乙烯裂解炉蒸汽安全阀故障分析及对策

韩巍

摘要：乙烯裂解装置工艺复杂，乙烯裂解炉上的弹簧式蒸汽安全阀为处于高温、高压等恶劣工况的整个装置提供了超压保护，保证生产的顺利进行。为了进一步保证乙烯裂解炉蒸汽的正常工作，本文对线上蒸汽安全阀故障原因进行了深入的研究，同时提出了相应的解决对策，希望能促进我国石油化工生产行业的健康发展。

关键词：乙烯；蒸汽安全阀；裂解；故障分析

一、乙烯裂解炉概述

乙烯是石油化工生产必不可少的原料，对乙烯裂解炉蒸汽安全阀故障进行研究，提升乙烯装置的工作效率对提升整个石化企业的竞争力具有重要的意义。乙烯裂解炉是乙烯装置运行的前提。原料通过此装置使用高温裂解工艺加工为产品，再进行分离、净化。要提高乙烯装置的经济效益，就要降低原料在裂解炉的损耗量的同时，提高燃料的热利用率。乙烯裂解炉蒸汽安全阀故障不仅使影响生产速度，还会降低原料的利用率，给石油化工生产造成严重的损失。

二、造成乙烯裂解炉蒸汽安全阀故障的原因

（一）调校方面

调校是引起安全阀上线后泄漏的重要影响因素之一，主要是因为在调校的时候忽略了冷态试验差压力与整定压力的差异。API52定义冷态试验差压力需要在试验台上将泄压阀调整至开启时的压力状态，冷态试验差压力的确定需要包括对使用条件下背压或温度或两者的修正，最大程度缩小试验台整定压力与上线后实际开启压力的差距。首先，乙烯裂解炉工艺管道处于高温状态，在高温下下回引起阀杆、阀盖等部件热膨胀，弹簧的刚度也会随之下降等影响开启压力，所以当切换至冷态调试整定压力时要进行适当的修正；其次，高温状态下弹簧除了会发生通常的蠕变和松弛外，同时受分子热运动的影响，造成原子间的间距加大，原子间结合力下降，材料弹性模量E和切变模量G数值下降；最后，当温度升高至100℃，E和G数值会下降3%～5%，而弹簧刚度同材料的弹性模量和切变模量成正比关系，所以就算弹簧的几何尺寸不变，弹簧刚度也会发生相应变化。因此，如果在出厂定压或者校验时整定压力未得到修正，上线后在高温的状态下会出现整定压力降低，安全阀泄漏的情况。

（二）设计加工方面

结构设计不合理也会引起安全阀故障。若阀瓣结构不合理，在高温状态下下，温度不平衡会造成阀瓣密封面变形不均匀，密封性下降，出现泄漏现象。首先，在泄漏严重的情况下，会造成高温蒸汽介质腐蚀安全阀密封面，受力面积扩大，升力变大，严重的情况甚至会出现安全阀提前起跳的情况；其次，如果阀门加工精度不符合要求，阀门中性不好，使密封面上受力不均，一定程度上也会影响阀门的性能；最后当阀门对中性不好时，阀门密封面上的受力不均匀，密封面局部密封力达不到整个面积上平均值，在密封力较低，就容易出现泄漏的现象。

（三）在线工艺管理方面

安全阀上线运行后，管线压力是不断变化的，由于工艺过程中会出现压力波动现象，如果压力波动最大值超过安全阀密封压力时，就容易造成安全阀泄漏的情况。

三、安全阀故障解决对策

（一）调校方面

在高温、高压环境下工作，需要事先对乙烯裂解炉蒸汽安全阀进行调试，对温度及背压值进行修正，计算压差并乘以温度修正系数，从而通过冷态试验差压力计算公式：Pcd=（Ps-Pb）（1+I/100），计算冷态试验差压力，Pcd代表冷态试验差压力，Ps代表整定压力，Pb代表恒定的附加背压，单位为MPa；I代表温度修正系数，单位为℃，不同制造厂家对对安全阀整定压力修正值的修正是有所差别的，因此，还可对线上安全阀进行在线校验，进一步确定安全阀的在线真实起跳压力。弹簧式安全阀的开启、关闭动作由其进口端的介质压力变化和弹簧预紧力共同完成的。首先，当介质压力升高到一定程度，使提升力大于弹簧预紧力时，阀芯克服弹簧预紧力自动开启，泄放多余的介质，达到降压的目的；其次，在弹簧力的作用下，压力达到安全值时，阀芯自动关闭，停止泄放。

（二）设计加工方面

如（图1）所示：传统的蒸汽安全阀的阀瓣为刚性阀瓣，密封面为环状凸台，满意满足高温、高压蒸汽介质的密封性能要求，主要原因在于：第一，密封面内外之间存在温度差异，温度分布不均匀导致密封凸台产生弯曲翘起而出现泄漏的状况；第二由于密封比压小，密封面上难以提供额外的补偿压力而发生泄漏，当密封面出现泄漏的情况，整个密封面就会受到高温蒸汽的冲蚀，导致蒸汽安全阀密封严重失效。

为解决乙烯裂解炉所处的高温、高压蒸汽容易出现的故障，可以将传统的刚性安全阀的阀瓣设计为如图2所示的弹性热阀瓣结构。

首先，弹性热阀瓣是蒸汽安全阀维持高温、高压密封状态的核心零件。这种特殊的密封唇结构能够加强介质力的辅助密封作用，加大密封比压，弹性设计使其起到密封补偿作用，使阀瓣密封面与阀座密封面在开启之前始终紧密贴合；其次，凹陷的阀瓣结构能使密封面上温度分布更为均匀，降低密封面变形的几率，防止泄漏现场的产生；最后，选用耐冲蚀性好的高強度航天用合金材料作为阀瓣的材料，进一步保证安全阀在高温、高压下的密封效果。该乙烯裂解炉安全阀弹性热阀瓣密封唇部分的温度分布十分均匀，密封副部分温度稳定，有效的解决了因温度分布不均而引起密封面弯曲翘曲起导致密封失效的情况。因此，在蒸汽安全阀的制造方面，应当确保加工质量，从源头保证安全阀性能。

（三）在线工艺管理方面

当工作压力与安全阀的整定压力差异不大时，要减小工作压力的浮动，否则压力浮动过大会影响安全阀密封性。同时，为了防止工作介质中的硬质杂质在安全阀正常开启回座时对密封面造成伤害，所以保证工作介质的清洁。

四、结束语

在高温、高压的复杂环境下，乙烯裂解装置安全阀在线容易出现泄漏以及提前开启等情况，因此，要进一步完善装置的调试、设计制造以及在线使用工艺管理等方面。除此之外，还要加强企业的管理水平，定期对员工进行相关技能的培训，提高工作人员对设备的了解，避免因操作不规范给设备造成不必要的影响，同时，提高工作人员对安全阀故障的认识，当出现故障时能够及时采取正确的措施，降低安全阀故障引起的经济损失。

参考文献：

[1]王颖.乙烯裂解炉蒸汽安全阀故障分析及对策[J].石油化工设备，2015，44（06）：95-98.

[2]王子宗，何细藕.乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程[J].化工进展，2014，33（01）：1-9.

[3]马琳.乙烯裂解炉技术的进展[J].化工设备与管道，2010，47（01）：12-15.