1150度高溫蝶閥在催化裂化裝置應用
上海申弘閥門有限公司
之前介紹自力式壓力調節閥工作原理，現在介紹1150度高溫蝶閥在催化裂化裝置應用摘 要：中石化南陽能源化工有限公司催化裂化裝置一再煙道副線高溫蝶閥，在使用過程中，出現打開困難，多只能開至全程的40%，造成后部CO鍋爐檢修時煙氣憋壓，給CO鍋爐檢修帶來了安全風險。通過閥門再造技術，修復了損壞配件，投運正常。再造費用是新閥價格的1/3，節約了閥門購置資金。催化裂化裝置煙氣輪機入口閥包括切斷閥和調節閥兩類,包括氣動鑄造式和電液單面金屬硬密封焊接式高溫平板閘閥、臺階式和三偏心高溫蝶閥以及新研制應用的偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥等型式.文章從結構特點、密封性能、應用狀況等方面進行了分析比較,并對閥門的配置提出了建議.
1150度高溫蝶閥在催化裂化裝置應用關鍵字：催化裂化 高溫蝶閥 再造
0 前言
閥門作為控制流體介質的流量、流向、壓力、溫度的機械裝置，是管道系統中的基本組成部件，廣泛應用于石化、天然氣、熱電、水利、給排水等行業。閥門在使用過程中由于磨損、氧化、腐蝕、沖蝕、變形等原因會出現故障和失效，在閥門再造工藝發明和推廣以前，失效的閥門大多是拆下來后直接更換為新閥門，新閥門購置費是構成工廠維修費用的重要組成部分。閥門的部分零部件失效而更換整個閥門是不經濟的。特別是煉油廠催化裂化裝置的煙道高溫蝶閥，屬于特殊閥門，在生產中占據重要位置。因其工作環境惡劣，材質特殊，故價格昂貴。煉油廠催化裂化用超高溫蝶閥技術含量高，設計及制造難度大，造價高，開發該類閥門可提高企業的技術水平和經濟效益。該類高溫蝶閥按使用工況可分為煙機入口高溫調節型蝶閥、煙機入口高溫切斷型蝶閥、煙氣旁路高溫蝶閥和煙氣余熱回收系統的冷壁（襯里）蝶閥四種。應用于煉油廠催化裂化裝置動力回收系統煙氣管道調節、切斷用。介質：催化劑煙氣（煙氣含塵密度小于0.2kg/m3，煙氣中催化劑顆粒大于10μm的應在總含塵量3%～8%），設計壓力0.26MPa，設計溫度<923℃，公稱通徑DN1600。本文主要針對煙氣余熱回收系統的冷壁（襯里）蝶閥（見圖1）的研制進行了介紹。
1 煙道高溫蝶閥存在的問題
中國石化股份有限公司南陽能源化工有限公司（以下簡稱南陽能源）0.2×106t/a催化裂化裝置由四川石油勘察設計院設計，并于1992年12月建成投產。1994年12月由華東勘察設計院改造成為0.25×106t/a高低并列式重油催化裂化裝置，新增燒焦罐和第二再生器（以下簡稱二再），再生方式為兩段再生，*再生器（以下簡稱一再）為貧氧再生，CO組成為7.8%；二再為富氧再生，O2為9.2%（體積百分比）。一再煙氣和二再煙氣進入CO鍋爐混合燃燒，發生1.0MPa蒸汽后煙氣排入煙囪。一再煙道、二再煙道的正副線均設置有高溫蝶閥。一再煙道副線高溫蝶閥，公稱直徑為DN800，設計壓力為0.3MPa，設計溫度750℃，大開度90°，介質為含微量催化劑煙氣，閥體內部襯有龜甲網的雙層襯里（隔熱襯里和耐磨襯里）；蝶閥帶有手動和電液執行機構，可以手動控制和電液控制。出廠日期為2006年4月。該蝶閥運行至2013年5月份時，因為搶修CO鍋爐需要切除煙氣到CO鍋爐的正線，打開煙氣副線蝶閥，發現只能在全開度的0～40%范圍內活動（經解體后發現的具體故障見本文3.1），CO鍋爐檢修時，一再煙氣憋壓，煙氣穿透一再正線水封進入CO鍋爐，給CO鍋爐檢修帶來極大安全風險。CO鍋爐運行中，煙氣進煙囪溫度為176℃，而煙囪排煙溫度223℃，說明一再或二再副線蝶閥關閉不嚴密。出于安全考慮，平時二再副線水封投入正常使用，一再副線水封罐不上水，因此可以判定一再副線煙道蝶閥關閉不嚴密。高溫煙氣從副線流走也造成了能量的浪費和環境的污染。一再、二再再生煙氣流程如圖1所示。催化裂化用超高溫蝶閥閥體采用冷壁（襯里）結構，由鋼板和法蘭焊接后內襯隔熱耐磨材料而成。蝶板采用整體鑄造結構，與閥體上的兩個半圓臺階形閥座組成密封結構。閥桿采用半軸鍛件結構，與蝶板采用銷釘連接帶動閥瓣轉動。閥桿兩端支撐軸承各設蒸汽吹掃口和密封注脂口，以保證閥軸密封效果。
