煉油裝置再生器出口閘閥使用故障淺析

2013-08-20 王歡上海石油化工股份有限公司

　　根據(jù)煉油裝置再生器出口閘閥的使用工況和閘板失效的形貌，通過采取金相和X 射線熒光等測試技術(shù)對閘板失效原因進行了分析，確定了閘板失效的主要原因為低溫?zé)岣g，根據(jù)低溫?zé)岣g發(fā)生的條件，提出了解決方案。

1、概述

　　閘閥是汽油吸附脫硫(S-Zorb) 工藝煉油裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用為調(diào)節(jié)工藝中吸附劑的流量。閘閥安裝于再生器出口。經(jīng)過脫硫的吸附劑在再生器中燃燒，燃燒后恢復(fù)活性的吸附劑通過閘閥再次循環(huán)使用。閘閥使用溫度為524℃，壓差為4.1 ～10.3kPa，使用環(huán)境為低壓臨氧。

2、故障現(xiàn)象

　　S-Zorb 裝置運行一個周期后(約10個月) 停車大修。大修時用備用閘板更換了出現(xiàn)輕微損壞的原閘板。重新開車之后約2 周，閘板出現(xiàn)了較大損壞(圖2a) ，導(dǎo)致閥門失效。經(jīng)初步了解，更換的備用閘板尺寸小于原閘板，閥座和閘板裝配后間隙較大( 圖1) ，推測較大間隙導(dǎo)致的縫隙流可能是造成閥門失效的主要原因。因此更換了一臺閥座和閘板間隙控制到合理范圍之內(nèi)的閘閥，新閥門上線運行約一周，閘板又出現(xiàn)了相似的損壞(圖2b) 。

閘閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖1 閘閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3、檢測

　　針對裝置檢修后，閘板在短時間內(nèi)損壞的問題，從工藝、閘板材料和吸附劑等方面進行了檢測。

3.1、工藝

　　本周期和上周期的S-Zorb 生產(chǎn)工藝進行對比，發(fā)現(xiàn)本周期生產(chǎn)過程中閥門前后壓差較大，超出設(shè)計4.1 ～ 10.3kPa 的要求。此因素列為失效分析的考慮對象之一。

損壞的閘板

(a) 備用閘板(b) 整臺更換閘閥的閘板

圖2 損壞的閘板

　　3.2、材料

　　閘板材料為整體stellite 6#合金。采用X 射線熒光法(XRF) 檢測材料成分，各組成元素含量均在合理范圍之內(nèi)(表1) ，且無多余有害元素，符合Stellite6#合金的要求。對閘板失效部位做金相分析，其晶粒較均勻(圖3) ，沒有發(fā)現(xiàn)沿晶腐蝕和擇優(yōu)腐蝕等傾向，排除了材料成形工藝不合理造成合金中有缺陷存在的原因。

表1 stellite6# XRF 檢測結(jié)果Wt%

stellite6# XRF 檢測結(jié)果Wt%

3.3、吸附劑

　　從再生器中采集吸附劑樣品進行檢測，其中含量較高的Al2O3、SiO2、NiO 是吸附劑的載體，ZnO 是吸附劑的活性成分〔1〕，但是，吸附劑中還檢測到一定量的SO3、K2O、Fe2O3等具有腐蝕性的成分(表2) 。

表2 S-Zorb 吸附劑樣品的XRF 分析結(jié)果

S-Zorb 吸附劑樣品的XRF 分析結(jié)果

4、分析

　　通過檢測，排除了材料的質(zhì)量問題。因此從工藝和吸附劑方面分析故障原因。

　　(1) 閘板和閥座間隙。閘板備件尺寸偏小，引起閘板與閥座的間隙較大，但整臺更換的閘閥閘板與閥座配合緊密，間隙滿足設(shè)計要求，但閘板同樣出現(xiàn)類似的損壞，此原因可以排除。

　　(2) 小開度沖刷。本周期生產(chǎn)中，閥門前后壓差超出設(shè)計要求(4.1 ～ 10.3kPa) 。高壓差會導(dǎo)致相同流量情況下閥門開度較小，介質(zhì)流速變大，介質(zhì)對閘板的直接沖擊也變大。但從失效閘板的形貌(圖4) 觀察，流速較高部位(1區(qū)) 、流速較低部位(2區(qū)) 和與介質(zhì)基本不接觸的部位(3 區(qū)) 也出現(xiàn)了較為嚴重的損壞，與沖刷造成損壞的形貌不相符( 一般是比較光滑的)〔2〕。經(jīng)分析，沖刷導(dǎo)致閥門失效的可能性很小。

