1150度高温蝶阀在催化裂化装置应用

                         1150度高温蝶阀在催化裂化装置应用

                              上海申弘阀门有限公司

之前介绍自力式压力调节阀工作原理，现在介绍1150度高温蝶阀在催化裂化装置应用摘 要：中石化南阳能源化工有限公司催化裂化装置一再烟道副线高温蝶阀，在使用过程中，出现打开困难，多只能开至全程的40%，造成后部CO锅炉检修时烟气憋压，给CO锅炉检修带来了安全风险。通过阀门再造技术，修复了损坏配件，投运正常。再造费用是新阀价格的1/3，节约了阀门购置资金。催化裂化装置烟气轮机入口阀包括切断阀和调节阀两类,包括气动铸造式和电液单面金属硬密封焊接式高温平板闸阀、台阶式和三偏心高温蝶阀以及新研制应用的偏心凸轮轴高温切断型蝶阀等型式.文章从结构特点、密封性能、应用状况等方面进行了分析比较,并对阀门的配置提出了建议.
1150度高温蝶阀在催化裂化装置应用关键字：催化裂化 高温蝶阀 再造



0 前言
阀门作为控制流体介质的流量、流向、压力、温度的机械装置，是管道系统中的基本组成部件，广泛应用于石化、天然气、热电、水利、给排水等行业。阀门在使用过程中由于磨损、氧化、腐蚀、冲蚀、变形等原因会出现故障和失效，在阀门再造工艺发明和推广以前，失效的阀门大多是拆下来后直接更换为新阀门，新阀门购置费是构成工厂维修费用的重要组成部分。阀门的部分零部件失效而更换整个阀门是不经济的。特别是炼油厂催化裂化装置的烟道高温蝶阀，属于特殊阀门，在生产中占据重要位置。因其工作环境恶劣，材质特殊，故价格昂贵。炼油厂催化裂化用超高温蝶阀技术含量高，设计及制造难度大，造价高，开发该类阀门可提高企业的技术水平和经济效益。该类高温蝶阀按使用工况可分为烟机入口高温调节型蝶阀、烟机入口高温切断型蝶阀、烟气旁路高温蝶阀和烟气余热回收系统的冷壁（衬里）蝶阀四种。应用于炼油厂催化裂化装置动力回收系统烟气管道调节、切断用。介质：催化剂烟气（烟气含尘密度小于0.2kg/m3，烟气中催化剂颗粒大于10μm的应在总含尘量3%～8%），设计压力0.26MPa，设计温度<923℃，公称通径DN1600。本文主要针对烟气余热回收系统的冷壁（衬里）蝶阀（见图1）的研制进行了介绍。
1 烟道高温蝶阀存在的问题
中国石化股份有限公司南阳能源化工有限公司（以下简称南阳能源）0.2×106t/a催化裂化装置由四川石油勘察设计院设计，并于1992年12月建成投产。1994年12月由华东勘察设计院改造成为0.25×106t/a高低并列式重油催化裂化装置，新增烧焦罐和第二再生器（以下简称二再），再生方式为两段再生，*再生器（以下简称一再）为贫氧再生，CO组成为7.8%；二再为富氧再生，O2为9.2%（体积百分比）。一再烟气和二再烟气进入CO锅炉混合燃烧，发生1.0MPa蒸汽后烟气排入烟囱。一再烟道、二再烟道的正副线均设置有高温蝶阀。一再烟道副线高温蝶阀，公称直径为DN800，设计压力为0.3MPa，设计温度750℃，大开度90°，介质为含微量催化剂烟气，阀体内部衬有龟甲网的双层衬里（隔热衬里和耐磨衬里）；蝶阀带有手动和电液执行机构，可以手动控制和电液控制。出厂日期为2006年4月。该蝶阀运行至2013年5月份时，因为抢修CO锅炉需要切除烟气到CO锅炉的正线，打开烟气副线蝶阀，发现只能在全开度的0～40%范围内活动（经解体后发现的具体故障见本文3.1），CO锅炉检修时，一再烟气憋压，烟气穿透一再正线水封进入CO锅炉，给CO锅炉检修带来极大安全风险。CO锅炉运行中，烟气进烟囱温度为176℃，而烟囱排烟温度223℃，说明一再或二再副线蝶阀关闭不严密。出于安全考虑，平时二再副线水封投入正常使用，一再副线水封罐不上水，因此可以判定一再副线烟道蝶阀关闭不严密。高温烟气从副线流走也造成了能量的浪费和环境的污染。一再、二再再生烟气流程如图1所示。催化裂化用超高温蝶阀阀体采用冷壁（衬里）结构，由钢板和法兰焊接后内衬隔热耐磨材料而成。蝶板采用整体铸造结构，与阀体上的两个半圆台阶形阀座组成密封结构。阀杆采用半轴锻件结构，与蝶板采用销钉连接带动阀瓣转动。阀杆两端支撑轴承各设蒸汽吹扫口和密封注脂口，以保证阀轴密封效果。