三、設計的關鍵技術
超高溫蝶閥設計一般有兩種方案，一種為冷壁，一種為熱壁。兩者設計思路*不同，冷壁是在閥體內表面設非金屬隔熱層，材料設計溫度一般按150～300℃考慮，設備外壁溫度低于200℃，材料選用時由于有隔熱襯里層，可選用耐高溫腐蝕性稍差的材料，成本低（還有一種是在空心閥體、蝶板等零件內引入如水等其他介質，來降低材料溫度）；熱壁是閥體外表面采用保溫材料，設計溫度按高操作溫度加安全系數（一般10～20℃），材料需選用能抗高溫和耐腐蝕、耐沖蝕的材料，成本高。
圖1 再生煙氣流程示意圖
2 閥門再造修復技術
2.1 原理
閥門再造修復是指對運行過一個生命周期的閥門按制造標準加工其主要部件（鑄件）和更換其他部件后重新組裝，并檢驗達到全部合格標準的工藝流程。在美國等發達國家，設備修復工程已經從生產制造的從屬地位成為社會經濟中的支柱產業［1］。閥門再制造是一種對廢舊閥門實施高技術和改進的產業。針對損壞和行將報廢的閥體及零件，在性能失效分析、壽命評估等分析基礎上，進行再制造工程設計，采用一系列相關的制造技術，達到或超過新品。再制造和新品相比，可節能60%，節材70%，節約成本超過50%，幾乎不產生固體廢物，大氣污染排放量降低80%以上，而且使用性能基本一樣。再制造有利于形成“資源—產品—廢舊產品—再制造產品”的循環經濟模式，可以充分利用資源，保護生態環境。
閥門再造的實質是對舊閥門的重新制造，但它又區別于閥門的常規制造和簡單的修復。其整個工藝包含熱處理、酸洗、機加工、研磨等二十多道工序。使用過一個生產或生命周期的閥門，其金屬物理應力消失，這是閥門再造技術能夠應用的前提和基礎。
2.2閥門再造的循環經濟特性
循環經濟是以“3R原則”為經濟活動的行為準則。“3R原則”是減量化原則（reduce）、再使用原則（reuse）和再循環原則（recycle）。閥門再造作為循環經濟中新工藝產業化成功的范例，屬于典型的原級再循環經濟，并且具有再使用的部分特征。
2.3閥門再造流程
閥門再造主要分為兩個部分：閥門主體部分再造和閥門執行機構部分再造。由于南陽能源公司計劃更新該蝶閥的執行機構，因此閥門執行機構部分不需再造。 在大口徑管線上，使用截止閥的成本非常高且無法實現零泄漏，在需要緊急關斷的工況中，必須在截止閥的旁側加裝切斷閥。雖然V型球閥也可以實現切斷(零泄露)和調節，但成本也要遠遠高于三偏心蝶閥。目前，一般在DN300mm以上蝶閥已逐漸代替了閘閥。蝶閥與閘閥相比具有開閉時間短、操作力矩小、安裝空間小和質量輕的特點。以DN1000mm為例，蝶閥約2t，而閘閥約3.5t，且蝶閥易與各種驅動裝置組合，有良好的耐久性和可靠性。正因為三偏心蝶閥與截止閥、球閥、閘閥相比具有顯著的優點，因此在石油化工行業的許多場合，三偏心蝶閥都得到了成功的應用。
(1)三偏心金屬密封蝶閥集調節與切斷(實現零泄漏)于一身，在聚乙烯裝置中已有成功的典型應用。聚乙烯裝置的反應器冷卻水溫度調節回路是該裝置重要的組成部分，溫度調節回路是否能平穩運行直接決定了整套聚乙烯裝置能否安全平穩運行。調溫水管線為大口徑(DN450mm以上)，正常工況條件下，三偏心蝶閥因其很高的調控比，作為調節閥使用，比普通調節閥更加穩定可靠，當聯鎖發生時，三偏心蝶閥還可以起到切斷作用，并且*切斷(零泄漏)。從實際應用情況來看，不但節約了投資成本，而且控制的特別穩定。
