變壓吸附系統(tǒng)程控閥故障原因分析及對(duì)策

楊 明^１ ，許志紅^２ ，劉紅星^１

摘 要：新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司乙二醇裝置配套變壓吸附 （ＰＳＡ）系統(tǒng)試生產(chǎn)階段，程控閥故障頻發(fā)，而程控閥的運(yùn)行狀況在很大程度上直接決定了 ＰＳＡ系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，為此 ＰＳＡ系統(tǒng)先后進(jìn)行了２次 技術(shù)改造，但第二次技改后生產(chǎn)階段程控閥仍然出現(xiàn)了不少故障。經(jīng)分析與梳理，試生產(chǎn)階段程控閥故障主要是吸附劑泄漏所致，２０１８年二次技改后運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障則主要是對(duì)程控閥缺乏維護(hù)保養(yǎng)造成的，在原因分析的基礎(chǔ)上，中新化工對(duì) ＰＳＡ系統(tǒng)程控閥進(jìn)行優(yōu)化改造，消除了不少問題。同時(shí)，通過總結(jié)多年來的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)提出了 ＰＳＡ系統(tǒng)程控閥日常運(yùn)行維護(hù)管控的關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：變壓吸附系統(tǒng)；程控閥；故障現(xiàn)象；原因分析；應(yīng)對(duì)措施；優(yōu)化改造；運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

0 引言

         新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司 （簡(jiǎn)稱中新化工）ＰＳＡ系統(tǒng)是乙二醇裝置的外圍配套裝置， 其主要任務(wù)是向下游乙二醇裝置提供合格的原料 氣—ＣＯ和 Ｈ２。該 ＰＳＡ系統(tǒng)由北京北大先鋒科 技有限公司設(shè)計(jì)，２０１１年 ３月開始施工，２０１２ 年 ３月首次試車。由于試生產(chǎn)過程中出現(xiàn) ＣＯ產(chǎn) 品氣中甲烷含量高和吸附劑泄漏的問題，影響系 統(tǒng)自身及下游系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，ＰＳＡ系統(tǒng)先后進(jìn)行了２次技術(shù)改造，２０１８年３月第二次技改完成后投運(yùn)。以下對(duì)有關(guān)情況作一簡(jiǎn)介。

1 ＰＳＡ系統(tǒng)運(yùn)行概況

         ＰＳＡ系統(tǒng)是高度自動(dòng)化的氣體分離裝置，每個(gè)運(yùn)行周期吸附塔都必須經(jīng)歷多個(gè)工藝步驟，而這些工藝步驟是按照設(shè)定好的自控程序通過程控閥穩(wěn)定、有序啟閉實(shí)現(xiàn)切換的，ＰＳＡ系統(tǒng)程控閥運(yùn)行狀況良好與否直接決定了ＰＳＡ系統(tǒng)能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而中新化工 ＰＳＡ系統(tǒng)自２０１２年３月份試車以來，因程控閥故障多次造成 ＰＳＡ系統(tǒng)和下游乙二醇裝置停車，具體如下。

1.1 第一階段—試生產(chǎn)階段

         工程建設(shè)階段，由于在設(shè)備監(jiān)制及進(jìn)廠檢驗(yàn) 環(huán)節(jié)把關(guān)不嚴(yán)，ＰＳＡ吸附塔下分布器存在間隙大、絲網(wǎng)破損、絲網(wǎng)未壓實(shí)、螺栓未把緊等一系列問題，設(shè)計(jì)院現(xiàn)場(chǎng)代表建議將存在的問題處理 后再進(jìn)行吸附劑裝填和試車工作，以免出現(xiàn)吸附劑泄漏問題并損壞程控閥，但當(dāng)時(shí)由于工程進(jìn)度節(jié)點(diǎn)要求在 ２０１２年初開車產(chǎn)氫，ＰＳＡ系統(tǒng)存在的問題沒有徹底處理就進(jìn)行了吸附劑裝填、試車，結(jié)果試生產(chǎn)階段出現(xiàn)了吸附劑大量泄漏致程控閥閥芯沖刷內(nèi)漏的問題；尤其是 ２０１３年 ３月首次技改時(shí)將原設(shè)計(jì)均壓調(diào)節(jié)閥去掉后，系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的吸附劑粉化問題；２０１３年 ５月 ＰＳＡ 系統(tǒng)重啟后，２０１３年 ７—９月期間，ＰＳＡ系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間沒有超過１個(gè)月的，每次 ＰＳＡ系統(tǒng)停車，在程控閥 （含密封面、密封殼———程控閥密封殼即平衡缸，其通過平衡管與閥體通道相 連）和管道內(nèi)均能發(fā)現(xiàn)大量的吸附劑顆粒及粉塵，并伴隨大量程控閥出現(xiàn)內(nèi)漏的跡象。

