吹氣、大吹氣、給水、放水。小吹氣是為了把油氣吹到分餾塔，大吹氣和給水使產生的油氣和蒸汽到放空塔，放水使塔頂的溢流水和冷焦結束時塔底水排到冷焦水處理部分，待塔內水排放完后，用人工或者自動頂蓋機和底蓋機分別打開塔頂和塔底法蘭蓋，利用高壓水進行除焦，除焦完成后封閉焦炭塔頂和底法蘭蓋，用蒸汽驅趕塔內空氣并進行密封性實驗等操作，隨后對焦炭塔進行預熱達到暖塔溫度后，切換四通閥使原料油進入該焦炭塔中進行裂解和縮合反應，另一個焦炭塔則進行冷焦、除焦、切焦、暖塔等操作，兩個焦炭塔循環交替運行，一般18～24 h進行一次切換焦炭塔的操作，目前焦化裝置生焦周期為20 h。

2 故障分析及處理措施

近3 年焦炭塔頂蓋機共發生故障4 起，故障部位主要是機械部分和控制部分。2015年11月9日發生減速機軸承磨損故障，主要原因是免維護軸承使用時間較長，軸承進水導致軸承損壞。2017 年9月16日頂蓋機限位開關損壞，原因是由于閥桿在運轉過程中沖力過大，造成接近開關處彈簧頂彎以及閥體內部接近開關擋板處變形、彎曲、斷裂。2017年9月23日和2018年11月6日頂蓋機發生無法開啟故障。

2.1 故障現象

2017 年9 月23 日和2018 年11 月6 日頂蓋機故障類型一致，以最近一次進行失效機理分析。2018年11月6日12時00分，焦炭塔C-2101/A開始除焦，此時頂蓋機電機跳。經過檢查發現電機繼電保護器啟動。電機復位后，電機再次跳閘，初步判斷可能由于頂蓋機驅動銅套發生磨損。將頂蓋機閥板壓緊螺栓松動，降低壓緊力后進行試驗，仍然無法動作。12 時25 分，拆卸頂蓋機執行機構齒輪，判別東側和西側絲桿是否有問題，西邊第一個齒輪拆下后，東側絲桿利用原有電機進行驅動，東側絲桿的齒輪可以靈活旋轉；隨后將東側第一個齒輪拆下后，西側絲桿利用原有電機進行驅動，西側絲桿齒輪沒有反應。判斷可能由于西側絲桿和銅套發生黏合，影響頂蓋機的開啟。14時15分，東側絲桿利用原有電機進行驅動，將西側絲桿上的齒輪拆掉后利用人工替代，將閥板逐步打開。14 時30分，閥板頂到位，裝置開始除焦。15時30分，對頂蓋機西側絲桿進行拆除，絲桿傳動銅螺母和絲桿已經黏合在一起。

2.2 故障原因分析

圖1 和圖2 為2017年9 月23日頂蓋機故障現場拆解情況，頂蓋機執行機構拆卸后發現，絲杠與銅套磨損嚴重，絲扣已經全部切掉，銅套失效。

圖3 和圖4 為2018 年11 月6 日A 塔頂蓋機故障現場拆解情況，如圖所示，絲杠與銅套磨損黏連在一起，無法動作。

圖1 絲杠磨損情況

圖2 更換的新銅套

圖3 兩側的絲杠圖

首先，兩次故障均為絲杠與銅套之間運動失效導致。閘板的開關是通過電機轉動帶動左右絲桿的轉動實現。因此，在此過程中應確保左右絲桿的同步動作。否則，閘板左右行駛距離不一致，導致閘板位置卡死，無法移動。而閘板在密封力作用下，兩側絲桿驅動閘板開關時，由于絲杠及銅套加工精度及安裝尺寸的偏差，絲杠與螺母副的嚙合間隙有0.3 mm，導致閥板在開關過程中，密封座采用浮動密封座，隨著閥板進入密封座程度變化（從開到關逐漸增加），受到的總密封力不變，但分解在閥板兩側的力不一樣，導致兩側絲杠在閘板開關時行駛距離不一致，同時絲杠在定位套內，隨著螺母運行至絲杠遠端，因絲杠剛性，會造成閘板在水平方向左右擺動。這些都會導致在頂蓋機開關時兩側的絲桿受力不一致，運行一定時間后或突然非正常工作會造成兩側的絲桿螺母副磨損和咬合不一樣，使閘板在運行時偏斜著前進、后退。最終導致某一側螺母受軸向驅動力大，絲桿絲扣和銅螺母絲扣黏合在一起，發生頂蓋機故障。針對電機跳閘問題，在閘板移動過程中，到達兩處極限位置時，兩邊的接近開關發出信號，控制閘板的移動，如果此時接近開關出現問題，信號反饋不正常，閘板到達極限位置時，將無法繼續移動，而電機仍繼續轉動，這樣就極易導致電機燒壞，出現安全事故。

其次，在頂蓋機日常運行過程中，對頂蓋機維護不夠，定期加油不足，導致絲杠潤滑不足和不均。另外，技術管理人員和操作人員對電動雙暗桿閘板閥在運行中的實際情況了解不足，沒有定期檢查各聯接部位的緊固情況、各潤滑點處是否充分潤滑，對頂蓋機運轉有無異常響聲、振動、松動、卡阻等情況沒有制定相應預知維修策略，也是頂蓋機發生故障的原因[6]。

2.3 防范措施

1）在頂蓋機的創新設計上限制水平方向閘板的運動，使左右兩側的絲桿螺母受力一致，保證兩側絲杠運行同步。

2）開蓋之前檢查絲杠是否干凈，關蓋之前，需要在絲杠處加油，保證絲杠銅套潤滑。同時定期對頂蓋機上電機的軸承箱和齒輪箱加油，軸承箱每周加XG/ET2一次，齒輪箱每周加70#齒輪油一次。

3）加強施工維保人員對頂蓋機的維護保養能力，提高維保人員的素質，加強監測，制定相應預知維修策略，從而降低故障頻率。

4）加強技術管理人員和操作人員對頂蓋機的設備結構、運行原理和操作技能的培訓，正確處理生產中出現的問題。

采取上述措施后，截止目前頂蓋機運行正常，未發生相關故障，保證了焦化裝置的長周期運行。

3 結論

“環境友好、清潔生產、最大限度的減少各類排放物”是延遲焦化裝置綠色低碳發展的要求和方向。焦炭塔是延遲焦化裝置的核心設備，頂蓋機又是焦炭塔的核心設備，頂蓋機的正常運行直接關系全裝置的安全長周期運行，頂蓋機故障泄漏出高溫蒸汽、油汽、焦粉和少量有毒氣體，對環境和人身健康產生一定的危害，只有保證焦炭塔系統和密閉除焦系統的安全長周期運行，才能從源頭上改善延遲焦化裝置現場的環境，降低勞動強度，實現清潔生產以及企業綠色低碳發展。