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石化企業承壓設備安全閥失效模式及失效原因

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石化企業承壓設備安全閥失效模式及失效原因
  劉匯源，陳學東，劉揚
  合肥通用機械研究院 
        石化企業承壓設備安全閥失效模式及失效原因 
     1.前言
        安全閥作為承壓設備的超壓保護裝置，在使用中必須滿足準確開啟、穩定排放、及時關閉、密封可靠的要求。安全閥在使用過程中，除安全閥頻跳是由于安全閥進口管路過長、管路存在節流物或安全閥調節圈調整不當引起的外，介質溫度、壓力、物性對安全閥的準確開啟、及時關閉、可靠密封產生影響，造成安全閥使用一段時間后性能達不到要求，安全閥失效。
        從安全閥開啟準確性方面來看，安全閥在使用中，存在著三種可能的失效模式：（1）安全閥由于運動件粘死，或進出腔堵塞無法開啟；（2）安全閥超壓開啟——介質壓力達到安全閥整定壓力而安全閥未開啟，超過整定壓力一定值后才開啟；（3）安全閥提前開啟——安全閥開啟壓力低于整定壓力。
        從安全閥穩定排放方面來看，對于前后配管不合適，或安全閥調節圈調整有誤的安全閥存在著動作時頻跳這種失效模式。
       從安全閥動作后及時關閉性能來看，安全閥存在著彈簧斷裂，不能回座這一失效模式。
       從安全閥可靠密封性能來看，安全閥在使用中存在著泄漏這一失效模式。
       可把上述安全閥在使用中可能的失效模式簡化為6種形式：
        （1）安全閥粘死、堵塞不能開啟；
        （2）安全閥超壓開啟；
        （3）安全閥提前開啟；
        （4）安全閥啟跳后彈簧斷裂無法關閉；
        （5）安全閥泄漏；
        （6）安全閥排放時頻跳不穩定。
    石化企業生產裝置多，介質參數廣（介質壓力從低壓到高壓，溫度從低溫到常溫再到500多度高溫），介質物性差異大（有腐蝕介質、非腐蝕介質；有環境溫度下可自流介質，也有不可自流介質；有環境溫度下易結晶、結焦、含雜質介質，也有潔凈介質）。在上述6種安全閥可能的失效模式中，石化企業承壓設備用安全閥存在哪些失效模式，哪些因素造成了安全閥這些失效模式，需要做大量的現場調查和試驗研究。 
2.現場調查和試驗研究
       石化企業生產裝置從生產流程上來說可歸結為煉油裝置、化工裝置等。典型的煉油裝置有常減壓蒸餾裝置、催化裂化裝置；典型的化工裝置有乙烯裂解裝置、乙二醇裝置、苯乙烯裝置、聚丙烯裝置等，這些裝置介質物性和參數有典型代表性，本文重點對這些裝置用安全閥進行調查和試驗研究。
2.1常減壓蒸餾裝置
       常減壓蒸餾裝置承壓設備主要有電脫鹽罐、初餾塔、常壓塔、減壓塔、儲存容器等。安全閥介質主要有：電脫鹽罐原油、塔頂油氣、氣包蒸汽、儲罐汽油、煤油、分液罐瓦斯等。介質特點：（1）壓力、溫度不高（原油壓力1.72MPa，溫度120℃；油氣0.3MPa，130℃；蒸汽1.88 MPa、187℃）；（2）原油、油氣、瓦斯等有腐蝕。原油中含有氯元素、硫元素，雖然各油田原油氯、硫含量不同，但它們對安全閥內件、閥體，尤其是彈簧（目前用的安全閥的彈簧材料為50CrVA）都有腐蝕，只是隨氯硫含量不同，腐蝕程度不同而已。