         分析認(rèn)為，此階段造成程控閥故障的原因有二：一是吸附劑泄漏造成閥芯及密封面受到?jīng)_刷，密封面損傷后密封失效；二是吸附劑粉塵通過平衡管進(jìn)入密封組件，造成密封組件摩擦力加大，閥桿上附著大量粉末而致閥門卡澀，甚至造成密封Ｏ型圈干磨，平衡缸外壁出現(xiàn)斷裂。

1.2 第二階段—二次技改后生產(chǎn)階段

         ２０１３年底，中新化工委托維保公司對(duì) ＰＳＡ 系統(tǒng)所有程控閥進(jìn)行了加油保養(yǎng)，但因各種各樣的原因，ＰＳＡ系統(tǒng)第二次技改一直拖延至 ２０１７ 年底才艱難結(jié)束，此期間程控閥在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)受各種自然環(huán)境考驗(yàn)，未進(jìn)行過任何維護(hù)保養(yǎng)。

分析認(rèn)為，此階段程控閥故障大多由維護(hù)保養(yǎng)不善引起，同時(shí) ＰＳＡ系統(tǒng)長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行也暴露出程控閥設(shè)計(jì)制造方面的缺陷。

2 程控閥故障原因分析及應(yīng)對(duì)措施

2.1 維護(hù)保養(yǎng)不善引起的故障

2.1.1 程控閥反饋故障

故障現(xiàn)象：程控閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)開、關(guān)故障報(bào)警，但吸附塔壓力正常，程控閥現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作與程序要求一致，只是反饋不正常。

         原因分析：受閥門開關(guān)震動(dòng)的影響，程控閥開關(guān)檢測(cè)頭與霍爾開關(guān)出現(xiàn)松動(dòng)，霍爾開關(guān)與檢測(cè)頭間隙超出設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)反饋故障。

         應(yīng)對(duì)措施：每周定期檢查閥檢霍爾開關(guān)緊固情況，有松動(dòng)時(shí)及時(shí)消除。

2.1.2 程控閥打開故障

  故障現(xiàn)象：程控閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)開故障報(bào)警，吸附塔壓力未按程序要求升高或降低，出現(xiàn)異常，程控閥現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作與程序要求不一致。

         原因分析：① 電磁閥卡澀—兩位五通電磁閥缺乏維護(hù)保養(yǎng)，滑塊不動(dòng)作或有異物卡??；② 電磁閥線圈損壞—電磁閥線圈露天安裝， 日曬高溫下老化損壞；③ 閥門接線端子卡接線松動(dòng)，開關(guān)信號(hào)傳輸不良；④ ＤＣＳ機(jī)柜安全柵損壞，無輸出信號(hào)。

         應(yīng)對(duì)措施：① 嚴(yán)格控制程控閥儀表空氣質(zhì)量，不得含有微量粉塵和水分，且定期更換電磁閥并進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；② 電磁閥線圈增設(shè)防曬設(shè)施；③ 定期檢查接線端子接線情況；④ 更換損壞的ＤＣＳ機(jī)柜安全柵。

