高溫高壓蒸汽安全閥腐蝕缺陷修復及國產化改造

黃

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司機動部, 浙江 寧波 315200)

國內某大型煉油廠乙烯裂解汽包等高溫高壓蒸汽工況多個在用安全閥均采用進口產品，使用時間10～30 a，使用中存在安全閥閥芯密封面泄漏和在線定壓值不準等問題，解剖后發(fā)現閥芯閥座硬質合金層磨損開裂，堆焊研磨修復困難。如果更換進口閥芯閥座，費用昂貴，一般超過新購置整閥的30%。技術管理部門通過廣泛調研、同國內相關廠家技術交流，摸索修復和國產化辦法解決該問題。

1 高溫高壓蒸汽安全閥腐蝕失效分析

對多個失效高溫高壓安全閥后進行解剖分析發(fā)現：出現的典型故障為密封面腐蝕、沖蝕或硬質合金層開裂導致的泄漏。將腐蝕零部件委托給專業(yè)的機構進行失效分析，失效原因主要是密封面硬質合金材質經過長期使用受到介質溫度波動和出口管道有凝結水等因素影響，產生疲勞裂紋，導致硬質合金開裂損壞。致使主密封高溫蒸汽泄漏后造成彈簧在蒸汽環(huán)境中產生應力腐蝕開裂，彈簧斷裂后使安全閥突然失效，產生大幅波動，對正常生產帶來嚴重隱患。

1.1 密封面損壞磨損及修復

如果是星狀的點蝕，用D547，D547Mo類不銹鋼焊條點焊修復后，再進行研磨。如果密封面硬質合金層開裂或連續(xù)大塊缺陷，則委托專業(yè)廠家修復，將硬質合金層車削后，預熱后堆焊鈷基類硬質合金層，堆焊至少3 mm，經過粗研和精研后上線投用。在初期情況尚可，但其中部分安全閥使用一年左右時間，密封面就又發(fā)生了蒸汽泄漏，需要再次維修。分析原因主要是由于進口閥門大多采用彈性(撓性)閥瓣結構，即熱閥瓣結構。閥芯和閥瓣的尺寸、材料選配經過嚴格設計，熱膨脹系數相適應，工作狀態(tài)不能發(fā)生相對位移，這種帶彈性密封面的密封結構適用于閥座和閥瓣有可能發(fā)生熱變形的場合。當高溫介質被節(jié)流，節(jié)流的蒸汽使密封面冷卻，在密封面材料中造成溫度梯度，從而引起密封面的翹曲，節(jié)流時的冷卻程度取決于介質的種類及其初始參數，對于飽和蒸汽，工作壓力為17.0 MPa時溫度可能降低至230 ℃，這將導致密封面翹曲和侵蝕，從而造成修復后的閥芯閥瓣很難達到原始設計要求，特別是原始設計資料散失或出口廠家不提供，較難修復成進口閥門原始狀態(tài)[1]。

1.2 彈簧失效及措施

彈簧載荷式安全閥的工作原理是通過彈簧座把作用力傳遞給閥桿，閥桿再把彈力傳遞到閥瓣上。為保證安全閥的可靠運行，必須保證彈簧力能平穩(wěn)地傳遞到閥瓣上，但高溫高壓安全閥長期工作在苛刻環(huán)境，彈簧的力學性能會降低且出現松弛現象，彈簧力減小，導致安全閥密封力不足產生內漏，甚至提前起跳。故應適時更新彈簧，進行壽命管理，為了防止彈簧松弛，在設計計算時取較低的許用應力值，制造時進行強壓處理，彈簧材質至少采用高鉻鎳合金鋼制造，并采用高溫涂料處理等。

1.3 安全閥組件的安裝要求

閥瓣的導向套與閥體的連接是非剛性的，并且不接觸熱的介質，但在高溫環(huán)境下因膨脹系數不同容易卡澀，導致安全閥失效。為了防止閥瓣在導向套中被卡住，就必須按工作溫度的不同，在閥瓣和導向套之間確保一定的間隙，該間隙控制難度大，檢修成功率不高。