       在對天津石化、洛陽石化、安慶石化、九江石化、茂名石化常減壓裝置現場運行情況進行調查后，調查結果表明天津石化、洛陽石化、安慶石化、九江石化煉制低含硫原油的常減壓裝置在兩個運行周期內（2年）未發現安全閥啟跳后不能關閉事故；九江石化常減裝置油氣、原油、汽油安全閥出現過啟跳后安全閥泄漏現象。對于安全閥在使用過程中是否出現進出口堵塞、運動件粘死、開啟壓力降低等現象，現場目視檢查是無法做到的，必須從裝置上拆下來檢查和試驗。為此，重點對茂名石化常減壓蒸餾裝置安全閥在校驗期間進行檢查和試驗。在裝置檢修期間對一蒸餾裝置安全閥校驗時進行檢查，發現9臺重油、渣油安全閥內件腐蝕粘死，腔體被腐蝕產物堵塞，對三蒸餾30臺安全閥中15臺典型介質安全閥進行開啟壓力試驗，結果見表1。

從表1試驗結果來看，此常減壓蒸餾裝置經過一年的在線運行，原油、油氣、煤油、柴油等介質安全閥開啟壓力出現了不同程度的降低，
     由于這些介質中不同程度地含有氯離子和硫化氫，對安全閥彈簧進行了不同程度的腐蝕，使彈簧變軟（巧的是，開啟壓力偏差最大的那臺原油介質安全閥，校驗后重新安裝到裝置上運行，半年后彈簧斷裂，使安全閥開啟無法關閉）。試驗的三臺蒸汽安全閥銹蝕嚴重，二臺根本無法打上壓，一臺開啟壓力降低。 
       雖然常減壓裝置用安全閥在使用中開啟壓力普遍降低，但由于介質操作壓力遠低于安全閥整定壓力（以茂名石化四蒸餾裝置為例，介質操作壓力同安全閥整定壓力比較，最小偏差也達到-12.8%，最大達到-67%），所以安全閥在運行中并未提前開啟。

從現場運行調查、校驗時檢查及開啟壓力試驗結果來看，腐蝕和銹蝕是常減壓蒸餾裝置安全閥失效的主要原因，安全閥的失效模式主要表現為：
   （1）安全閥腐蝕粘死，腐蝕產物堵塞不能開啟；
   （2）安全閥開啟壓力降低（腐蝕使彈簧變軟）；
   （3）安全閥啟跳后無法關閉（彈簧腐蝕斷裂）。
2.2催化裂化裝置
       從常減壓裝置過來的原料油中含有硫化物，硫化物在裂化反應溫度下分解成H2S，原料油中的元素硫在這種條件下也能與烴類反應生成H2S，因此在催化裂化反應器中裂化出的油氣中含有一定量的H2S，油氣中H2S的含量隨常減壓裝置原油中硫含量的提高而提高。由于裂化油氣中含有H2S，致使后續分餾系統中富氣、吸收穩定系統中的貧氣、解吸氣、液化石油氣、干氣、烴類等介質中含有不同量的H2S，用于這些介質的安全閥，在一定條件下（介質溫度低，有水存在）有較嚴重腐蝕。通過調查，洛陽石化催化裂化裝置自采用高硫原油煉制的原料油后，分餾塔安全閥（油汽：116℃，0.25MPa）、吸收穩定系統的吸收塔安全閥（貧氣：42℃，1.5MPa）、穩定塔安全閥（液化氣：58℃，1.1MPa）以及液態烴罐安全閥在線相繼發生彈簧斷裂安全閥啟跳后無法關閉事故；安慶石化催化裂化裝置油氣安全閥內漏，彈簧腐蝕；福建煉油廠吸收穩定系統解吸塔安全閥多次發生彈簧斷裂事故。為詳細了解催化裂化裝置安全閥的使用情況，對茂名石化三催化裝置75臺安全閥在線運行一年后在校驗期間進行了檢查，并對22臺安全閥進行開啟壓力試驗和密封性試驗。75臺安全閥有27臺蒸汽安全閥（17臺低壓蒸汽安全閥，8臺PK4.47MPa，280℃中壓安全閥，2臺PK4.2，420℃過熱蒸汽安全閥），2臺省煤器除氧水安全閥（PK6.38MPa、220℃；PK6.16、250℃），其余為油氣、貧氣、液化石油氣、烴類安全閥（這些安全閥使用壓力、溫度不高，最大壓力PK1.78MPa，最高溫度110℃）。27臺蒸汽安全閥普通存在內件銹蝕現象，對一臺PK1.25蒸汽安全閥開啟壓力進行試驗，開啟壓力降低了4%。試驗的22臺安全閥中開啟壓力降低超過3%的有3臺，因泄漏無法測定開啟壓力的有7臺。解吸塔安全閥、穩定塔安全閥內件腐蝕較嚴重，解吸塔安全閥校驗時彈簧斷裂，穩定塔安全閥校驗后在裝備上繼續運行半年后，彈簧也發生了斷裂。75臺安全閥內件（不包括彈簧）腐蝕檢查情況見表2。