    三、设计的关键技术
    超高温蝶阀设计一般有两种方案，一种为冷壁，一种为热壁。两者设计思路*不同，冷壁是在阀体内表面设非金属隔热层，材料设计温度一般按150～300℃考虑，设备外壁温度低于200℃，材料选用时由于有隔热衬里层，可选用耐高温腐蚀性稍差的材料，成本低（还有一种是在空心阀体、蝶板等零件内引入如水等其他介质，来降低材料温度）；热壁是阀体外表面采用保温材料，设计温度按高操作温度加安全系数（一般10～20℃），材料需选用能抗高温和耐腐蚀、耐冲蚀的材料，成本高。



图1 再生烟气流程示意图
2 阀门再造修复技术
2.1 原理
阀门再造修复是指对运行过一个生命周期的阀门按制造标准加工其主要部件（铸件）和更换其他部件后重新组装，并检验达到全部合格标准的工艺流程。在美国等发达国家，设备修复工程已经从生产制造的从属地位成为社会经济中的支柱产业［1］。阀门再制造是一种对废旧阀门实施高技术和改进的产业。针对损坏和行将报废的阀体及零件，在性能失效分析、寿命评估等分析基础上，进行再制造工程设计，采用一系列相关的制造技术，达到或超过新品。再制造和新品相比，可节能60%，节材70%，节约成本超过50%，几乎不产生固体废物，大气污染排放量降低80%以上，而且使用性能基本一样。再制造有利于形成“资源—产品—废旧产品—再制造产品”的循环经济模式，可以充分利用资源，保护生态环境。
阀门再造的实质是对旧阀门的重新制造，但它又区别于阀门的常规制造和简单的修复。其整个工艺包含热处理、酸洗、机加工、研磨等二十多道工序。使用过一个生产或生命周期的阀门，其金属物理应力消失，这是阀门再造技术能够应用的前提和基础。
2.2阀门再造的循环经济特性
循环经济是以“3R原则”为经济活动的行为准则。“3R原则”是减量化原则（reduce）、再使用原则（reuse）和再循环原则（recycle）。阀门再造作为循环经济中新工艺产业化成功的范例，属于典型的原级再循环经济，并且具有再使用的部分特征。
2.3阀门再造流程
阀门再造主要分为两个部分：阀门主体部分再造和阀门执行机构部分再造。由于南阳能源公司计划更新该蝶阀的执行机构，因此阀门执行机构部分不需再造。 在大口径管线上，使用截止阀的成本非常高且无法实现零泄漏，在需要紧急关断的工况中，必须在截止阀的旁侧加装切断阀。虽然V型球阀也可以实现切断(零泄露)和调节，但成本也要远远高于三偏心蝶阀。目前，一般在DN300mm以上蝶阀已逐渐代替了闸阀。蝶阀与闸阀相比具有开闭时间短、操作力矩小、安装空间小和质量轻的特点。以DN1000mm为例，蝶阀约2t，而闸阀约3.5t，且蝶阀易与各种驱动装置组合，有良好的耐久性和可靠性。正因为三偏心蝶阀与截止阀、球阀、闸阀相比具有显著的优点，因此在石油化工行业的许多场合，三偏心蝶阀都得到了成功的应用。


