油浆泵预热阀门磨损原因分析及预防

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油克拉玛依石化分公司 作者:潘从锦

  介绍了催化裂化装置油浆泵预热阀门发生磨损内漏的现象。分析了形成磨损的流体介质、阀门材质和操作方面原因。提出了控制油气携带催化剂的携带量,降低循环油浆中催化剂的含量及其对阀门金属表面的磨损,采取在阀体通道内壁及闸板两侧容易冲刷磨损的部位先固定一层龟甲网后再在其间衬上刚玉衬层( Al2O3 ) ,多方面提高预热阀门抗磨损能力和预防磨损的措施。

1、概述

  在催化裂化装置中油浆循环的作用主要是洗涤反应油气携带的固体颗粒,并在尽量高的温度下取出分馏塔的一部分余热,保证一定的油浆冷凝量。在生产中,应保持系统运行有较大的油浆循环量,以降低油浆在分馏塔停留时间,防止油浆系统结焦。油浆泵为装置提供油浆循环动力,油浆泵通常为一开二备共3 台泵。备用的2 台泵通过油浆预热阀门预热泵体,确保运行泵在出现故障的情况下,备用泵能够及时切换。催化装置具有高温、易燃易爆和催化剂易产生磨损的特点,装置的循环油浆控制阀门因介质含有的催化剂量少,往往使阀门发生磨损内漏或阀体穿孔而出现油浆外泄等事故。

2、结构参数

  在3 台油浆泵中,运行泵的预热阀门处于全部关闭状态,备用泵的预热阀门开度处于控制状态。预热阀门开度过大会引起运行泵抽空,功耗增加,开度过小会造成备用泵不能充分预热,达不到备用的目的。现用预热阀门的型号和操作参数见表1,典型的油浆性质见表2。

3、工况条件

  3.1、 使用情况

  在装置生产中,油浆泵预热阀门闸板磨损产生内漏的使用情况见表3。2001 年前使用的控制阀门为Z41H -25,阀体材质为20 # 碳钢,闸板材质为Cr13 系不锈钢。在装置周期性停工检修时,拆检阀门发现闸板磨损严重,随即更换同等型号阀门后投入使用。2003 年阀门闸板材质改为硬质合金,2006年又将阀体材质升级为铬钼系钢,2009 年由单阀控制改为双阀控制,2012 年由双阀控制增至3 台阀控制,其流程见图1。2013 年,备用油浆泵P - 208 /2预热3 阀中的中间控制阀门阀体磨损开孔,高温油浆向外飞溅,处理过程中发现3 台阀门中的上阀和下阀也存在严重的磨损内漏现象,使得油浆泵泵体和中间预热阀门不能切除泄压和降温,无法近距离操作。由于泵体阀门和预热阀门均发生大量的内漏而不能切除也未能完成更换。

表1 阀门型号和操作参数

阀门型号和操作参数

表2 典型的油浆性质

典型的油浆性质

表3 预热阀门的使用情况统计

预热阀门的使用情况统计

油浆泵预热流程

图1 油浆泵预热流程

  3.2、受损状态

  拆检后,阀门的磨损情况见图2 和图3。

  (1) 闸板整体呈现蜂窝状,高压侧外表面泛明亮的金属光泽,但不光滑。

磨损的闸板

(a) 蜂窝状闸板(b) 高压侧外表面

图2 磨损的闸板

磨损的阀体

图3 磨损的阀体

  (2) 中心磨损开孔约10mm。

  (3) 侧面磨损有明显的不规则凹槽,深度约为5mm。

  (4) 靠近阀道的高压侧头部磨损为秃头,低压侧磨损为凹槽状,损失约8mm。

  (5) 阀体流道扩大,阀座内侧磨损有两道沟槽,向磨损开孔处延伸,深度最大为5mm,开孔处孔径约为2mm。

4、原因分析

  预热阀门的磨损主要是磨料磨损类型。硬催化剂和机械杂质在阀内表面摩擦过程中,影响零件表面磨损的主要因素包括接触的冲击载荷、磨料的硬度和颗粒大小、相对运动的情况、环境介质以及材料的组织和性能等。

  4.1、介质

  从油浆的性质知道,油浆中含有0. 13% 的残炭和0. 39%的机械杂质,即生焦和催化剂在循环过程中对设备磨损产生的金属颗粒部分。装置使用的新型沸石催化剂是一种硬催化剂,泽西法磨损指数≤2. 5%,表观堆积密度( ABD) 在0. 7 ~ 1. 0 之间,抗磨损强度较高,在装置内循环时磨损率低,但是硬催化剂更快地磨损了设备。

  油浆在流经预热阀门时,催化剂和机械杂质由于密度较大,一方面冲刷磨损阀座和闸板的棱角部分,另一方面催化剂逐渐沉积在阀座内。在阀门关闭时,堆积的催化剂和机械杂质夹在阀座和闸板之间使其不能形成完全密封,摩擦副间间隙越来越大。高硬度的催化剂和机械杂质在高流速下长期冲刷撞击闸板,加剧阀门密封面的磨损。

