S-Zorb装置国产耐磨球阀的应用
摘 要：随着S-Zorb装置的大量应用，程控阀的频繁故障已成为影响该装置正常运行的共性问题。本文分析了各个进口阀门厂家程控阀故障的主要原因，并且从密封结构、球口设计、基体材质选择及密封面的硬化处理、各传动件间的防尘处理这4个方面，提出了对该阀门的改进措施。关键词：S-Zorb脱硫技术；渗硼；浮动球双浮动阀座；弓形球口中图分类号：TE927+.7 文献标识码：A 文章编号：1671-1041(2015)03-0074-03
0 概述随着各国家、组织对环境质量越来越高的要求，汽油含硫量指标也日趋严格，在这样的背景下，对炼油企业汽油脱硫技术提出了更高的要求，S-Zorb装置应运而生。S-Zorb技术是由ConocoPhillips公司设计研发的，针对催化裂化（FCC）汽油馏分的吸附脱硫技术，具有脱硫效率高和辛烷值损失小的特点，该技术主要采用吸附原理，采用氧化锌、氧化镍以及铝硅组分的吸附剂，在脱硫过程中，气态烃与吸附剂接触后含硫化物被吸附在吸附剂上，在吸附剂的作用下C-S键断裂，硫原子从含硫化物中去除并留在吸附剂上，而烃分子则返回到烃气流中，该过程在反应中不产生H2S，从而避免了H2S与烯烃反应生成硫醇而造成硫含量和氢耗的增加。
1 S-Zorb耐磨阀使用工况及主要厂家一套S-Zorb装置工使用程控球阀57只，其中闭锁料斗球阀31只，阀门现在基本使用进口产品，存在价格昂贵、使用寿命短、维修费用高、售后时间长等一系列问题，严重影响着S-Zorb装置的正常运行，且进口球阀也大多存在密封面磨损的情况，使用寿命短。该装置阀门主要难点在于：①吸附剂颗粒硬度可达HRC62,超过了一般表面涂层的厚度，密封面磨损快。②阀门启闭频繁（20min～30min开针对该装置阀门工况的特殊性，对上海高桥、北京燕山、镇海炼化、安庆石化、洛阳石化5家炼油厂的S-Zorb装置的球阀进行调研，目前主要的进口阀门厂家有：美国MOGAS,加拿大GOSCO，意大利VTI，以及美国的美卓。
2 S-Zorb耐磨阀的结构及故障分析1）进口厂家大多采用传统的浮动硬密封球阀的结构设计，浮动球阀结构如图1 所示。密封原理：浮动式球阀的球体是浮动的，在介质压力作用在球体球面时，球体产生一定的位移并紧压在出口端阀座的密封面上，保证出口端密封。由于介质推动有效作用面积大，相比固定球，有更大的密封比压，提高了密封性能，但相对的也增加了阀门的启闭力矩。
图1 浮动式球阀结构图Fig.1 Floating ball valve structure
2）密封结构：如图2所示，浮动球阀介质一般按箭头所示方向流动，由预紧碟簧提供初始预紧比压，使阀前阀关一次）。③阀前阀后压差大，最大工作压差4.26MPa，温度可达427℃。座紧密贴合在阀芯上，在开关过程中，球体往阀后微量位移，预紧碟簧将推动阀前阀座继续紧密贴合在阀芯上，防止介质进入阀芯与阀座之间影响密封性能。
图2 浮动式球阀结构图Fig.2 Floating ball valve structure
在S-Zorb装置中，部分阀门需承受双向压力，如上游再生接收器与闭锁料斗之间的XV-2048，XV-2049的阀门，充氮气与放料时，装置将存在方向压差，阀门出口端的介质压力高于阀门进口端的介质压力，介质将从图2箭头反方向进入阀门，阀门全关时，介质将球体推往预紧碟簧一端，碟簧压缩，而另外一端无预紧机构，导致了出口端阀座与球体有微量的间隙，吸附剂颗粒进入密封面，与介质中的油气，蒸汽等凝结，吸附在球体表面，高硬度的吸附剂颗粒及频繁的启闭，造成球体及阀座表面刮伤，如图3所示。
图3 阀座球体刮伤Fig.3 Seat sphere scratches
3）基体与表面硬化处理，目前国外进口阀门厂家针对S-Zorb装置耐磨球阀，大多采用镍基合金如F304、F316等做为基体材质，表面喷涂WC，CRC等，喷涂由于工艺与材质的限制，一般涂层的厚度在1mm左右，冷喷的厚度将更薄。由于浮动球在全关时，球体在高压差的作用下，将冲击向阀座，镍基合金本体硬度较低，导致密封面塌陷变形，造成局部泄露，磨蚀密封面。
图4 球体基体变形Fig.4 Sphere matrix deformation
3 解决方案鉴于对以上常见故障的分析及现场的工况，对S-Zorb耐磨球阀进行针对性设计，以提高耐磨球阀的使用寿命。1）浮动球双浮动阀座设计，球阀仍使用浮动式结构，在原有浮动式的基础上，将出口端阀座也改为浮动式阀座，即浮动球、双浮动阀座的结构，打破了以往浮动球固定式阀座的概念。如图5所示，无论介质从哪边进入阀体，球体在介质推力的作用下，推往出口端阀座，进口端阀座也将在预紧弹簧的作用和介质的作用下，始终与球体贴合，当有反向压的存在时，球体将推向阀前阀座，原后阀座将继续与阀芯贴合。该设计无论正反压的存在，前后阀座都始终与阀芯贴合。杜绝了介质进入密封副的可能，提高了阀门的使用寿命。