       從現場運行調查、校驗時檢查及開啟壓力試驗結果來看，腐蝕和銹蝕是催化裂化裝置安全閥失效的主要原因，安全閥的失效模式主要表現為：
  （1）安全閥泄漏（腐蝕損壞密封面）
  （2）安全閥啟跳后無法關閉（彈簧腐蝕斷裂，尤其是吸收穩定系統安全閥）。
2.3乙烯裂解裝置
       乙烯裂解裝置安全閥主要介質有裂解氣、高溫高壓蒸汽、中低壓蒸汽、烴及烴氣、NH3、HS、硫醇等。乙烯裂解裝置主要以輕質油（如柴油）為原料，根據輕質原料油硫含量的不同，堿洗工段前的酸性裂解氣對安全閥內件的腐蝕程度也不同。從對燕山石化、揚子石化、茂名石化裂解裝置安全閥的調查情況來看，燕山石化裂解氣安全閥內件腐蝕較重，揚子石化裂解氣安全閥內件腐蝕較輕；安裝在廢熱鍋爐上的20多臺高溫高壓蒸汽安全閥（壓力13MPa、溫度350℃）密封面沖蝕嚴重，閥門嚴重泄漏。乙烯裂解裝置200多臺安全閥除硫醇介質粘度較高外，其它介質皆為氣體和環境溫度下可自流的中低粘度液體，對燕山石化、揚子石化400百多臺乙烯裂解裝置用安全閥在校驗時進行檢查，未發現安全閥有進出口堵塞現象。
為研究介質溫度、壓力對安全閥開啟壓力的影響，對揚子乙烯裂解裝置240臺安全閥在校驗時進行了開啟壓力試驗，試驗結果見表3。 
      溫度不超過100℃的157臺安全閥中有16臺開啟壓力偏差超過-3%，表明彈簧變軟了，其原因是彈簧被腐蝕。
      溫度范圍100~200℃，有 44臺安全閥，介質為烴及烴氣的20臺（壓力0.2~4.02MPa），低壓蒸汽24臺。44臺安全閥中有3臺蒸汽安全閥開啟壓力降低，彈簧因銹蝕明顯變軟(0.9MPa:-11%；0.58Mpa:-10.3%；0.58:-13.8%），其它安全閥開啟壓力正常。
     溫度范圍200~250℃，有6臺安全閥，介質為中壓蒸汽安全閥，其中一臺彈簧變軟，開啟壓力偏差為-13.5%。
     溫度范圍250~300℃，有7臺安全閥，介質為烴氣，一臺安全閥（開啟壓力為2.54MPa）開啟壓力偏差為-9.4%，彈簧變軟。
     溫度超過300℃安全閥共有26臺，其中24臺為高溫高壓蒸汽安全閥（t≥330℃,壓力大于13.0MPa）密封面沖蝕，2臺為HS介質安全閥，其中1臺HS安全閥內件因腐蝕造成開啟壓力升高16.7%。
    乙烯裂解裝置240臺安全閥中有8臺開啟壓力超過5%。
      從試驗數據來看，乙烯裂解裝置安全閥除蒸汽安全閥和腐蝕介質安全閥外，在現有溫度壓力范圍內，在溫度不超過250℃范圍內現用安全閥開啟壓力是穩定的。
  從現場調查和校驗時開啟壓力試驗結果來看，乙烯裂解裝置安全閥失效模式為：
（1）安全閥嚴重泄漏（高溫高壓蒸汽）；
（2） 安全閥開啟壓力降低（彈簧腐蝕變軟） ； 
（3）安全閥開啟壓力升高（腐蝕粘住）。

