石化企業(yè)承壓設備安全閥失效模式及失效原因

1、石化企業(yè)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(yè)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(wěn)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(jié)流物或安全閥調(diào)節(jié)圈調(diào)整不當引起的外，介質(zhì)溫度、壓力、物性對安全閥的準確開啟、及時關閉、可靠密封產(chǎn)生影響，造成安全閥使用

2、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(zhì)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(wěn)定排放方面來看，對于前后配管不合適，或安全閥調(diào)節(jié)圈調(diào)整有誤的安全閥存在著動作時頻跳這種失效

3、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；

4、 （5）安全閥泄漏； （6）安全閥排放時頻跳不穩(wěn)定。 石化企業(yè)生產(chǎn)裝置多，介質(zhì)參數(shù)廣（介質(zhì)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(zhì)物性差異大（有腐蝕介質(zhì)、非腐蝕介質(zhì)；有環(huán)境溫度下可自流介質(zhì)，也有不可自流介質(zhì)；有環(huán)境溫度下易結(jié)晶、結(jié)焦、含雜質(zhì)介質(zhì)，也有潔凈介質(zhì)）。在上述6種安全閥可能的失效模式中，石化企業(yè)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(xiàn)場調(diào)

5、查和試驗研究。,2.現(xiàn)場調(diào)查和試驗研究 石化企業(yè)生產(chǎn)裝置從生產(chǎn)流程上來說可歸結(jié)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(zhì)物性和參數(shù)有典型代表性，本文重點對這些裝置用安全閥進行調(diào)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(zhì)主要有

6、：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(zhì)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(nèi)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

7、、洛陽石化、安慶石化、九江石化、茂名石化常減壓裝置現(xiàn)場運行情況進行調(diào)查后，調(diào)查結(jié)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(nèi)（2年）未發(fā)現(xiàn)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(xiàn)過啟跳后安全閥泄漏現(xiàn)象。對于安全閥在使用過程中是否出現(xiàn)進出口堵塞、運動件粘死、開啟壓力降低等現(xiàn)象，現(xiàn)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

8、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(fā)現(xiàn)9臺重油、渣油安全閥內(nèi)件腐蝕粘死，腔體被腐蝕產(chǎn)物堵塞，對三蒸餾30臺安全閥中15臺典型介質(zhì)安全閥進行開啟壓力試驗，結(jié)果見表1。,從表1試驗結(jié)果來看，此常減壓蒸餾裝置經(jīng)過一年的在線運行，原油、油氣、煤油、柴油等介質(zhì)安全閥開啟壓力出現(xiàn)了不同程度的降低， 由于這些介質(zhì)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

9、啟壓力偏差最大的那臺原油介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)場運行調(diào)查、校驗

10、時檢查及開啟壓力試驗結(jié)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(xiàn)為： （1）安全閥腐蝕粘死，腐蝕產(chǎn)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

11、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(xù)分餾系統(tǒng)中富氣、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)中的貧氣、解吸氣、液化石油氣、干氣、烴類等介質(zhì)中含有不同量的H2S，用于這些介質(zhì)的安全閥，在一定條件下（介質(zhì)溫度低，有水存在）有較嚴重腐蝕。通過調(diào)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(wěn)定系統(tǒng)的吸收塔安全閥（貧

12、氣：42℃，1.5MPa）、穩(wěn)定塔安全閥（液化氣：58℃，1.1MPa）以及液態(tài)烴罐安全閥在線相繼發(fā)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(nèi)漏，彈簧腐蝕；福建煉油廠吸收穩(wěn)定系統(tǒng)解吸塔安全閥多次發(fā)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

13、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(nèi)件銹蝕現(xiàn)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

14、3臺，因泄漏無法測定開啟壓力的有7臺。解吸塔安全閥、穩(wěn)定塔安全閥內(nèi)件腐蝕較嚴重，解吸塔安全閥校驗時彈簧斷裂，穩(wěn)定塔安全閥校驗后在裝備上繼續(xù)運行半年后，彈簧也發(fā)生了斷裂。75臺安全閥內(nèi)件（不包括彈簧）腐蝕檢查情況見表2。,從現(xiàn)場運行調(diào)查、校驗時檢查及開啟壓力試驗結(jié)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(xiàn)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

15、收穩(wěn)定系統(tǒng)安全閥）。,2.3乙烯裂解裝置 乙烯裂解裝置安全閥主要介質(zhì)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(zhì)油（如柴油）為原料，根據(jù)輕質(zhì)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(nèi)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(diào)查情況來看，燕山石化裂解氣安全閥內(nèi)件腐蝕較重，揚子石化裂解氣安全閥內(nèi)件腐蝕較輕；安裝在廢熱鍋爐上的20多臺高溫高壓蒸汽