2.1.3 程控閥開關(guān)延時(shí)故障

         故障現(xiàn)象：程控閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)開、關(guān)延時(shí)故障報(bào)警，但吸附塔壓力正常，程控閥現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作與程序要求一致，只是未在程序設(shè)定時(shí)間內(nèi)開、關(guān)到位，出現(xiàn)延時(shí)報(bào)警。

原因分析：程控閥開關(guān)平衡活塞在氣缸內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)的過程中缺乏潤(rùn)滑而卡澀，閥門開、關(guān)遲 緩；或儀表氣缸竄氣造成閥門開、關(guān)遲緩。

         應(yīng)對(duì)措施：平衡缸活塞卡澀引起的閥門開、關(guān)延時(shí)故障，可能是吸附劑粉塵進(jìn)入平衡缸導(dǎo)致了活塞潤(rùn)滑不良，有停車機(jī)會(huì)要打開檢查及處理；對(duì)于儀表氣缸竄氣引起的閥門開、關(guān)延時(shí)故障，要定期檢查，發(fā)現(xiàn)有潤(rùn)滑不良的情況時(shí)要及時(shí)加油，以免發(fā)展到竄氣的階段。

2.1.4 程控閥關(guān)閉故障

         故障現(xiàn)象：程控閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)關(guān)故障 報(bào)警，吸附塔壓力出現(xiàn)異常，程控閥現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作與 程序要求不一致。

原因分析：兩位五通電磁閥缺乏維護(hù)保養(yǎng)， 滑塊不動(dòng)作或有異物而致卡澀。

應(yīng)對(duì)措施：嚴(yán)格控制程控閥儀表空氣質(zhì)量，不得含有微量粉塵和水分，定期更換電磁閥并進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

2.1.5 程控閥內(nèi)漏

         故障現(xiàn)象：均壓步驟 ２臺(tái)吸附塔壓力一致 時(shí)，程控閥有內(nèi)漏的吸附塔壓力緩慢降低；抽真 空步驟時(shí)，ＣＯ產(chǎn)品氣中 Ｈ_２含量上升。

         原因分析：一方面，吸附劑粉化或泄漏，程控閥開關(guān)時(shí)粉塵隨氣流進(jìn)入而對(duì)程控閥密封面形成沖刷，密封失效而致內(nèi)漏；另一方面，粉塵積聚在平衡缸和平衡盤下部空間，和潤(rùn)滑脂形成油泥，造成平衡缸內(nèi)密封Ｏ型圈磨損，密封失效而引起內(nèi)漏。

         應(yīng)對(duì)措施：首先加強(qiáng)源頭控制，加強(qiáng)設(shè)計(jì)、 制造、裝配等環(huán)節(jié)的過程監(jiān)管，尤其是吸附塔底部分布器，在吸附劑裝填前不能有缺陷；其次要嚴(yán)格管控裝填、試壓、吹掃、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，盡量避免誤操作引起的竄壓事故，嚴(yán)禁超負(fù)荷生產(chǎn)； 再者要利用停車機(jī)會(huì)檢查吸附塔頂部格柵板情況，如有傾斜和吸附劑下沉，立即進(jìn)行糾正。

2.2 程控閥設(shè)計(jì)制造缺陷引起的故障

2.2.1 ＤＮ４００程控閥平衡缸閥桿斷裂

         故障現(xiàn)象：２０１９年 ９月 ２８日 ＰＳＡ-ＣＯ系統(tǒng) ＤＮ４００程控閥檢修時(shí)，吊裝過程中出現(xiàn)平衡缸閥桿斷裂；２０１９年 １２月 １５日的生產(chǎn)中，ＤＮ４００ 程控閥按照程序要求動(dòng)作，但吸附塔壓力未隨工藝步驟降低，初步判斷 ＤＮ４００程控閥閥芯脫落， 打開檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)平衡缸閥桿斷裂。