  4.2、操作

  (1) 因为预热阀门控制油浆的流量,在备用泵备用期间处于半开状态( 约20%) ,所以部分闸板处于长时间的油浆冲刷磨损中,尤其是闸板和阀座的棱角部分暴露在流体介质中,造成闸板前半部分、阀座和流道磨损严重。

  (2) 阀门开启关闭操作相对频繁,造成在阀门操作过程中催化剂等机械杂质对阀门变速冲刷磨损加剧。

  (3) 预热阀门正确的操作是上下2 台阀门保持全开状态,而用中间阀门控制流量,在中间阀门磨损严重的故障状况下,可以将其有效切除隔离,进行更换。实际操作中,由于失误将3 台阀门全部置于控制开度的半开状态,造成3 台阀门全部出现不同程度的磨损。

  4.3、材质

  尽管预热阀门阀体材质从碳钢升级到了铬钼系钢,闸板材质从Cr13 升级到了硬质合金,但是从实际应用的效果分析,并不能满足预热阀门高温耐磨损的要求。硬质合金虽然是一种具有高强度、高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温和热膨胀系数很小的材料,但随着炼油工业发展,还是需要进一步提高其耐磨损性能。铬钼系合金钢在炼油和化工设备中使用,主要是提高抗氢、抗氮、抗硫、抗氧化及抗腐蚀作用,同时是一种耐热钢,使用温度可以达到500℃,但是抗磨损的性能有限。

5、控制措施

  根据预热阀门产生磨损的原因,从工艺介质、操作控制,阀门的材料选择和结构改进方面提出预防控制措施。

  5.1、降低油浆介质中催化剂和机械杂质含量

  满足生产工艺条件的情况下,在高温油气进入分馏塔之前尽可能多的将催化剂分离回收,减少油气携带沸石催化剂的携带量,从而降低循环油浆中催化剂的含量。同样,催化剂含量的降低,也会降低催化剂对金属材质设备磨损产生的金属颗粒机械杂质含量。使得油浆中机械杂质含量小于0. 39%,甚至更低,从根本上控制预热阀门的磨损。

  5.2、改善预热阀门的运行工况

  (1) 3 台预热阀门中,只用中间阀门控制预热流量,上下阀门则完全开启。定期更换磨损的中间控制阀门,减少阀门磨损的数量。

  (2) 油浆泵由一开二备改为一开一停一备的模式。平时备用1 台油浆泵,而将原2 台备用油浆泵中的另外1 台停止备用,完全关闭3 台预热阀门以减少阀门的磨损数量。

  (3) 安装限流孔板。通过测量备用泵有效预热时的表面温度,核算油浆泵预热所需要的最小油浆流量,根据流量加工限流孔板安装在预热控制阀门之前的管路上,限流孔板还可以吸收一部分压降,减少阀前阀后压降,降低流速,减弱油浆对闸板的载荷冲击。控制阀门则完全开启,不参与实际流量控制。根据实际磨损情况定期更换限流孔板,而保护预热阀门不受磨损。

  (4) 改变预热介质。装置的回炼油温度和油浆温度相近,介质相似,回炼油泵和油浆泵出口压力相当,而且介质中催化剂更为稀少。从回炼油泵出口管道引一预热分支,通过回炼油预热油浆泵,可以减少预热阀门,大幅度减少磨损。

  5.3、采用耐磨材料提高阀门的抗磨损能力

  (1) 使用耐磨钢闸板和阀体。耐磨钢是用于制造高耐磨性零件的特殊钢种,其在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢,高锰钢的化学成分特点是高碳高锰,铸造成型后使用。

  (2) 在阀体通道内壁及闸板两侧容易冲刷磨损的地方先固定一层龟甲网,然后在其间衬上刚玉衬层( Al2O3) ,从而提高阀门的耐高温、耐磨损性能,延长阀门的使用寿命。

  (3) 在阀体易冲刷部位增加衬里,在硬质合金层的表面上喷涂耐磨合金层,使阀门的耐磨损性能得到提高。

  (4) 闸板、阀体及内衬均采用具有优异耐磨损性的氧化锆结构陶瓷材料,洛氏硬度高达HRA87以上,能承受高速流体及硬颗粒介质的冲蚀。

6、结语

  装置采用了从工艺生产方面的预防控制措施,新更换的预热阀门运行3 个月,没有发现内漏现象。

  由于装置运行状态下不具备施工条件,改变预热介质的措施在周期性停工检修才能完成。提高控制阀门抗磨损材质的措施,在催化裂化装置的滑阀等大型特种阀门上应用较多,而在油浆系统应用的中小型阀门上还没有得到使用。催化裂化装置油浆循环系统油浆泵预热阀门的磨损是生产工艺和阀门本体材质等综合因素造成的,改善阀门的工作环境和合理选择阀门的材质均可以延长阀门的使用寿命。电力、石油、化工、冶金、采矿及污水处理等工业领域,尤其面对高磨损和高温等恶劣工况,对高耐磨阀门的研究、设计和制造提出了更高的要求,优质的抗高磨损阀门才能满足现代工业的长周期运行目标。

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