摘 要：进口气动球阀程控球阀是SZorb装置的重要仪表设备，进口电动球阀通过闭锁料斗程序控制相关球阀的开关，实现待生再生吸附剂的循环。由于使用工况苛刻，装置运行一段时间后程控球阀出现内漏，阀座、阀球磨损现象。根据阀门结构特点，经过与供货商交流对阀门结构设计细节提出了改进建议（调整密封预紧力、缩小阀腔等），同时结合工艺操作调整某些阀门动作时序，增加了某些程控球阀反吹步序和阀门使用情况的在线诊断分析、预知维修功能。

关键字：浮动球阀 密封 SZorb

随着全球环保意识的日益增强，各国对车用燃料中的硫含量等指标提出了越来越严格的要求。欧盟EN228规范要求2005年汽油中的硫含量降到50μg/g（50ppm）以下，即欧－Ⅳ标准。北京市质量技术监督局于2004年发布车用汽油地方标准DB11/238（即京标Ⅳ，与欧－Ⅳ相当）。为满足京标Ⅳ的要求，2005年燕山石化公司引进美国康菲公司SZorb工艺技术，开始建设120万t/aSZorb催化汽油吸附脱硫装置，并于2007年6月一次开车成功。2007年底开始向北京供应符合京标Ⅳ标准的车用汽油，为实现2008年北京绿色奥运的承诺作出了重要贡献。目前中国石化集团己整体收购该技术.并经过不断优化与完善该工艺陆续在国内建成了20多套S Zorb装置。目前该工艺装置已成为国内国Ⅳ及国Ⅴ汽油的主要生产装置，产生了良好的社会效益。

闭锁料斗程控阀采用气动两位式球阀。程控球阀接受闭锁料斗程控指令动作，开关频率较高且在高温、高压条件下同时承受吸附剂的直接磨蚀。在完成待生吸附剂与再生吸附剂在反应器与再生器间的循环的同时，又要保证反应器侧H2/HC环境与再生器侧O2环境的严格隔离。因此，程控球阀必须具有完善的结构设计、合理的材料选择、良好的制造工艺和装配、先进的表面处理技术和适宜的执行机构，以确保其安全、快速、准确地完成顺控指令同时又能够长周期运行。SZorb工艺属于新兴工艺，燕山石化首套120万t/aSZorb催化汽油吸附脱硫装置自投产以来，部分关键位置程控阀由于受到吸附剂的冲刷磨损，严重地影响了其长周期运行。为此对现有工艺流程及阀门等进行了分析研究，提出改进措施，实施后很大程度上延长了阀门的使用寿命。

1 SZorb闭锁料斗系统分析

1.1 工艺流程简介

来自催化裂化装置的原料汽油与适量的氢气混合后进行加热，汽化后的汽油进入装有吸附剂的流化床反应器内，脱除原料汽油中的硫，在反应器顶部经过过滤器除去气相产物中的悬浮吸附剂后再经过冷却分离，送后续稳定系统处理后作为清洁汽油产品出装置。

吸附剂的循环路径是：反应器→反应器接收器（待生剂）→闭锁料斗→再生器进料罐→再生器→再生接收器（再生剂）→闭锁料斗→还原器→反应器。闭锁料斗是吸附剂循环系统的重要设备。在闭锁料斗程序控制下，通过相关球阀的开关及其他相关控制，实现吸附剂在反应器侧高压H2/HC环境与再生器侧低压O2环境间的交互输送循环，从而维持反应器内吸附剂的活性，保证脱硫反应的连续进行。由于在吸附剂传输过程中闭锁料斗存在氢－氮－氧交替出现的工况，通过顺控程序控制特定位置的球阀在特定步序时的开关，来完成设定步序的进卸剂、吹扫、加减压过程，以便在正常的操作中维持一个安全稳定的环境。程控阀按指令顺畅动作与可靠密封是吸附剂循环正常进行的重要保证，也是装置安全连续运行的重保证。