2 國產化改造工作

綜合考慮成本、維修和使用效果等多方面因素，從2017年開始在1號乙烯裂解爐汽包高溫高壓安全閥上進行了國產化改造，該安全閥的具體工況見表1。

表1 該安全閥的具體工況

2.1 安全閥定徑技術選擇

安全閥的定徑根據API相關標準《泄壓閥裝置的尺寸計算和選擇》，蒸汽的定徑公式如下：

式中：A為所需的有效排放面積，mm2;W為所需泄放量，kg/h;Pdr為額定排放壓力(該壓力等于整定壓力加上允許超過壓力，再加上大氣壓，MPa);Kdr為額定排量系數，取0.869;Kb為排量的背壓修正系數，對于常規(guī)式安全閥，處于臨界流動時，取1.0;Kc為裝爆破片時的聯合修正系數，當不安裝爆破片時，取1.0;KN為Napier公式的修正系數，根據計算取1.027;KSH為過熱蒸汽修正系數，取1。

計算得到所需的有效排放面積為269.82 mm2，選擇“G”喉徑，對應的排放面積為380.13 mm2。

2.2 高溫高壓安全閥的結構選擇

根據ASME第Ⅰ卷《動力鍋爐建造規(guī)則》要求，該安全閥應滿足：超過壓力≤3%Ps，啟閉壓差≤4%Ps。密封性能應滿足在96%Ps下進行密封性試驗，無可見及可聽見的泄漏。同時，閥門應當具有良好的動作性能，運行過程中無顫振、卡阻現象。這一工況要求高于常規(guī)安全閥工況要求，對閥門的結構提出特殊要求：(1)采用彈性熱閥瓣結構，以提高其在高溫高壓蒸汽工況下的密封性能。(2)具有多重調節(jié)機構，保證閥門性能可調，滿足性能指標要求。(3)導向件的結構、工藝應保證閥門對中性良好，彈簧力傳遞平穩(wěn)，無卡阻現象。(4)閥門的結構應采用敞開式結構，減小高溫對彈簧和其他重要零部件的影響。

2.3 彈性熱閥瓣結構設計

目前閥瓣的結構形式主要分為剛性閥瓣和彈性閥瓣兩種，具體結構見圖1和圖2。

圖1 剛性閥瓣結構

圖2 彈性閥瓣結構

對于剛性閥瓣密封結構，在閥門處于關閉狀態(tài)時，閥瓣內部長期與高溫介質接觸，外部與閥體腔體內空氣接觸，由于溫度差的存在，導致閥瓣密封面極易因為熱變形而發(fā)生翹曲，從而產生泄漏。同時當閥門工作壓力與開啟壓力比較接近時，作用于閥瓣密封面上的密封比壓較小，介質也會容易發(fā)生泄漏。

而彈性熱閥瓣獨特的結構設計使密封面上溫度分布均勻，減少了因密封面熱變形而帶來的泄漏風險，同時當閥門工作壓力與開啟壓力比較接近時，密封面會發(fā)生輕微“踮腳”現象，密封接觸面積會適當減小，以保證密封比壓，提升密封效果。

但是，彈性閥瓣的密封唇在閥門回座時會承受很大沖擊作用，產生較大應力，設計時需要引起足夠重視。應對密封唇處最大應力進行校核，確保結構強度滿足要求。利用ANSYS有限元仿真工具對閥瓣結構強度進行仿真分析，得到應力云圖，如圖3所示。計算結果表明應力最大值為486.83 MPa，約占閥瓣材料Inconel 718屈服極限的47%，滿足強度要求。

圖3 閥瓣應力云圖

2.4 閥座設計

安全閥閥座長期承受高溫高壓蒸汽作用。閥座作為安全閥中關鍵承壓件，需要嚴格保證其結構強度滿足要求。按照以下閥座壁厚計算公式對閥座強度進行校核。閥座壁厚計算示意圖見圖4。

