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石化企業閥門泄漏的原因分析及對策

發布時間:2016/11/27 關注次數:9036次

1.前言


      閥門是石油化工煉油裝置中不可缺少的部分,其使用的閥門種類多、數量大,化工生產中的介質多是腐蝕性強、有毒或易燃易爆的,當閥門泄漏時,不僅會造成嚴重的原材料、能量和產品的浪費,而且對環境也造成嚴重的影響,甚至引起嚴重的安全事故。因此,我們有必要也應當重視石油化工生產過程中閥門的泄漏問題。下面就石油化工裝置中引起閥門泄漏的原因以及防止和消除泄漏的對策、方法做重點探討。


2.閥門泄漏的原因分析


2.1 閥門的分類


      閥門是石油化工生產裝置中必不可少的控制設備。閥門的種類繁多,隨著各類成套設備工藝流程的不斷改進,閥門的種類還在不斷增加。根據其用途的不同可以分為以下幾類:


    (1)用于切斷或接通管路中的介質的閘閥、截止閥、旋塞閥、球閥和蝶閥等;


    (2)用于調節管路中介質壓力和流量的調節閥(有氣動和電動兩種類型)、減壓閥、節流閥、蝶閥、平衡閥等;


    (3)用于防止介質倒流、保證介質單向流動的止回閥;


    (4)用于超溫、超壓安全保護,排放多余介質,防止溫度、壓力超過規定數值,從而保證設備和管路系統安全運行的安全閥、溢流閥等;


    (5)用于改變管路中介質流動的方向,起分流介質作用的分配閥、三通或四通旋塞閥、三通或四通球閥等;


    (6)用于介質的取樣分析的取樣閥;


    (7)其他特殊用途的疏水閥、排污閥、放空閥、排渣閥等。


2.2 閥門泄漏的原因分析[1]


      閥門泄漏分為兩種,即外部泄漏和內部泄漏。在大多數情況下,外部泄漏所造成的后果,往往比內部泄漏更加嚴重。在工業生產中,閥門的外漏不但造成原材料及能源的浪費,還會直接污染環境,甚至引起火災、爆炸、中毒等危害生命安全的重大事故,給國民經濟造成嚴重損失。


    (1)閥門外漏的原因分析


外漏常見于閥體、閥桿、填料函與閥體的連接部位。


1)閥體泄漏的原因閥體通常是鑄造的,容易形成砂眼等鑄造缺陷,閥體上的砂眼會導致介質的泄漏,這種泄漏一般都表現為滲漏,流量較小,通過水壓試驗就能被發現。


2)閥桿泄漏的原因閥門的閥桿由于設計和選材不當會引起閥桿在某個位置被卡死,使閥門無法關閉或關閉不嚴,造成介質泄漏。此種泄漏往往流量較大,對生產裝置和周圍的環境容易造成嚴重的危害。


3)填料函泄漏的原因填料函由填料箱、填料、填料墊以及填料壓緊機構等組成。填料箱置于閥體或閥蓋上,起容納填料的作用。填料墊置于填料箱底部,起支撐填料的作用。填料分軟質密封填料和成型填料兩種。成型填料以彈性材質為原料,采用模壓成型或車削加工制成各種環形密封圈,相比之下,成型填料結構緊湊,密封性能好,適用性更強。介質在密封填料處泄漏,原因為填料壓蓋松動、密封填料不嚴密、填料品種或質量不符合要求、填料老化或被閥桿磨損。


4)閥體連接處泄漏的原因閥體連接部位的密封系指閥體與閥蓋之間的密封。一般情況下為法蘭連接密封,當閥門公稱直徑較小時為螺紋連接密封。墊片的類型、材質或尺寸不符合要求、法蘭密封面加工質量差、連接螺栓緊固不當、因管道配置不合理而在連接處產生過大附加載荷等原因,都能引起閥體連接部位泄漏。


   (2)閥門內漏的原因分析


閥門關閉不嚴形成的泄漏為內漏,常發生在閥座密封面。分析其原因:


