PSA 程控閥傳動件磨損原因及國產(chǎn)化改造

李 政，王海崗

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

摘要：國內(nèi)某石化公司兩套 PSA( 變壓吸附)裝置的 124 臺進(jìn)口程控閥，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)閥門開關(guān)不到位的情況，致使吸附塔離線，影響裝置的安全、穩(wěn)定和長周期運(yùn)行。對閥門開關(guān)不到位的情況進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)程控閥的傳動部件磨損是其主要原因。對程控閥傳動部件磨 損的故障特征，通過 SolidWorks 軟件生產(chǎn)相應(yīng)的三維 CAD 實(shí)體模型進(jìn)行受力分析計算，提出改變傳動部件曲柄、連桿結(jié)構(gòu)等解決對策。通過以上措施的實(shí)施，程控閥傳動部件磨損的故障率明顯降低，改造過的程控閥在已過去的三年內(nèi)沒有再發(fā)生過傳動部件故障。

關(guān)鍵詞：PSA; 程控閥傳動件; 磨損; 國產(chǎn)化改造

       國內(nèi)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(shù)。變壓吸附是一種物理吸附，其基本原理是以吸附劑內(nèi)部表面對氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ)，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點(diǎn)組分、不易吸附低沸點(diǎn)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(diǎn)組分吸附、在低壓力下解吸被吸附的雜質(zhì)組分使吸附劑獲得再生，通過周期 性的壓力變換過程實(shí)現(xiàn)氣體的分離和提純。其特 點(diǎn)是吸附過程沒有化學(xué)反應(yīng)，吸附過程進(jìn)行得極快，參與吸附的各相物質(zhì)間的動態(tài)平衡在瞬間即可完成。這種吸附是完全可逆的^［1］。

       根據(jù) PSA 裝置運(yùn)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(jìn)料氣通過底部進(jìn)料閥進(jìn)入吸附塔，雜質(zhì)被選擇性吸附，吸附結(jié)束后，吸附塔里留下了一些雜質(zhì)。吸附塔底部的雜質(zhì)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(zhì)在吸附劑的前沿轉(zhuǎn)移，在提供沖洗程序結(jié)束時，雜質(zhì)前沿移至最高位置，在沖洗程序結(jié)束時，雜質(zhì)前沿移至吸附劑最底層，依次循環(huán)使用吸附劑，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn) 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(guān)類閥門( XV) 54 臺，調(diào)節(jié)類閥門( PV) 70 臺。全裝置程控閥全部選用某公司的( 進(jìn)口)雙偏心蝶閥， 分為3″，4″，6″，8″，10″，12″和 16″等 7 個規(guī)格，壓力等級 300LB。雙偏心蝶閥具有優(yōu)良的切斷性和耐久性，是兼?zhèn)湔{(diào)節(jié)、切斷兩種功能的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自控閥。根據(jù)自控閥密封副的結(jié)構(gòu)形式，PSA 裝置 使用的雙偏心蝶閥采用軟密封結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(shè)計要求，程控閥在裝置現(xiàn)場為對夾式安裝，在生產(chǎn)過程中工藝介質(zhì)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(dá)到Ⅵ級，二是各個閥門開關(guān)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(guān)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(guān)閉不超過 1 s。程 控閥數(shù)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(chǎn)工藝應(yīng)用綜合了閥門的調(diào)節(jié)功能和閥位狀態(tài)制作的程序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)示意圖見圖 1。

2 程控閥傳動部件磨損故障與危害

       在生產(chǎn)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(jù)統(tǒng)計，在一年的 時間里，因程控閥傳動部件磨損導(dǎo)致吸附塔自動離線達(dá)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(guān)頻繁，再加上有 吸附劑粉塵的存在，粉塵隨工藝介質(zhì)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(jìn)而內(nèi)漏^［3］。頻繁開關(guān)還會導(dǎo)致起密封作用的軟閥座 破損、老化現(xiàn)象加劇失去彈性而變形，閥門關(guān)閉時閥板與閥座不能正常貼合密封，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏^［4］。

       在吸附塔離線時，維護(hù)人員對曲軸箱開蓋檢 查的過程中，由于閥門數(shù)量較多，處理緊急情況所 需的維護(hù)人員就會大幅增加。如果曲軸傳動部件磨損較小不進(jìn)行更換，在程控閥調(diào)試的過程中便會出現(xiàn)閥位超調(diào)或閥門開關(guān)時間不滿足生產(chǎn)要求 等問題。由此而產(chǎn)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(chǎn)氫量減少約 5 000 m3 /h，氫氣管網(wǎng)波動所引起的聯(lián)鎖效應(yīng)即臨氫裝置的緊急降溫降量，不僅給上下游裝置的平穩(wěn)操作帶來影響，也直接影響了整個公司的生產(chǎn)效益。