2.4苯乙烯裝置     苯乙烯裝置介質主要有苯、多已苯、苯乙烷 、蒸汽、凝液、尾氣、氮氣、油等。介質溫度超過100℃的安全閥比例大（占總數的70%），介質壓力不高（低壓安全閥占總數的85%）。從對燕山石化、茂名石化苯乙烯裝置安全閥在線運行調查情況來看，在兩年的運行周期內，近100臺安全閥運行良好，未發生失效事故。為全面考察苯乙烯裝置安全閥在使用兩年后的狀況，對燕山石化苯乙烯裝置94臺安全閥在校驗時進行開啟壓力試驗，試驗結果見表4。
       苯乙烯裝置溫度不超過100℃的28臺安全閥中有5臺因彈簧銹蝕變軟開啟壓力偏差超過-3%。
苯乙烯裝置溫度范圍100~200℃ 50臺安全閥中，尾氣介質有3臺（PK0.56、PK1.47、PK3.52，溫度139℃），其中PK0.56、PK1.47兩臺彈簧變軟，開啟壓力降低，而PK3.52Mpa安全閥開啟壓力正常，彈簧未變軟，說明兩臺安全閥彈簧變軟不是溫度因素造成的。在5臺凝液安全閥中有3臺安全閥介質溫度為181℃，整定壓力為0.93MPa，其中兩臺安全閥開啟壓力穩定，一臺安全閥有-12.9%的偏差，而另有一臺凝液安全閥整定壓力為0.75MPa，溫度只有157℃，但開啟壓力偏差卻為-10%，可見凝液安全閥在181℃溫度下出現彈簧變軟也非溫度因素，而是彈簧銹蝕造成的。蒸汽安全閥為開式結構，彈簧受溫低于100℃，彈簧變軟不應是溫度影響，也主要是彈簧銹蝕造成的。
      
      溫度范圍200~250℃安全閥，210℃苯介質安全閥，整定壓力為5.7MPa，開啟壓力偏差-15%；240℃苯介質安全閥，整定壓力為5.7MPa，開啟壓力偏差-8%；5臺250℃苯介質安全閥，開啟壓力為4.4MPa，3臺開啟壓力偏差超過-3%，彈簧變軟，228℃多乙苯安全閥整定壓力為0.2MPa，開啟壓力出現-15%的偏差。
      在此溫度壓力范圍內12臺安全閥中有6臺開啟壓力出現了負偏差，彈簧變軟。對于4臺溫度超過250℃安全閥，雖然整定壓力最大為1.8MPa，但開啟壓力全部出現負偏差，最大達到了-21.9%。
      從燕山石化苯乙烯裝置安全閥使用兩年后開啟壓力試驗結果來看，苯乙烯裝置安全閥失效模式為：高溫介質以及彈簧銹蝕使彈簧變軟，造成安全閥開啟壓力的降低。
2.5乙二醇裝置
      乙二醇裝置安全閥介質主要有循環水、蒸汽、環氧乙烷氣體（EO）、EO水溶液、乙二醇（EG）、冷凝水、CO2、F22等。以揚子石化乙二醇裝置安全閥為例，介質溫度壓力分布見表5。乙二醇裝置安全閥總計128臺，常溫安全閥83臺，占70%；100~200℃溫度范圍安全閥21臺（CO2  1臺、冷凝水2臺、乙二醇4臺，蒸汽14臺）；200~250℃溫度范圍安全閥11臺（蒸汽8臺、HS 3臺）；大于250℃安全閥6臺（Pk6.54中壓蒸汽4臺、EO 2臺）。對燕山石化、揚子石化、茂名石化乙二醇裝置安全閥在線運行情況進行調查，在兩年的運行周期內，安全閥運行良好，未發現在線失效現象。但對燕山石化乙二醇裝置安全閥大修期間進行檢查，發現循環水安全閥腔體有黑色腐蝕產物。為詳細考察乙二醇裝置安全閥在使用兩年后的狀況，對揚子石化乙二醇裝置128臺安全閥在校驗時進行開啟壓力試驗，試驗結果見表5。
 試驗結果表明，128臺安全閥中有15臺開啟壓力超過5%，其中10臺為循環水介質、1臺為冷凝水介質、3臺為有循環水的EO介質，還有1臺安全閥介質為F22。這些安全閥開啟壓力升高，主要是安全閥運動件間腐蝕殘留物粘附作用造成的。
 在乙二醇裝置128臺安全閥中有5臺開啟壓力降低，5臺開啟壓力降低的安全閥中4臺介質為蒸汽，1臺為HS。