1)閥門的設計和制造工藝存在問題,造成閥門密封不嚴而導致介質的泄漏,多為滲漏或小流量連續排放。


2)閥板或密封面變形造成密封不嚴,從而引起介質的泄漏,一般成滲漏或小流量連續排放。


3)在閥門的制造、運輸、檢驗、安裝和使用等過程中,損傷了閥門的密封面,使密封不嚴,導致閥門泄漏。這種泄漏也表現為小流量的滲漏。


4)介質內含有固體雜質造成閥門關閉不嚴,從而引起介質泄漏。這種泄漏可能是小流量的滲漏也可能流量較大。


2.3 閥門泄漏造成的損失


      由以上情況引起的泄漏,所造成的經濟損失和對環境的污染程度又因介質的特性的不同而有所不同。如果是氣體介質,則很容易在空氣中擴散傳播,其污染半徑就會較大。液體介質則會通過對地面的滲透產生污染,也可能通過明溝或暗溝流人排洪渠,污染江河湖泊及其他環境。1984年12月3日凌晨,印度博帕爾農藥廠一個裝有45t液態劇毒筒氛酸甲醋的儲罐中的劇毒藥液沖破閥門泄漏出來,傾刻間化為濃重的煙霧飄散在人口稠密的博帕爾市區,在短短幾天里,毒氣就奪走了2800人的生命,使52萬多人受到不同程度的毒害,其中有10萬多人終生殘廢。前蘇聯的切爾諾貝利核電站因為一個閥門的問題而釀成空前的災難,不僅造成了重大的人員傷亡,所造成的直接和間接的經濟損失及環境破壞也難以估量。統計數據表明,工業裝置中約20%的閥門存在泄漏問題,所造成的直接經濟損失約占總損失的5%0在石化行業中,以一套5000kt/a規模的常減壓裝置為例,一般情況下有5000個左右的閥門,由其中20%的閥門泄漏所造成的經濟損失和對環境造成的污染的確不可小覷,如果從整個石化行業來看,情況就更嚴重了。


3 對策


3.1 優化設計選型[2,3]


      能否將閥門泄漏的程度降到最低、使用壽命達到最長,取決于閥門設計選型是否合理、密封形式的選用、閥門的產品質量、安裝施工及生產操作是否合乎規范等,而且很大程度上是取決于閥門設計選型的優化。


      閥門設計選型的優化,牽涉到閥門形式的選擇、閥門本身的設計及制造、閥門材料的選用等多方面的問題。選擇閥門形式時,要從工藝條件的要求和設計規范的要求等角度進行全面優化考慮。閥門的用途、介質的溫度、壓力、流速、壓降以及介質的腐蝕性等,都直接影響到閥門的選型,還要根據介質的溫度和腐蝕性,選擇制造閥門所使用的材料。根據施工和實際操作經驗,閥門的選用除了滿足有關工藝要求、設計規范外,還應充分考慮各種具體情況,使其盡可能與操作條件相匹配,最大限度地滿足使用要求。


      對于液體、氣體或兩相流體,使用閘閥或截止閥與使用球閥相比,其效果會有明顯的不同。球閥的氣密性優于閘閥和截止閥,開啟和關閉的速度也要迅速得多,但使用溫度范圍卻大大小于閘閥和截止閥。一般情況下,大多數球閥都不能在高溫下使用。而閘閥和截止閥在高溫情況下的性能比較穩定。球閥的壓力損失比閘閥和截止閥要小,相比之下截止閥的壓力損失比閘閥的壓力損失要大一些,這是由閥門內在的構造形式所決定的。對于不同的物料流速及調節流量的效果,使用不同類型的閥門其效果也會大不一樣。高速流的情況下一般不宜使用截止閥,因為在高速流的情況下截止閥的壓力損失最大,但截止閥對流量的調節作用卻比閘閥和球閥要好得多。在選擇閥門類型時,還要根據介質的溫度和腐蝕性考慮制造閥門所使用的材料。閥門所使用的材料必須滿足閥門工作點的工藝條件的要求。根據工作點的工藝要求,合理地選用閥芯和閥體的材料,可以延長閥門的使用壽命而不必大幅度增加費用。單純地追求高等級的材質只會造成材料的無謂浪費。