    (1)三偏心金属密封蝶阀集调节与切断(实现零泄漏)于一身，在聚乙烯装置中已有成功的典型应用。聚乙烯装置的反应器冷却水温度调节回路是该装置重要的组成部分，温度调节回路是否能平稳运行直接决定了整套聚乙烯装置能否安全平稳运行。调温水管线为大口径(DN450mm以上)，正常工况条件下，三偏心蝶阀因其很高的调控比，作为调节阀使用，比普通调节阀更加稳定可靠，当联锁发生时，三偏心蝶阀还可以起到切断作用，并且*切断(零泄漏)。从实际应用情况来看，不但节约了投资成本，而且控制的特别稳定。
    (2)乙烯装置裂解炉出口的清焦阀是石油化工行业中使用条件比较苛刻的一种阀，工艺介质中的碳颗粒可能积聚在阀门的密封面上引起密封面咬合而使阀门不能正常开关，甚至缩短阀门的使用寿命。与其它类型的阀门相比，三偏心蝶阀以其*的结构特点成为的选择。
    (3)各炼油厂催化裂化装置烟气轮机的入口管线的切断和调节，由于工艺管线口径很大，工艺介质为高温烟气(高达750℃)，使用阀门主要采用三偏心蝶阀，国内装置的阀门尺寸大已经达到DN1800mm，配备液压执行机构关闭时间小于0.5s；其它如主风机入口出口管道和放空阀，气压机入口、出口管道，去火炬放空阀，油浆泵出入口，各种高中低压蒸汽管线的调节和切断等也大量选用三偏心蝶阀。液化石油气非常容易泄漏，既要满足大的流通能力又要避免泄漏，在其储罐进出口主管线上使用三偏心蝶阀更加可靠。此外，在硫磺回收装置中，需要熔融状态输送的液硫，目前均选用带蒸汽夹套的三偏心蝶阀。
     上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,波纹管减压阀通过以上蝶阀的演变过程及结构特点可见，三偏心蝶阀作为阀门科技的结晶，扬各种阀门之长、避各种阀门之短，已受到广大用户和设计人员的重视并得到广泛的应用。
阀门主体部分再造主流程如图2所示。修复后的阀门达到新阀出厂标准。



图2 阀门主体部分再造流程示意图
3 烟道高温蝶阀的再造
3.1 蝶阀故障情况
2014年7月，利用装置大修机会，将该蝶阀拆下和另外一些特殊阀门一起送至BC阀门制造公司实施再造修复。经BC公司解体发现一再烟道副线DN800高温蝶阀主体部分存在以下故障：①蝶阀前轴花键处扭曲变形严重，后轴腐蚀严重；②前轴和后轴的弹簧全部断裂；③填料、垫片老化；④轴承烧死；⑤隔热衬里和耐磨衬里老化脱落。
3.2 修复方案
针对以上故障情况，BC公司制订了修复方案如表1所示。
表1 DN800烟道蝶阀修复方案



4 应用效果
4.1 使用效果
修复后的烟道蝶阀，在一年来的运行中，执行机构运转灵活，即使在高温热态下运行，阀门开关也灵活、可靠；CO锅炉排烟温度从223℃降为目前的170℃，说明密封效果良好；消除了CO锅炉抢修时的安全隐患；减少了一再烟气中CO排放对大气的污染，同时大限度地回收了烟气热能。
4.2 经济效益
直接效益：该型号高温蝶阀，出厂新阀的主体部分（不含执行机构）市场价格为15万元左右，而旧阀再造总费用为4.9万元（含增值税），可节约购置新阀费用10余万元。间接效益：烟道蝶阀再造修复后，一二再烟气可以全部进入CO锅炉，1.0MPa蒸汽产量从14.0t/h增至目前的14.3t/h，每小时净增0.3t，按每吨蒸汽170元、CO锅炉年运行8400h计算，则年节能创效42.84万元。7.8%（体积百分数）CO一再烟气全部进入CO焚烧炉燃烧，在回收化学能的同时，减少了CO直接排放造成的环境污染。


5 结束语
再造修复后的电动烟道高温蝶阀，在一年多的使用过程中，开关灵活、可靠，密封性良好。旧蝶阀再造费用只占新阀价格的1/3，节约了公司采购费用。含CO的一再烟气全部进入CO焚烧炉，减轻了环境污染。阀门再造修复技术的成功应用，为南阳能源公司以后的阀门修复提供了科学借鉴。超高温蝶阀研制完成后，经用户使用发现在高温情况下出现卡涩现象。针对这一问题分析认为是高温材料膨胀系数选择不当，重新进行高温间隙计算校核并进行有限元分析后对阀杆与阀体的间隙进行调整，经检修后再未出现问题。
    催化裂化用超高温冷壁（衬里）蝶阀的研制成功，解决了阀门材料选型、高温情况下密封以及阀杆密封结构设计、执行机构的要求等问题，为炼油厂催化裂化装置系统用阀取得了经验，同时该阀的国产化为炼油企业在日益激烈的市场竞争中进一步降低生产成本、实现节能降耗发挥积极作用。与本产品相关论文：煤矿给水减压阀