16、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(zhì)粘度較高外，其它介質(zhì)皆為氣體和環(huán)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(fā)現(xiàn)安全閥有進出口堵塞現(xiàn)象。為研究介質(zhì)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(jié)果見表3。,溫度不超過100℃的157臺安全閥中有16臺開啟

17、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(zhì)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(zhì)為中壓蒸汽安全閥，其中一臺彈簧變

18、軟，開啟壓力偏差為-13.5%。 溫度范圍250~300℃，有7臺安全閥，介質(zhì)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(zhì)安全閥，其中1臺HS安全閥內(nèi)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%。,

19、從試驗數(shù)據(jù)來看，乙烯裂解裝置安全閥除蒸汽安全閥和腐蝕介質(zhì)安全閥外，在現(xiàn)有溫度壓力范圍內(nèi)，在溫度不超過250℃范圍內(nèi)現(xiàn)用安全閥開啟壓力是穩(wěn)定的。 從現(xiàn)場調(diào)查和校驗時開啟壓力試驗結(jié)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?。?2.4苯乙烯裝置 苯乙烯裝置介質(zhì)主要有苯、多已苯、苯乙烷 、蒸汽、凝液、尾氣、氮

20、氣、油等。介質(zhì)溫度超過100℃的安全閥比例大（占總數(shù)的70%），介質(zhì)壓力不高（低壓安全閥占總數(shù)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(diào)查情況來看，在兩年的運行周期內(nèi)，近100臺安全閥運行良好，未發(fā)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(jié)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%。

21、苯乙烯裝置溫度范圍100~200℃ 50臺安全閥中，尾氣介質(zhì)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(zhì)溫度為181℃，整定壓力為0.93MPa，其中兩臺安全閥開啟壓力穩(wěn)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

22、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(xiàn)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(jié)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(zhì)安全閥，整定壓力為5.7MPa，開啟壓力偏差-15%；240℃苯介質(zhì)安全閥，整定壓力為5.7MPa，開啟壓力偏差-8%；5臺250℃苯介質(zhì)安全閥，開啟壓力為4

23、.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(xiàn)-15%的偏差。 在此溫度壓力范圍內(nèi)12臺安全閥中有6臺開啟壓力出現(xiàn)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(xiàn)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(jié)果來看，苯乙烯裝置安全閥失效模式為：高溫介質(zhì)以及彈簧銹蝕

24、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(zhì)主要有循環(huán)水、蒸汽、環(huán)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(zhì)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、

25、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(diào)查，在兩年的運行周期內(nèi)，安全閥運行良好，未發(fā)現(xiàn)在線失效現(xiàn)象。但對燕山石化乙二醇裝置安全閥大修期間進行檢查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水安全閥腔體有黑色腐蝕產(chǎn)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(jié)果見表5。,試驗結(jié)果表明，128臺安全閥中有

26、15臺開啟壓力超過5%，其中10臺為循環(huán)水介質(zhì)、1臺為冷凝水介質(zhì)、3臺為有循環(huán)水的EO介質(zhì)，還有1臺安全閥介質(zhì)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(zhì)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

27、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(jié)果來看，乙二醇裝置安全閥失效模式主要表現(xiàn)為：循環(huán)水介質(zhì)安全閥開啟壓力升高；蒸汽介質(zhì)安全閥開啟壓力降低。,2

28、.6聚丙稀裝置 聚丙烯裝置安全閥介質(zhì)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(zhì)外，介質(zhì)潔凈，對安全閥無腐蝕。聚丙烯裝置介質(zhì)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

29、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(jié)果來看，除聚丙稀漿液安全閥聚丙稀漿液固化結(jié)塊堵塞閥進口，以及7臺水介質(zhì)安全閥開啟壓力升高外，其它介質(zhì)安全閥開啟壓力穩(wěn)定。 從調(diào)查情況來看，聚丙烯裝置安全閥失效模式主要表現(xiàn)為： 漿液介質(zhì)安全閥進出口堵塞； 水介質(zhì)安全閥開啟壓力升高。 為更清晰的表示調(diào)查情況和試驗結(jié)果，現(xiàn)把結(jié)果匯總為表6，圖一表示現(xiàn)用安全閥失

30、效率。,3.結(jié)論 綜合以上石化企業(yè)各裝置安全閥在線運行調(diào)查情況，以及對典型裝置典型介質(zhì)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(jié)論： 1. 石化企業(yè)承壓設備在用安全閥失效模式主要表現(xiàn)為： (1) 安全閥內(nèi)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

31、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(wěn)定系統(tǒng)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(nèi)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

32、蝕或銹蝕造成安全閥內(nèi)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(huán)境下工作。 (6) 安全閥密封面被高溫高壓介質(zhì)沖蝕，或被腐蝕介質(zhì)腐蝕，或因頻繁啟跳受沖擊而損壞，造成閥