         原因分析：ＤＮ４００程控閥平衡缸閥桿為兩段式結(jié)構(gòu)，下段裝配結(jié)合部大頭部位設(shè)計(jì)厚度１０ｍｍ，對(duì)斷裂閥桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，實(shí)際結(jié)合部大頭部位只有 ６～８ｍｍ，即存在加工制造缺陷， 存在薄弱環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)了疲勞斷裂。

         應(yīng)對(duì)措施：聯(lián)系程控閥生產(chǎn)廠家，重新校核計(jì)算 ＤＮ４００程控閥閥桿強(qiáng)度并重新設(shè)計(jì)制造，利用檢修機(jī)會(huì)予以更換。

2.2.2 ＤＮ４００程控閥平衡盤出現(xiàn)裂紋

故障現(xiàn)象：ＣＯ產(chǎn)品氣中 Ｈ_２ 含量周期性升高，產(chǎn)品氣純度下降致下游乙二醇裝置停車

         原因分析：通過與程控閥生產(chǎn)廠家交流，一方面認(rèn)為可能是該批次備件本身存在缺陷；另一方面可能是第二次技改后系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度升高所致 —ＰＳＡ系統(tǒng)原設(shè)計(jì)溫度 ４０℃，技改后設(shè)計(jì)溫度 （７０±５）℃，尤其是在吸附劑還原階段，最高溫度達(dá)１５０℃，ＤＮ４００程控閥平衡盤材質(zhì)為灰鑄鐵，高溫下灰鑄鐵強(qiáng)度下降導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。

         應(yīng)對(duì)措施：① 程控閥生產(chǎn)廠家校核計(jì)算 ＤＮ４００程控閥平衡盤強(qiáng)度，按照實(shí)際運(yùn)行溫度重新設(shè)計(jì)制造 ＤＮ４００程控閥平衡盤；② 因ＰＳＡ—ＣＯ系統(tǒng)逆放和抽真空步驟 ＤＮ４００程控閥的工作 狀況直接影響 ＣＯ產(chǎn)品氣的質(zhì)量，除了消缺外， 還將 ＰＳＡ—ＣＯ系統(tǒng)逆放和抽真空步驟的 ＤＮ４００程 控閥改為單向閥門，將原閥門平衡管用堵頭封堵，原平衡管取消后，在平衡活塞中間鉆孔，以 免影響閥門開、關(guān)速度；③ 預(yù)處理系統(tǒng)和 ＰＳＡ—Ｈ_２系統(tǒng)的 ＤＮ４００程控閥，其工作狀況對(duì)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小，故只進(jìn)行了消缺處理—更換為重新設(shè)計(jì)制造的閥桿。

2.2.3 程控閥設(shè)計(jì)制造缺陷的優(yōu)化改造

         （１）ＰＳＡ-ＣＯ系統(tǒng) ＤＮ４００程控閥改造內(nèi)容： ① ＤＮ４００程控閥平衡缸閥桿大頭部外徑增加 １０ｍｍ、長(zhǎng)度增加 ２０ｍｍ；② 平衡活塞盤中間凹陷處加工 φ４ｍｍ×１６ｍｍ的通氣孔；③ 閥桿長(zhǎng)度增加后，將閥檢墊高 ２０ｍｍ；④ 將原平衡管拆除，上閥體和下閥體接頭用堵頭封堵。

         （２）ＰＳＡ-Ｈ_２系統(tǒng)和預(yù)處理系統(tǒng) ＤＮ４００程控閥改造內(nèi)容：① ＤＮ４００程控閥平衡缸閥桿平衡盤裝配部位外徑增加 １５ｍｍ，大頭部外徑增加 １０ｍｍ、長(zhǎng)度增加 ２０ｍｍ；② 平衡活塞盤中間孔 孔徑改為 φ８０ｍｍ，凹陷處一側(cè)填滿，另外一側(cè) 由 φ３２０ｍｍ改為 φ１５０ｍｍ，深度由 ５０ｍｍ改為３０ｍｍ；③ 閥桿長(zhǎng)度增加后，需將閥檢墊高 ２０ｍｍ；④ 原平衡管保持不變。