程控球阀的步序如表1。

表1 程控球阀步序

表1中的工艺步骤是通过程控阀频繁、稳定和依次地启闭切换，进而保证了工艺的顺利运行及产品的连续稳定输出。

其中能直接接触到吸附剂的程控阀如表2。

表2 直接接触吸附剂的程控球阀

其中能间接接触到吸附剂的程控阀如表3。

表3 间接接触吸附剂的程控球阀

1.2 闭锁料斗程控阀使用工况

1.2.1 阀门所通过的介质

SZorb采用了特殊的吸附剂。新鲜吸附剂外观为灰绿色粉末。吸附剂载体为氧化锌、硅石和氧化铝混合物，含有镍、铜等成份。吸附剂直径约65μm，密度为1.001g/cm³。待生吸附剂中还含有水、SO₂等成份。

1.2.2 开关频率

阀门开关频率大约为3次/h。

1.2.3 阀门使用要求

为了保证吸附剂再生的流畅性，在生产过程中，就要求周期性地切换阀门，由于阀门数量很多（32台），动作频繁，若依靠人工操作是无法进行的。对于SZorb闭锁料斗工艺的这种特殊性，若需保障装置长周期稳定可靠运行，则必须对程控阀性能提出如下特殊要求：

1）密封性能好，可经常进行周期频繁动作且保持不泄漏（要求泄漏等级ANSI　ClASS VI）。

2）要求快速动作，从“全通→全关”或“全关→全通”的动作时间分别为大阀（DN80）应在7～8s，小阀（DN25）应在4～5s，并确保阀门动作到位。

3）具备双向耐压性和抗高速气流冲刷性能。

4）根据工艺要求，应实现阀位状态现场指示及远传功能，需要在程控阀上安装阀位回讯器。

5）闭锁料斗工作温度大于220℃，需要阀门采用硬密封。

6）阀门开关频繁，阀座和球体表面最容易受到冲刷和磨蚀。根据用户单位使用经验，球体和阀座密封表面硬度达到HRC63～65，同时还应保证硬化层应有一定的厚度（0.38mm）且不能脱落。可以在阀球、阀座上超音速喷涂碳化铬。

1.2.4 阀门结构

根据上述要求，起初全部采用美国MOGAS浮动球阀。图1所示的MOGAS球阀由阀体、阀球、阀杆、阀座、锁定阀座、蝶形弹簧等组成。它主要是采用金属硬密封，密封特点是蝶簧提供预紧力的单向密封，无论温度和压力如何变化，蝶簧始终给阀座一个推力，使其紧紧地靠在阀球上，从而保证阀座泄漏等级满足要求。采用此阀的优点是使用温度范围广，各种金属的热膨胀系数相差不大，有利于减小金属热涨对密封性的影响；具有很好的耐磨性。

图1 单向硬密封高温浮动球阀

1—阀球；2—入口阀座；3—锁定阀座；4—阀体；

5—阀体垫片；6—阀座弹簧；7—阀杆；8—压盖法兰；

9—填料；10—防护压环；11—阀杆导向环；12—阀杆内密封件

由图1可见，阀座弹簧（下文简称碟簧）所在的一侧为PE端（Pressure　End），为阀门关闭时受静压最高的一侧。关闭时PE端因为静压高，压力推动“阀座弹簧”，“阀座弹簧”再推动“入口阀座”，“入口阀座”再向低压侧推动“阀球”，“阀球”压紧“锁定阀座”。通过这一过程实现阀球和阀座间的硬密封。其中碟簧起到单向密封的关键作用。

1.3 程控球阀故障现象

S Zorb装置运行半年后，程控球阀开始陆续出现故障。有时候一周之内要下线修理7～8个程控阀，同一个阀门1个月多次下线修理。故障现象主要表现在：

1）阀门内漏；

2）阀门动作时间都在15s左右，超过规定时间；

3）阀门在线运行时间仅为2个月。

事实证明表2和表3的程控阀是内漏最频繁、日常维护量最大的程控球阀。通过下线修理，发现造成内漏的原因基本上都是因为阀座、阀球磨损严重，见图2和图3。

图2 阀球的磨损

图3 阀座局部脱落

2 阀内件磨损现象分析

为了保证阀门的密封性能，启闭动作顺畅及长寿命使用，应对阀门的密封比压和运行流程进行计算或校核。

2.1 密封机理分析

浮动球阀在预紧力和流体压力的作用下，蝶簧把阀球推入下游的锁定阀座，从而使球体与阀座紧密贴合。浮动球阀的密封效果取决于蝶簧在流体压力和预紧力的作用下，能够补偿球体不圆度和微观不平度的程度。因此，蝶簧与阀座之间必须要有足够大的密封比压qe，且必需保证：