3.2 填料函泄漏對策


      由于閥門填料函密封的泄漏,以及閥體連接部位密封的泄漏,是造成閥門外漏的關鍵所在,所以需要特別重視。


      傳統的軟質填料密封,是靠填料壓蓋的軸向壓力,使之在閥桿與填料以及填料與填料箱側壁之間,產生一定的徑向接觸應力而達到密封的。因此,壓蓋的軸向力必須相當大,這就造成填料與閥桿之間摩擦轉矩增大、磨損增加、軟質密封填料磨損快,因而須經常擰緊壓蓋螺栓或更換填料,才能保證較好的密封效果。


      采用合適的填料密封及填料密封組合,可提高閥門使用的可靠性,延長使用壽命。如柔性石墨環填料的組合使用,比只用柔性石墨環填料的密封效果好。目前在國內采用單一柔性石墨環填料的情況比較多;而在國外,采用柔性石墨環填料組合的使用方法已開始流行,并且取得了良好的效果。

3.3 消除閥體連接部位的泄漏


閥體連接部位密封,就其密封性質而言屬于靜密封,其應滿足下列要求:


(1)能適應溫度和壓力的急劇變化;


(2)多次拆卸而不損壞密封元件;


(3)結構簡單、緊湊,金屬消耗量少;


(4)對振動和沖擊載荷不敏感;


(5)能滿足各種工作介質的使用要求。


      閥體的連接部位,通常采用樺槽式或凹凸式平墊片密封,近年來,“O”形密封圈密封,也獲得了廣泛的應用。


      禪槽式平墊片密封,是將平墊片安裝在封閉槽中,這種結構在密封面上,可產生很高的密封比壓,通常遠遠超過墊片材料的屈服極限,從而保證了可靠的密封性。其適用于壓力大于等于4.OMPa的中高壓閥門。這種密封結構的缺點是:當拆卸閥門時,墊片難于從密封槽中取出,如果硬性取出,往往會將墊片損壞。


      凹凸式平墊片密封,是將平墊片安裝在凹凸面法蘭的密封面上,與樟槽式平墊片密封結構相比,具有以下優點:


(1)拆卸閥門時,墊片容易取出;


(2)由于密封槽呈階梯狀,因此加工工藝性能較好。


      平墊片的材料,根據工藝參數和流體性質,可選用鋁、紫銅、1Cr18Ni9Ti和橡膠石棉板等。氟塑料也是常用的墊片密封材料,但由于其具有冷流性,如果密封結構設計不當,將導致不良后果。


      “O”形密封圈,其結構簡單,制造方便,只要密封結構設計合理,裝配后就能產生足夠的徑向擠壓變形,可不必軸向加載即可達到密封,因此,將其用作法蘭連接密封,可以減小法蘭的結構尺寸,從而減輕閥門的重量。


      對于低壓小通徑閥門,為減小閥體結構尺寸和重量,閥體一般采用內螺紋連接,而連接處的密封元件也可采用平墊片或“O”形密封圈。


3.4 閥桿泄漏對策


      閥桿是閥門中重要的受力零部件,閥桿材料必須具有足夠的強度和韌性,能耐介質、大氣及填料的腐蝕,耐擦傷,工藝性能好。為了提高閥桿表面耐腐蝕、耐磨損的性能,一般應對其表面進行強化處理。目前,制造閥桿的材料,國內大部分使用馬氏體不銹鋼,但這種不銹鋼耐縫隙腐蝕能力較弱,這是由于酸性物質的作用,使閥桿表面的鈍化膜破壞而產生的局部腐蝕,因此最好采用奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼,可以增強閥桿耐縫隙腐蝕的能力,從而使閥桿處的泄漏得到有效的控制。


4 結束語


      綜上所述,在石化工業生產中閥門的泄漏是不容忽視的問題,它對生產的經濟性、安全性以及對環境都會帶來重大的影響。消除閥門泄漏的關鍵在于優化閥門結構的設計,根據不同的工藝條件合理選擇閥門的材料,提高閥門在生產過程中的質量控制水平,以及根據工藝操作系統優化閥門的選型。隨著科學技術的進步,特別是新材料的出現,一些新結構的閥門已投入使用,它們性能好、壽命長,可滿足生產發展的需要。


參考文獻:
[1]王訓拒.閥門使用維修手冊[S].北京:中國石化出版社,1999 2
[2]張德姜.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊第二篇[S].北京:中國石化出版社,1998 3
[3]陸培文.閥門選用手冊[S].北京:機械工業出版社,2001

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