(2)乙烯裝置裂解爐出口的清焦閥是石油化工行業中使用條件比較苛刻的一種閥，工藝介質中的碳顆粒可能積聚在閥門的密封面上引起密封面咬合而使閥門不能正常開關，甚至縮短閥門的使用壽命。與其它類型的閥門相比，三偏心蝶閥以其*的結構特點成為的選擇。
(3)各煉油廠催化裂化裝置煙氣輪機的入口管線的切斷和調節，由于工藝管線口徑很大，工藝介質為高溫煙氣(高達750℃)，使用閥門主要采用三偏心蝶閥，國內裝置的閥門尺寸大已經達到DN1800mm，配備液壓執行機構關閉時間小于0.5s；其它如主風機入口出口管道和放空閥，氣壓機入口、出口管道，去火炬放空閥，油漿泵出入口，各種高中低壓蒸汽管線的調節和切斷等也大量選用三偏心蝶閥。液化石油氣非常容易泄漏，既要滿足大的流通能力又要避免泄漏，在其儲罐進出口主管線上使用三偏心蝶閥更加可靠。此外，在硫磺回收裝置中，需要熔融狀態輸送的液硫，目前均選用帶蒸汽夾套的三偏心蝶閥。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥通過以上蝶閥的演變過程及結構特點可見，三偏心蝶閥作為閥門科技的結晶，揚各種閥門之長、避各種閥門之短，已受到廣大用戶和設計人員的重視并得到廣泛的應用。
閥門主體部分再造主流程如圖2所示。修復后的閥門達到新閥出廠標準。
圖2 閥門主體部分再造流程示意圖
3 煙道高溫蝶閥的再造
3.1 蝶閥故障情況
2014年7月，利用裝置大修機會，將該蝶閥拆下和另外一些特殊閥門一起送至BC閥門制造公司實施再造修復。經BC公司解體發現一再煙道副線DN800高溫蝶閥主體部分存在以下故障：①蝶閥前軸花鍵處扭曲變形嚴重，后軸腐蝕嚴重；②前軸和后軸的彈簧全部斷裂；③填料、墊片老化；④軸承燒死；⑤隔熱襯里和耐磨襯里老化脫落。
3.2 修復方案
針對以上故障情況，BC公司制訂了修復方案如表1所示。
表1 DN800煙道蝶閥修復方案
4 應用效果
4.1 使用效果
修復后的煙道蝶閥，在一年來的運行中，執行機構運轉靈活，即使在高溫熱態下運行，閥門開關也靈活、可靠；CO鍋爐排煙溫度從223℃降為目前的170℃，說明密封效果良好；消除了CO鍋爐搶修時的安全隱患；減少了一再煙氣中CO排放對大氣的污染，同時大限度地回收了煙氣熱能。
4.2 經濟效益
直接效益：該型號高溫蝶閥，出廠新閥的主體部分（不含執行機構）市場價格為15萬元左右，而舊閥再造總費用為4.9萬元（含增值稅），可節約購置新閥費用10余萬元。間接效益：煙道蝶閥再造修復后，一二再煙氣可以全部進入CO鍋爐，1.0MPa蒸汽產量從14.0t/h增至目前的14.3t/h，每小時凈增0.3t，按每噸蒸汽170元、CO鍋爐年運行8400h計算，則年節能創效42.84萬元。7.8%（體積百分數）CO一再煙氣全部進入CO焚燒爐燃燒，在回收化學能的同時，減少了CO直接排放造成的環境污染。
5 結束語
再造修復后的電動煙道高溫蝶閥，在一年多的使用過程中，開關靈活、可靠，密封性良好。舊蝶閥再造費用只占新閥價格的1/3，節約了公司采購費用。含CO的一再煙氣全部進入CO焚燒爐，減輕了環境污染。閥門再造修復技術的成功應用，為南陽能源公司以后的閥門修復提供了科學借鑒。超高溫蝶閥研制完成后，經用戶使用發現在高溫情況下出現卡澀現象。針對這一問題分析認為是高溫材料膨脹系數選擇不當，重新進行高溫間隙計算校核并進行有限元分析后對閥桿與閥體的間隙進行調整，經檢修后再未出現問題。
催化裂化用超高溫冷壁（襯里）蝶閥的研制成功，解決了閥門材料選型、高溫情況下密封以及閥桿密封結構設計、執行機構的要求等問題，為煉油廠催化裂化裝置系統用閥取得了經驗，同時該閥的國產化為煉油企業在日益激烈的市場競爭中進一步降低生產成本、實現節能降耗發揮積極作用。與本產品相關論文：煤礦給水減壓閥
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