    （1）

式中：q_e———保证阀门密封的必须比压，MPa；

q———阀门工作时的实际比压，MPa；

q′———阀座材料的允许比压，MPa。

合理选择q，是设计中一个至关重要的问题。此值对摩擦损伤或使用寿命产生极大的影响。当然摩擦副的材料、配对及吻合程度等对使用寿命也有很大影响，但在相同条件下，比压对寿命是1个直接的影响因素。摩擦磨损机理中的“分子－机械”论认为：在单位压力作用下，密封副局部将产生高的接触应力，随着单位压力的升高，接触表面处于弹性、塑性变形的混合状态，且表面有互相啮合，在相对滑动时，则产生擦伤破坏。

由此可见，在一定的密封面宽度范围内，力求降低比压值，是提高球阀使用寿命的一种可行途径。根据力平衡关系，得出：

    （2）

N为球体对阀座密封面的法向力，N。

    （3）

式中：S———阀座与球体接触的球形环带面积，mm²，S＝2πR（L₁－L₂）；

Q———作用与阀座密封面上的沿流体流动方向上的合力（简称密封力）。它包括流体压力在阀座上引起的作用力、阀座预紧力和阀座滑动摩擦力，N；

Φ———密封面法向与流道中心线的夹角，

L₁、L₂———球体中心线至两端面的距离，mm；

D₁———阀座内径，mm；

D₂———阀座外径，mm；

R———球体半径，mm。

将上述关系带入公式（2），并整理得：

    （4）

由于介质的渗透和毛细管等物理现象，介质将进入到密封面之间，但不会从密封面外缘泄漏，在设计计算中取密封面的平均直径Dm作为介质中止的界限，在不考虑蝶簧预紧力的情况下，将公式（4）改写为：

    （5）

式中：p———介质工作压力，MPa。

以闭锁料斗（D－106）循环气置换阀XV－21为例，公称压力为11MPa，密封环内外半径分别为D₁＝20mm，D₂＝23.7mm，密封面Z轴中心距分别为L₁＝23mm，L₂＝26.2mm。在本例中，根据

     （6）

得必需比压q_e＝23.7MPa，而q′＝80MPa（密封材料为碳化铬，密封面有滑动）。由公式（5）得出q＝32.5MPa，满足密封材料为碳化铬时的密封比压。

但实际过程中q不仅由公称压力决定，而且还受蝶簧的工作状态的影响。一般情况工艺压力变化是有规律的，不会发生太大变化，所以安装阀门时一定要注意程控球阀的PE端，就不会造成“密封”失效。

虽然蝶簧与阀座、阀座与阀球紧密接触，但由于毛细现象而有吸附剂进入到其间。日积月累吸附剂将会充斥碟簧与阀座间的空隙，造成碟簧失去弹性空间则无法压缩阀座，密封比压下降导致阀门内漏。

2.2 工艺流程分析

从现有程控阀步序可以发现，所有直接或间接接触吸附剂的程控阀在关闭前都未被吹扫干净就直接关闭了。以表1中第6.2步“反应接收器向闭锁料斗卸剂”为例，见图4。

由图4可见，当“6.2卸剂计时器”达到规定时间后或闭锁料斗料位高高时，XV－8首先关闭。然后延迟10s，再先后关闭XV－9、XV－10。延迟10s的目的是利用管线内的高压，将粘附在管线或阀上的吸附剂吹扫到闭锁料斗达到清洁管线和阀的作用。但是利用静压达到清洁吹扫目的的效果并不理想。通过下线拆检经常发生内漏的XV－9，XV－10后，发现混合杂物的吸附剂极易积沉并粘附在关闭件表面，微小的吸附剂甚至会侵入阀座组件的内部，造成阀座活动失效，使阀门泄漏甚至无法使用。