3 運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

         ２０１８年 ３月至今，因 ＰＳＡ系統(tǒng)程控閥故障造成乙二醇裝置停車共 １８次，其中，因電磁閥卡澀致停車１０次，因程控閥現(xiàn)場(chǎng)接線端子松動(dòng)、接線老化引起閥門開關(guān)失靈致停車４次，因程控 閥打開故障造成的停車 ２次，ＤＣＳ機(jī)柜程控閥保 險(xiǎn)失電引起閥門開關(guān)失靈致停車２次；程控閥設(shè) 計(jì)制造方面的缺陷僅限于２０１９年 ９月 ２８日和 １２ 月 １５日的平衡缸閥桿斷裂和ＤＮ４００平衡盤裂紋 這兩個(gè)方面。總結(jié)多年來 ＰＳＡ系統(tǒng)程控閥的運(yùn) 行經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，日常運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)以下 幾個(gè)方面的管控。

         （１）粉塵對(duì)程控閥的危害是致命的，需加強(qiáng)源頭治理。第一，要做好吸附塔在設(shè)計(jì)、制造、裝配等環(huán)節(jié)中的過程監(jiān)管，尤其是吸附塔底部分布器，在吸附劑裝填前不能有缺陷；第二，要加強(qiáng)吸附劑裝填的管控，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝填，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)要暫停裝填，待問題解決后再繼續(xù)裝填，以免日后運(yùn)行中出現(xiàn)因吸附劑下沉、浮動(dòng)空間增大而致吸附劑粉化等問題，后患無窮；第三，要加強(qiáng)工藝管控，系統(tǒng)試壓、氣密試驗(yàn)、吹掃等手動(dòng)操作環(huán)節(jié)要嚴(yán)格避免誤操作引起的竄壓事故；第四，要加強(qiáng)系統(tǒng)生產(chǎn)管控，嚴(yán)禁超負(fù)荷運(yùn)行，據(jù)ＰＳＡ系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，超負(fù)荷運(yùn)行必然要縮短步驟切換時(shí)間，要想達(dá)到均壓平衡必然要開大均壓調(diào)節(jié)閥，氣體流速增加引起的吸附劑粉化必然加劇；第五，要利用停車機(jī)會(huì)檢查吸附塔頂部格柵板狀況，如有傾斜、吸附劑下沉較多的情況，應(yīng)立即予以糾正。

         （２）逆放、抽空等特殊部位的程控閥，盡可能選擇沒有平衡缸的單向閥，如此一來，即使誤操作也打不開，不會(huì)造成嚴(yán)重的后果，且閥桿為一體式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，不易損壞。

         （３）加強(qiáng)儀表氣源管理，嚴(yán)禁不合格的儀 表氣用于 ＰＳＡ系統(tǒng)，否則將對(duì)電磁閥造成不可逆的損傷。

         （４）程控閥之電磁閥、氣控閥、電磁線圈 等儀表元件要有防塵、防日曬雨淋措施。

         （５）嚴(yán)格管控程控閥現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量以及 ＤＣＳ機(jī)柜、現(xiàn)場(chǎng)接線元件及接線的質(zhì)量。

4 節(jié)語

          綜上所述，中新化工 ＰＳＡ系統(tǒng)試生產(chǎn)階段程控閥故障主要是吸附劑泄漏所致，２０１８年第 二次技改后生產(chǎn)中出現(xiàn)的程控閥故障則主要是缺乏維護(hù)保養(yǎng)造成的。通過兩次技改，消除了不少問題，但仍有不少地方亟待完善，尤其是在程控閥的日常運(yùn)行維護(hù)方面，應(yīng)加強(qiáng)粉塵的源頭治理，逆放／抽空等步驟程控閥應(yīng)盡可能選擇沒有平衡缸的單向閥，加強(qiáng)儀表氣源管理，程控閥之儀表元件要有防塵及防日曬雨淋措施，嚴(yán)格管控程控閥現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量，這樣才能提高程控閥運(yùn)行的可靠性，保障 ＰＳＡ系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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