圖4 閥座壁厚計算示意

同時，閥座的選材應重點關注材料在高溫下的強度和蠕變性能。為提高閥座密封面的耐熱性、耐磨性和硬度，保證閥門的密封性，在閥座密封面堆焊鈷基合金Stellite1。

2.5 調節(jié)圈的設計

采用上下雙調節(jié)圈結構設計，見圖5。上調節(jié)圈用來調節(jié)全開啟壓力，即排放壓力，下調節(jié)圈用來調節(jié)回座壓力，可以精確調整回座壓力和排放壓力，利用蒸汽流動產生的反力和張力來保證閥門在3%的超壓范圍內達到全排量開啟。同時也能充分利用安全閥進口蒸汽提供回座背壓，并可調節(jié)以達到啟閉壓差的要求[2]。該種超壓低、啟閉壓差小的特性既可有效保護系統的安全，又能避免蒸汽過量的泄放，最終降低系統的能量損失。

圖5 雙調節(jié)環(huán)結構

2.6 彈簧材質的選擇

此次國產化的安全閥彈簧一律選擇高溫合金鋼材料制作，表面涂鍍高溫漆防腐處理。彈簧在繞制后，需進行消除塑性變形的立定處理，將彈簧緩慢壓至圈與圈相接觸3～5次。之后，進行熱強壓處理，熱強壓處理要保持恒溫，將彈簧壓至并圈負荷下進行熱強壓處理，應在210 ℃下保溫24 h以上，以提升彈簧的熱穩(wěn)定性。

2.7 散熱結構設計

改良安全閥結構，保證良好的散熱功能，防止高溫蒸汽對彈簧產生不利影響。對整體安全閥進行溫度場仿真，得到溫度場分布,見圖6。仿真結果表明，改良的結構散熱效果良好,當介質溫度為500 ℃時，彈簧處溫度小于75 ℃。考慮到安全閥實際在線狀態(tài)處于常閉，該狀態(tài)下彈簧及內件溫度更低。

2.8 試用改進情況

2017年底，在1號裂解爐汽包上試用兩臺，但投用半年后，出現安全閥微漏蒸汽的情況，拆檢分析認為:泄漏應為閥門整體熱應力變形量大于彈性閥瓣的彌補能力，造成密封面受力不均和閥瓣密封力不夠所致[3]。為了提高密封可靠性對閥門制造做了如下改進：

圖6 安全閥溫度場分布圖

(1)對閥體和閥蓋進行兩次人工時效處理，減少鑄造應力的影響。

(2) 對堆焊并進行粗加工后的閥體組件，在最后的精加工前對閥桿進行去應力熱處理。

(3)對出廠安全閥進行冷態(tài)及熱態(tài)密封性試驗,建議泄漏等級提高一級驗收。

兩臺經過改造的安全閥在2018年底投用，已平穩(wěn)運行近一年，國產化工作初見成效。

3 結 論

(1)目前在用高溫高壓安全閥以進口設備為主，經過長周期運行，經常出現閥芯缺陷或彈簧應力松弛等問題，維修難度大、費用高且效果還不理想，所以在安全閥采購前期就要充分交流，在技術協議中明確廠家需提供的數據資料，為后期的維修提供便利。日常維修也要建立檔案，記錄閥門各配合間隙等關鍵數據，積累經驗，才能提高維修的成功率。依托有成熟經驗、有完善的熱處理和精加工的專業(yè)單位維修，考慮到該維修難度大，可適當延長維修質保期。

(2) 高溫高壓安全閥安裝的好壞，直接影響安全閥閥芯閥座的密封性能，特別是對高溫工況下的正常運行非常重要。高溫高壓安全閥一般每年進行一次在線定壓，應選擇靈敏度高的定壓設備，靈敏度低的定壓設備會使安全閥出現頻跳現象，損壞密封面，導致內漏。

(3)近幾年部分閥門廠開展了高溫高壓安全閥國產化工作，但效果不甚理想，考慮該類安全閥的重要性，因此務必要求國產化廠家應具有鍋爐安全閥ASME第Ⅰ章的專業(yè)認證。要求安全閥出廠在空氣試驗基礎上必須進行熱態(tài)試驗，在閥門內件選材、閥芯閥座熱處理、密封面精加工和出廠試驗標準等方面盡量提高等級要求，確保可靠性。