PSA程控閥傳動件磨損原因及國產化改造

李 政, 王海崗

(中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103)

國內某石化公司兩套PSA裝置，均采用變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA)氫提純工藝技術。變壓吸附是一種物理吸附，其基本原理是以吸附劑內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組分、不易吸附低沸點組分和提高壓力時吸附量增加、降低壓力時吸附量減少的特性，在高壓力下將原料氣中的高沸點組分吸附、在低壓力下解吸被吸附的雜質組分使吸附劑獲得再生，通過周期性的壓力變換過程實現氣體的分離和提純。其特點是吸附過程沒有化學反應，吸附過程進行得極快，參與吸附的各相物質間的動態平衡在瞬間即可完成。這種吸附是完全可逆的[1]。

根據PSA裝置運行特性，整個變壓吸附過程通常由吸附(ADS)、均壓降壓(E1～E4)、順放(PP)、逆放(BD)、沖洗(P)、均壓升壓(E4～E1)和終充(R)等步驟組成。進料氣通過底部進料閥進入吸附塔，雜質被選擇性吸附，吸附結束后，吸附塔里留下了一些雜質。吸附塔底部的雜質最多，而越到頂部越少。通過一系列的順向減壓程序，從吸附塔頂部回收氫氣，滯留在吸附塔里的純氫用于其他吸附塔的均壓升降和沖洗操作。雜質在吸附劑的前沿轉移，在提供沖洗程序結束時，雜質前沿移至最高位置，在沖洗程序結束時，雜質前沿移至吸附劑最底層，依次循環使用吸附劑，進而實現PSA的吸附和再生[2]。

1 程控閥和曲軸箱簡介

1.1 程控閥

兩套PSA裝置共計124臺程控閥，其中開關類閥門(XV)54臺，調節類閥門(PV)70臺。全裝置程控閥全部選用某公司的(進口)雙偏心蝶閥，分為3″，4″，6″，8″，10″，12″和16″等7個規格，壓力等級300LB。雙偏心蝶閥具有優良的切斷性和耐久性，是兼備調節、切斷兩種功能的經濟實用的自控閥。根據自控閥密封副的結構形式，PSA裝置使用的雙偏心蝶閥采用軟密封結構，密封副的軸向距離偏心和角度偏心使閥門開啟后閥板能迅速脫離閥座、大幅度地消除了閥板與閥座的不必要的過度擠壓、刮擦現象，減輕了開啟阻距，降低了磨損，提高了閥座壽命。

按照工藝包設計要求，程控閥在裝置現場為對夾式安裝，在生產過程中工藝介質雙向流動，對程控閥的要求較高。一是各個程控閥密封等級要達到Ⅵ級，二是各個閥門開關速度要快，三是各個閥門具備雙向耐壓性和抗高速氣流沖刷性能。PV閥要求全行程打開不超過5 s，全行程關閉不超過2 s，0～25%行程不超過2 s ；XV閥要求全行程打開不超過2 s，全行程關閉不超過1 s。程控閥數量眾多且動作頻繁，動作頻率最高的4″程控閥30萬次/年，動作頻率最低的12″程控閥8萬次/年。整個生產工藝應用綜合了閥門的調節功能和閥位狀態制作的程序，實現生產過程的操作控制。

1.2 曲軸箱

程控閥曲軸箱由曲軸、曲柄、連桿和卡簧等部件組成。程控閥傳動部件結構示意圖見圖1。

圖1 程控閥傳動部件結構示意

2 程控閥傳動部件磨損故障與危害

在生產過程中，程控閥曲柄與連桿在長時間高頻次動作下必然互相摩擦。據統計，在一年的時間里，因程控閥傳動部件磨損導致吸附塔自動離線達到28臺次，其中動作頻率最高的4″程控閥故障頻次最為突出。程控閥開關頻繁，再加上有吸附劑粉塵的存在，粉塵隨工藝介質一起帶出，對閥門的密封面造成沖蝕，引起閥門密封面損傷進而內漏[3]。頻繁開關還會導致起密封作用的軟閥座破損、老化現象加劇失去彈性而變形，閥門關閉時閥板與閥座不能正常貼合密封，導致閥門內漏[4]。

在吸附塔離線時，維護人員對曲軸箱開蓋檢查的過程中，由于閥門數量較多，處理緊急情況所需的維護人員就會大幅增加。如果曲軸傳動部件磨損較小不進行更換，在程控閥調試的過程中便會出現閥位超調或閥門開關時間不滿足生產要求等問題。由此而產生的備件采購量急劇增加，價格也極其昂貴。此外，兩臺吸附塔離線會造成制氫裝置產氫量減少約5 000 m3/h，氫氣管網波動所引起的聯鎖效應即臨氫裝置的緊急降溫降量，不僅給上下游裝置的平穩操作帶來影響，也直接影響了整個公司的生產效益。

制氫裝置PSA程控閥均由PLC程序控制。在正常生產過程中無法在線檢查程控閥傳動部件的磨損情況。期間還曾發生因傳動部件磨損，造成閥門不能及時關閉，系統竄壓，制氫裝置聯鎖大停車事件。在生產過程中，曲柄與連桿磨損后卡簧脫落，使得程控閥在關閉的過程中，曲柄卡在曲軸箱箱體上無法關閉，進而造成系統竄壓和吸附塔離線等次生事件。拆解后的程控閥曲軸箱見圖2。