失效閘板金相照片

圖3 失效閘板金相照片

閘板破壞照片

圖4 閘板破壞照片

　　(3) 高溫氧化。再生器中為低壓臨氧環(huán)境，合金存在氧化的可能性。一般而言，合金抗氧化性能與合金中Cr 的含量有關(guān)。因為Cr 被氧化后生成Cr2O3，Cr2O3氧化膜十分致密，可以防止合金中的金屬原子向外和氧原子向合金內(nèi)部的擴散，從而達到阻止氧化進一步進行的效果〔3〕。但stellite 6#合金的Cr 含量將近30%，合金的抗氧化性能比較優(yōu)異，合金氧化失效的可能性較小。

　　(4) SO3的腐蝕。再生器內(nèi)部為低壓臨氧環(huán)境。吸附劑吸附脫硫以后，攜帶了汽油中大量硫醇、硫醚、噻吩以及苯并噻吩等的硫化物以及反應(yīng)產(chǎn)物〔4〕。脫硫后的吸附劑在再生器中燃燒以恢復(fù)活性。此過程中可能產(chǎn)生腐蝕的物質(zhì)有S 蒸汽、H2S、SO2和SO3等，考慮臨氧環(huán)境，S 蒸汽和H2S 存在的可能性較小，SO2也極可能氧化為SO3。僅SO3氣體，其對合金的破壞是有限的，不可能在數(shù)天內(nèi)就將stellite 6#合金腐蝕失效， stellite 6#合金中高含量Cr生成的Cr2O3氧化膜可以阻止合金的進一步腐蝕。

　　(5) 熱腐蝕。熱腐蝕分為低溫?zé)岣g和高溫?zé)岣g。高溫?zé)岣g發(fā)生的溫度范圍一般為825 ～950℃，此溫度范圍內(nèi)硫酸鹽( 如K2SO4) 到熔點，形成溶液，進而腐蝕合金。高溫?zé)岣g發(fā)生的溫度區(qū)間與閘閥的使用溫度相差較大，可能性基本被排除。低溫?zé)岣g發(fā)生的溫度范圍一般為500 ～750℃，這與閘閥的使用溫度較為接近。雖然此時從溫度上分析，整體鹽膜未達到熔點，但是由于幾種硫酸鹽可以形成。

　　Stellite 6 #合金屬于Co - Cr 系合金，Co 元素含量很高。另外，吸附劑XRF 檢測結(jié)果顯示，含有較高的SO3和K2O 等。因XRF 只能顯示元素的相對含量，而不代表真實的物質(zhì)，SO3和K2O 分別屬于酸性化合物和堿性化合物。在再生器中，推斷SO3和K2O 是以K2SO4的形式存在，使低溫?zé)岣g具備了所需的條件。低溫?zé)岣g的特征是初期有一孕育期，隨后為加速腐蝕，與現(xiàn)場閘板失效的過程相吻合。

　　分析確定stellite 6#閘板失效的主要原因為低溫?zé)岣g。本周期由于系統(tǒng)中設(shè)備( 尤其用于分離氣固兩相介質(zhì)的旋風(fēng)分離器) 故障或者老化，導(dǎo)致SO3含量升高，達到了低溫?zé)岣g所需的臨界量而導(dǎo)致低溫?zé)岣g的發(fā)生。流動的介質(zhì)將腐蝕產(chǎn)物帶走，從而導(dǎo)致了腐蝕的連續(xù)進行，閥門在短期內(nèi)即失效。

5、改進

　　低溫?zé)岣g現(xiàn)象很少發(fā)生，因為達不到低溫?zé)岣g所要求的SO3分壓、共晶體溫度和足夠的硫酸鹽等條件，即使環(huán)境相似，并不會產(chǎn)生低溫?zé)岣g。為了提高閘板耐低溫?zé)岣g的性能，研制了高溫性能更加優(yōu)異的特制閘板，其耐磨損性能、耐腐蝕性能和耐高溫性能均高于stellite 6#合金，并且原理上不會發(fā)生和stellite 6#合金類似的低溫?zé)岣g現(xiàn)象。