图5 双浮动阀座浮动球阀结构图Fig.5 Double floating seat floating ball valve structure
2）基体选材及密封面硬化处理：针对S-zorb装置高压差、高冲刷及高温等苛刻的工况，结合进口阀门基体材质软，涂层厚度薄的缺陷，本设计阀座与阀芯都采用机械性能优异的Inconel 718表面渗硼处理，Inconel718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，在650℃以下时具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有耐腐蚀性。固溶处理后硬度能达到HB360左右，远高于304，316等奥氏体不锈钢。密封面硬化方式采用渗硼处理，渗硼后，表面形成双相型(FeB+Fe2B)渗硼层；化合物层之下为硼在铁素体和渗碳体中的固溶体a(B)和Fe3(C，B)。渗硼层硬度高(达1500HV～1800HV)，耐磨性比渗碳、淬火层高3倍以上，且加热至700℃仍维持HV900以上的高硬度。在硫酸、稀盐酸、醋酸、碱和海水中，渗硼层的耐蚀性与不锈钢相近。基体渗硼具有无脱落，保证球体表面完整无缺陷。采用高强度Inconel 718作为基体材质，在球体冲击阀座时，减少了球体的变形量，同时，采用超宽R形阀座密封面设计，同球体R相同，具有自清理球面粘杂物，提高了使用寿命，同时增大了受压面积，降低了单位面积的受力。在密封面处理上，渗硼工艺远优异于传统的表面冷喷及热喷工艺，硬度、耐磨性能、耐蚀性能都有较大的提高。3）弓形球口的设计：在S-Zorb装置中，高压差下带来的密封面磨损一直是该装置耐磨球阀亟待解决的问题，特别是在阀门刚开启时，阀座与球体脱离极小，造成节流，形成喷射状介质，而介质中含有大量的硬质颗粒催化剂，极易造成对球口的冲刷磨损。因此，在该装置中一般阀门的启闭时间要求都比较短，减少对球口的冲刷时间。针对该工况，对球口部位进行了特殊的设计，在球口处采用弓形切除处理，与阀座同圆心的圆弧切除部分球口，如图6所示：在阀座开启瞬间，瞬时流量相比传统结构提高了3倍以上，极大地降低了球口的冲刷。阀座切口的存在，增加了球口的厚度，也延长了球体的使用寿命。
图6 弓形球口Fig.6 Bow mouth ball
图7 弓形口开启瞬间Fig.7 Bow mouth opening moments4）传动机构及弹簧的防护：在S-Zorb装置中大量吸附剂与油气的存在，极易造成催化剂颗粒进入传动及弹簧腔室等部位，造成阀门开关卡滞。这是所有工况恶劣，特别是介质为颗粒、高粘度等耐磨球阀的共性问题。催化剂颗粒进入轴套间隙中，与油气、水汽等凝结在阀杆及轴套内表面，轴套与介质形成干磨，损伤阀杆表面，同时随着凝结物的增加，阀杆与轴套的间隙越来越小，导致阀门卡滞直至卡死。介质进入弹簧腔室，造成的堆积将造成弹簧失效，导致阀座无浮动量，密封副间进入介质，形成泄露。因此在针对该装置的苛刻工况，将轴套与弹簧腔室进行防尘设计，在轴套下部加装密封填料、同时利用填料函及轴套压紧填料，阻止介质进入轴套与阀杆之间。阀座后弹簧腔室采用独特的防尘结构，如图5所示，在弹簧的前部与后部都设有填料密封结构，弹簧单独形成一个弹簧腔室，防止了介质进入，从而保护了弹簧。也保证了阀座的浮动量，使阀座始终能紧贴球体，确保密封。4 结束语本文主要分析了S-Zorb耐磨球阀在装置运用中存在的问题以及在改进的方案。1）为了解决双向压引起介质进入密封副的问题，采用了浮动球、双浮动阀座设计。2）为了减少高压差下，催化剂颗粒对球口的冲刷，采用了弓形球口的设计。3）采用Inconel718为基体，表面渗硼作为密封面处理。提供了球体基体的耐冲击性能以及球体表面的硬度和耐磨性能。4）轴套及弹簧各处的防尘设计，防止介质进去弹簧腔室及轴套引起阀门开关卡滞。随着S-Zorb装置应用的越来越广泛，在油品升级中扮演着越来越重要的作用，如何最大限度的延长程控球阀使用寿命和是装置运行平稳的关键因素之一，为降低开工成本，提高生产效率，S-Zorb装置程控球阀国产化研究势在必行。
作者简介：李俊，诸利君，王辉（浙江中德自控科技股份有限公司，浙江 湖州 313100）李俊（1987-），男，浙江金华人，工程师，主要研究方向：球阀的应用。参考文献：【1】朱云霞. S - Z o r b 技术的完善与发展[ J ] . 炼油技术与工程,2013,(39)08.【2】张昆.程控球阀在S-Zor b 装置上的应用[ J].炼油技术与工程,2013,(43)10.
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