100~200℃溫度范圍蒸汽安全閥（PK0.65）開啟壓力偏差超差（-21.4%），PK0.93蒸汽安全閥開啟壓力偏差-4.3%，PK1.25蒸汽安全閥開啟壓力偏差-4.4%；200~250℃溫度范圍只有一臺HS安全閥開啟壓力偏差超差 （-14.3%）；超過250℃安全閥只有一臺PK6.54蒸汽安全閥開啟壓力偏差超差（-5.2%）。腐蝕和銹蝕是這5臺安全閥開啟壓力降低的主要原因。
     從燕山石化乙二醇裝置安全閥檢查情況，以及揚子石化乙二醇裝置安全閥使用兩年后開啟壓力試驗結果來看，乙二醇裝置安全閥失效模式主要表現為：
循環水介質安全閥開啟壓力升高；
蒸汽介質安全閥開啟壓力降低。
2.6聚丙稀裝置
       聚丙烯裝置安全閥介質有氣相丙烯、液相丙烯、聚丙稀漿液、N2、N2+CO、 烴氣、水蒸汽+20%乙二醇、油、導熱油、水、儀表風、空氣、蒸汽等。聚丙烯裝置安全閥除蒸汽介質外，介質潔凈，對安全閥無腐蝕。聚丙烯裝置介質除幾臺導熱油安全閥（250℃，但開啟壓力低 Pk0.1Mpa）和幾臺低壓蒸汽安全閥外，其它 130多臺安全閥操作溫度低（小于80℃）。從對天津石化、燕山石化、揚子石化、齊魯石化、茂名石化聚丙稀裝置在線運行情況、校驗時檢查情況、以及對燕山石化聚丙稀裝置安全閥校驗時開啟壓力的試驗結果來看，除聚丙稀漿液安全閥聚丙稀漿液固化結塊堵塞閥進口，以及7臺水介質安全閥開啟壓力升高外，其它介質安全閥開啟壓力穩定。
      從調查情況來看，聚丙烯裝置安全閥失效模式主要表現為：
         漿液介質安全閥進出口堵塞；
         水介質安全閥開啟壓力升高。
    為更清晰的表示調查情況和試驗結果，現把結果匯總為表6，圖一表示現用安全閥失效率。 
3.結論
      綜合以上石化企業各裝置安全閥在線運行調查情況，以及對典型裝置典型介質安全閥校驗時的檢查情況和開啟壓力試驗情況，可以得出如下結論：
     1. 石化企業承壓設備在用安全閥失效模式主要表現為：
        (1) 安全閥內件粘死而無法開啟（如催化裂化裝置酸性氣、蒸汽安全閥）；
        (2) 安全閥腔體堵塞而無法開啟（如渣油安全閥、聚丙稀漿液安全閥）； 
        (3) 安全閥開啟壓力升高（如蒸汽安全閥）；
        (4) 安全閥彈簧斷裂啟跳后無法關閉（如催裂化吸收穩定系統安全閥）；
        (5) 安全閥開啟降低；
        (6) 安全閥泄漏；
    2．安全閥失效主要原因：
        (1) 腐蝕或銹蝕造成安全閥內件粘死，閥門不能開啟
        (2) 安全閥進出口腔被腐蝕殘物、固化物（如焦化物、硫等）、聚合物（聚丙 稀、聚乙烯等）等堵塞，無法開啟；
        (3) 腐蝕或銹蝕造成安全閥內件粘住，安全閥開啟壓力升高；
        (4) 腐蝕使安全閥彈簧斷裂，安全閥啟跳后無法關閉；
        (5) 開啟降低原因——彈簧變軟
      彈簧變軟的原因有兩個：
             a. 彈簧表面被腐蝕，橫截面不能提供足夠關閉力；
             b. 彈簧高溫環境下工作。
       (6) 安全閥密封面被高溫高壓介質沖蝕，或被腐蝕介質腐蝕，或因頻繁啟跳受沖擊而損壞，造成閥門泄漏。

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