图4 闭锁料斗流程

3 阀座阀球磨损的改进

3.1 球阀结构上的改进

1）为了避免毛细管现象，在碟簧与入口阀座结合处的通道上增加石墨填料式“防尘罩”（如图5所示），更有效地防止吸附剂进入碟簧腔体，从而确保了碟簧长期有效工作。

图5 防尘罩

2）为了有效防止阀球和阀座间吸附剂的积沉和粘附，避免吸附剂随阀球转动进入到阀门腔体内造成阀球、阀座、阀体磨损，阀座密封面两侧采用刮刀式结构设计（如图6所示），使球体及阀座在开关过程具有自清洁功能，确保阀门动作顺畅连续，不卡阻。

图6 刮刀阀座

3）为了保证实际运行时（有介质压力）阀座与阀球之间有一个足够的接触力，从而保证阀座的泄漏等级达到ANSI/FCI　ClassⅥ，将预紧力源件由“单个碟簧”改成“组合碟簧”（如图7所示）。这样，在生产正常运行过程中，即便个别碟簧失去弹性，其他正常碟簧仍能为正常工作提供所需要的预紧力。

图7 蝶簧局部

3.2 球阀步序上的改进

除了改进现有阀门结构外，对闭锁料斗系统程控阀步序也提出了整改方案，决定给那些直接或间接接触吸附剂的程控阀增加反吹步序。

以再生器R102到闭锁料斗D106进料线为例：工艺管线尺寸DN80，操作压力1.6MPa，操作温度427℃。按照进料的顺序，管线上安装了XV－08、XV－09、XV－10三台阀门。在第一道程控阀XV－08前加装1台滑阀。在XV－08和滑阀之间增加N2吹扫管道（DN50mm，操作压力1.8MPa），并在其上增加1台程控阀控制N₂流量。当闭锁料斗控制系统LMCS接收到停止卸料的指令后，先关闭滑阀，再打开N2程控阀。滑阀主要起着切断吸附剂的作用，不要求过高的泄漏等级。N2将吹扫残存在程控阀上和管道内的吸附剂，并阻断吸附剂从再生器R102向闭锁料斗D106泄漏。吹扫结束后再关闭XV－08、XV－09、XV－10。

在综合考虑反吹效果及反吹安全性的情况下，结合工况特点，采取不同的吹扫气体，如表4。

表4 吹扫气体明细

反吹系统直接参与了闭锁料斗系统的程序控制，所以还要修改闭锁料斗程序和DCS画面显示。程序里增加反吹计时器，操作人员可以根据工况在DCS画面上修改吹扫时间。

另外在原有“阀门运行报警”系统上增加阀门诊断功能。具体功能如下：

1）记录阀门开启和关闭时间

实时采集程控阀的控制信号和开启、关闭回讯信号，分别通过比较控制和回讯信号之间的差值，记录阀门的开启和关闭时间。

2）设置阀门动作时间报警，并记录到闭锁料斗控制系统SOE内。

3）记录阀门动作时间，形成历史趋势（采样周期为0.5s）。参照坐标图原理，以坐标图的形式显示各阀门历史动作时间值及开关次数。如图8所示。

图8 阀门动作坐标

正常时各个阀门动作值坐标应该集中散布在“正常运行区”内。散布的区域小就说明阀门工作稳定性好；反之应引起重视。通过该功能仪表工程师可以调用任意时间段的阀门动作坐标图，再结合工艺情况，便于分析程控阀的运行状况，更好的做到阀门的预知维修工作，从而保证了生产装置的正常平稳运行。

4 结语

从阀门结构、工艺流程、自动控制等方面出发，经过改进浮动球阀结构，增加程控阀反吹步序，增加阀门使用情况在线诊断分析及预处理功能，闭锁料斗程控阀的动作时间达到了规定时间，阀球、阀座磨损现象得到改善。，从而有效地保证了S　Zorb长周期稳定运行。

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