圖2 程控閥曲軸箱現場拆解情況

3 程控閥傳動部件磨損原因分析

以動作頻率最高且故障率也最高的4″程控閥為例，對程控閥傳動部件進行剖析。分析過程中使用了SolidWorks軟件，從中產生出相應的三維CAD實體模型，通過現場使用環境、曲軸結構以及三維CAD模型受力分析等幾個方面進行原因分析。

3.1 現場使用環境

制氫裝置PSA程控閥均為PLC程序化控制。程控閥數量眾多，動作頻率高是生產工況所要求。在工程上，為了節約投資成本，所有的程控閥均是在水平于工藝管道正上方對夾式安裝。在現場使用的過程中，程控閥上指示閥門開度的端蓋隨著閥門開啟/關閉進行轉動，端蓋下與曲軸連接，上與定位器/回訊器連接，其四周有一定的縫隙，在雨天或沙塵天氣，雨水和塵土等會進入曲軸箱，造成曲軸上起潤滑作用的潤滑脂變質。另外，該煉油廠靠近海邊，“回南天”或潮濕的空氣中含有的鹽分對曲軸的運行也有較大的影響。

3.2 曲軸結構

從圖1曲軸結構示意圖上可以看出，程控閥曲軸箱曲柄與連桿在設計上存在一定的不合理性，曲柄與連桿在長時間高頻次動作下必然互相摩擦。雖然在連桿的內孔中加入了耐磨襯套，但是隨著時間的推移，連桿孔徑磨損越來越大，進而由圓形變成橢圓形，曲軸柄腳越磨越細進而變形，最終兩者疊加導致閥門開/關不到位。

3.3 SolidWorks三維CAD模型受力分析

現場儀表風工作壓力0.5 MPa，活塞以1次/秒的速度進行做功，活塞受力面積是49 062.5 mm2，因此傳動件每次所承受的力為24 531.25 N/mm2。通過SolidWorks三維CAD模型受力分析計算出曲柄靜應力最大節應力是2.811×105N/m2,靜態位移最大(變形量)3.199×10-4mm。連桿靜應力最大節應力1.613×105N/m2,靜態位移最大(變形量)0.701 6 mm，見圖3至圖6。

圖3 曲柄靜應力分析節應力

圖4 曲柄靜應力分析靜態位移

圖5 連桿靜應力分析節應力

圖6 連桿靜應力分析靜態位移

由圖3至圖6可以看出，曲柄靜應力及靜態位移、連桿靜應力和靜態位移均較大。

4 程控閥傳動部件國產化改造

4.1 端蓋結構改造

在端蓋結構方面，提出改造方案如下：現場測繪增大端蓋的直徑與厚度，從端蓋的四周開密封槽并增加O型密封圈。經過改造可防止雨水或灰塵進入曲軸箱內部，潤滑脂不變質，從而延長了曲軸的使用壽命。端蓋改造前后對比見圖7。

圖7 端蓋改造前后對比

4.2 曲軸結構改造

在曲軸結構方面，提出改造方案如下：曲軸柄腳突出的軸改為孔，連桿上的一側孔改為突出軸，這樣在曲柄和連桿的受力方面會有較大的改善。另外，曲柄內孔的耐磨襯套改為滾動軸承，由此曲柄與連桿的接觸方式就在本質上由滑動摩擦變為滾動摩擦，兩方面疊加在一起，從而延長了曲軸的使用壽命。改造后其傳動部件結構見圖8。

圖8 改造后傳動部件結構圖

下面繼續使用SolidWorks軟件產生相應的三維CAD實體模型，通過三維CAD模型受力分析計算，進行改造前后對比。改造后曲柄靜應力最大節應力是1.952×105N/m2,靜態位移最大(變形量)1.013×10-6mm。連桿靜應力最大節應力1.501×105N/m2,靜態位移最大(變形量)24.54 mm。

圖9 曲柄靜應力分析節應力

圖10 曲柄靜應力分析靜態位移

圖11 連桿靜應力分析節應力

圖12 連桿靜應力分析靜態位移

由三維模型受力計算進行改造前后數據對比，見表1。

通過以上數據對比，可以發現改造后曲柄與連桿的最大節應力、靜態位移(變形量)均小于改造前，直接延長了曲軸的使用壽命。在機械制造方面，曲軸、連桿結構的改造既方便了加工，提高了加工精度，又增加了傳動機構的運動平穩性；曲柄內控由耐磨襯套改為滾動軸承，延長了使用壽命，降低了生產運行維護成本。

表1 曲柄和連桿改造前后數據對比

5 結束語

通過以上措施的實施，制氫裝置PSA程控閥傳動部件磨損的故障率明顯降低，改造后工作時間最長達到3 a，迄今為止改造過的程控閥未再發生傳動部件故障。通過對使用了3 a的曲軸、連桿進行拆檢，沒有發現明顯的曲軸磨損情況。實踐證明，這種改造成功地將國外進口部件進行了國產化，不僅使程控閥穩定運行，也降低了生產維護成本,縮短了采購周期。按照每臺程控閥一套曲軸備件測算，節約采購成本約50萬元。另外，程控閥的穩定運行，也保證了制氫裝置以及臨氫裝置的安全、穩定和長周期運行。