       制氫裝置 PSA 程控閥均由 PLC 程序控制。 在正常生產(chǎn)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(fā)生因傳動部件磨損，造 成閥門不能及時關(guān)閉，系統(tǒng)竄壓，制氫裝置聯(lián)鎖大停車事件。在生產(chǎn)過程中，曲柄與連桿磨損后卡 簧脫落，使得程控閥在關(guān)閉的過程中，曲柄卡在 曲軸箱箱體上無法關(guān)閉，進(jìn)而造成系統(tǒng)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。

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(jìn)行剖析。分析過程中使用了 SolidWorks 軟件，從中產(chǎn)生出相應(yīng)的三維 CAD 實(shí)體模型，通過現(xiàn)場使用環(huán)境、曲軸結(jié)構(gòu)以及三維 CAD 模型受力分析等幾個方面進(jìn)行原因分析。

3.1 現(xiàn)場使用環(huán)境

       制氫裝置 PSA 程控閥均為 PLC 程序化控制。程控閥數(shù)量眾多，動作頻率高是生產(chǎn)工況所要求。在工程上，為了節(jié)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(xiàn)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(guān)閉進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jìn)入曲軸箱，造成曲軸上起潤滑作用的潤滑脂變質(zhì)。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(yùn)行也有較大的影響。

3.2 曲軸結(jié)構(gòu)

       從圖 1 曲軸結(jié)構(gòu)示意圖上可以看出，程控閥 曲軸箱曲柄與連桿在設(shè)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(nèi)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(jìn)而由圓形變成橢圓形，曲軸柄腳越磨越細(xì)進(jìn)而變形， 最終兩者疊加導(dǎo)致閥門開/關(guān)不到位。

3.3 SolidWorks 三維 CAD 模型受力分析

       現(xiàn)場儀表風(fēng)工作壓力 0．5 MPa，活塞以 1 次/秒的速度進(jìn)行做功，活塞受力面積是 49062．5mm²，因此傳動件每次所承受的力為24531．25 N/mm² 。通過 SolidWorks 三維 CAD 模型受力分析計算出曲柄靜應(yīng)力最大節(jié)應(yīng)力是 2．811×10⁵N/m² ，靜態(tài)位移最大( 變形量) 3．199×10^－4mm。連桿靜應(yīng)力最大節(jié)應(yīng)力 1．613 ×10⁵N/m² ，靜態(tài)位移最大(變形量) 0．7016mm，見圖 3 至圖 6。

                                                                                                           由圖 3 至圖 6 可以看出，曲柄靜應(yīng)力及靜態(tài)位移、連桿靜應(yīng)力和靜態(tài)位移均較大。

4 程控閥傳動部件國產(chǎn)化改造

4.1 端蓋結(jié)構(gòu)改造

       在端蓋結(jié)構(gòu)方面，提出改造方案如下: 現(xiàn)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(jīng)過改造可防止雨水或灰塵進(jìn)入曲軸箱內(nèi)部，潤滑脂不變質(zhì)，從而延長了 曲軸的使用壽命。端蓋改造前后對比見圖 7。

4.2曲軸結(jié)構(gòu)改造 

       在曲軸結(jié)構(gòu)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(cè)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(nèi)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(zhì)上由滑動摩擦變?yōu)?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(jié)構(gòu)見圖 8。

       下面繼續(xù)使用 SolidWorks 軟件產(chǎn)生相應(yīng)的三 維 CAD 實(shí)體模型，通過三維 CAD 模型受力分析 計算，進(jìn)行改造前后對比。改造后曲柄靜應(yīng)力最 大節(jié)應(yīng) 力 是 1．952×10⁵N/m² ，靜態(tài)位移最大(變形量)1．013×0^－6mm。連桿靜應(yīng)力最大節(jié)應(yīng)力 1．501×10⁵N/m²，靜態(tài)位移最大(變形量)24．54mm。

由三維模型受力計算進(jìn)行改造前后數(shù)據(jù)對比，見表 1。

       通過以上數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)改造后曲柄與 連桿的最大節(jié)應(yīng)力、靜態(tài)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(jī)械制造方面，曲軸、連桿結(jié)構(gòu)的改造既方便了加工，提高了加工精度，又增加了傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動平穩(wěn)性;曲柄內(nèi)控由耐磨襯套改為滾動軸承，延長了使用壽命，降低了生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)成本。

5 結(jié)束語

        通過以上措施的實(shí)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(dá)到 3a，迄今為止改造過的程控閥未再發(fā) 生傳動部件故障。通過對使用了 3a 的曲軸、連 桿進(jìn)行拆檢，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的曲軸磨損情況。實(shí)踐證明，這種改造成功地將國外進(jìn)口部件進(jìn)行了國產(chǎn)化，不僅使程控閥穩(wěn)定運(yùn)行，也降低了生產(chǎn)維 護(hù)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(jié)約采購成本約 50 萬元。另外，程控閥的穩(wěn)定運(yùn)行，也保證了制氫裝置以及臨氫 裝置的安全、穩(wěn)定和長周期運(yùn)行。

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