高压锅炉给水泵自动循环阀故障原因分析及处理措施_邹波.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 4 月第 46 卷第 2 期Apr.2023Vol.46 No.21概述重庆建峰化工股份有限公司（简称建峰化工）第二套大化肥装置年产 45 万吨合成氨、80 万吨尿素，合成氨装置采用凯洛格 布朗路特公司组合合成氨工艺技术，尿素装置采用斯塔米卡邦二氧化碳汽提工艺。其中高压锅炉给水泵主要向高压汽包提供锅炉给水，泵出口各设有 1 台自动循环阀，用于离心泵最小流量的自动再循环。当泵的流量减小时，泵出口压力升高，自动循环阀的回流开度增大，从而确保泵的流量始终大于最小连续流量。高压锅炉给水泵参数见表 1。表 1高压锅炉给水泵参数项目参数泵型式9 级高压离心泵输送介质锅炉给水密度 （gcm-3）0.935操作温度 130额定流量 （m3h-1）318.34最小流量 （m3h-1）100扬程 m1 571入口表压（最大 额定）kPa734.7 300排出压力 MPa14.7轴功率 kW1 697.7泵输入功率 kW1 698.2转速 （rmin-1）2 980自动循环阀工作原理及扬程与流量的关系分别见图 12。高压锅炉给水泵自动循环阀故障原因分析及处理措施邹波，莫政辉，周志柯，毕崇仑（重庆建峰化工股份有限公司，重庆 408017）摘要：高压锅炉给水泵现配套使用的自动循环阀为第一代机械式自动循环阀，这种结构的自动循环阀在使用时一直存在回流泄漏的技术问题，严重影响装置安全生产及稳定运行。通过对阀门的结构型式进行技术换代，解决了高压锅炉给水泵出口自动循环阀内漏问题。关键词：高压锅炉给水泵自动循环阀冲刷内漏技术换代收稿日期：2022-08-22；收到修改稿日期：2023-02-01。作者简介：邹波，男，1988 年出生，大专学历，工程师，2011 年毕业于四川化工职业技术学院化工设备维修技术专业，现为重庆建峰化工股份有限公司工程技术员。联系电话：15826258253；E-mail：。图 1自动循环阀工作原理图 2扬程与流量的关系H0 零流量时的扬程；H100 正常流量对应的扬程；Hmax 最大流量对应的扬程；Hmin 最小流量对应的扬程；Qmin 泵最小连续稳定流量；Q100 泵正常运行流量；Qmax 泵额定 最大流量；Qp 泵流量是波动值自动循环阀是一种泵保护装置，给水泵在启动105第 2 期邹波等.高压锅炉给水泵自动循环阀故障原因分析及处理措施时或在负荷很低时，将在给水量很小或为零的情况下运行。水在泵体内因叶轮做功发热，使水温升高而汽化，导致汽蚀现象发生，造成给水泵的损坏。而自动循环阀避免了离心泵（尤其输送热水介质）在低负荷运行时泵体内可能出现的损害，一旦泵流量低于预设流量，回流完全打开以确保泵所需最小流量。即使主路完全关闭，最小流量也可以通过回流进行自动循环。2自动循环阀的运行情况高压锅炉给水泵采用汽轮机驱动，正常工艺操作中，为保证管道不憋压，一般采取泵出口阀全开，通过调整汽轮机转速控制高压锅炉给水泵给水量，在原始安装时，配套使用的自动循环阀是第一代结构型式循环阀，型号为 PSG-N12.07AS（介质温度130，正常流量 289.4 m3 h，最小连续稳定流量110 m3 h）。实际运行生产中发现同负荷下，汽轮机转速有不同的提高，并且通过泵效率计算，发现泵效率逐步降低，现场巡检发现高压锅炉给水泵出口回流听见清晰的水击声响，判断回流阀存在内漏造成部分脱盐水通过回流阀返回脱氧槽，泵效率下降。汽轮机蒸汽流量与泵转速统计见表 2。表 2汽轮机蒸汽流量与泵转速统计时间入口蒸汽流量 （m3h-1）汽轮机转速 （rmin-1）2020-05-149.154 8292020-05-159.104 8192020-05-169.094 8082020-05-179.114 8292020-08-259.364 8492020-08-269.354 8592020-08-279.454 8742020-08-289.384 8752020-08-299.334 8492021-01-3010.00 4 971 2021-01-3110.03 4 961 2021-02-0110.01 4 9612021-02-0210.00 4 9832021-05-1010.68 4 9942021-05-1110.50 4 9632021-05-1210.60 4 9632021-05-1310.61 4 972 2021-05-1410.39 4 9321）2016 年 1 月，装置停机大修，检查高压锅炉给水泵出口自动循环阀，发现阀芯损坏严重，该阀门为国外采购，无库存储备，故临时决定将主泵与备用泵调换阀门保障使用，后期重新采购同型号阀门更换备用泵出口的内漏阀门。2）2019 年高压锅炉给水泵在运行时，发现自动循环阀回流存在持续性内漏，并且有扩大趋势。通过利用装置停机机会检查自动循环阀，发现阀芯阀座存在冲刷腐蚀缺陷，造成阀门内漏。针对阀门密封面泄漏点进行修复研磨、更换内部零部件或整体更换阀门，在运行较短时间后，发现阀门内漏再次出现。2020 年 12 月装置大修，再次检查高压锅炉给水泵出口自动循环阀，发现回流端阀座阀芯等部件冲刷腐蚀严重。回流端冲刷腐蚀见图3。图 3回流端冲刷腐蚀3）20162021 年，装置生产时均发现汽轮机消耗蒸汽比正常操作时多 1.42 t h，导致生产成本增加，说明高压锅炉给水泵出口自动循环阀持续存在内漏问题。3自动循环阀内漏原因分析总结每次检维修记录，发现自动循环阀发生内漏，阀门回流端均发生损坏，而主阀阀芯阀座损坏不严重。在泵运行时多次使用听诊器、测温仪等检查工具现场检查自动循环阀各部位，发现阀门回流端内漏发生时温度变化和声响变化极为明显。故判断自动循环阀内漏的故障始发点为回流端。3.1阀门材料分析对照阀门材料表，阀门密封件材料采用标号为1.4122，牌号为 X39CrMo17-1 的德国进口马氏体不锈钢，密封“O”环采用 EPDM 三元乙丙橡胶热固性塑料。X39CrMo17-1（1.4122）钢的化学成分及力学性能分别见表 34。表 3X39CrMo17-1（1.4122）钢的化学成分%元素组成元素组成C0.330.45P最大值 0.040Si最大值 1.00S最大值 0.015Mn最大值 1.50Cr15.5017.50Ni最大值 1.00Mo0.801.301062023 年第 46 卷表 4X39CrMo17-1（1.4122）钢的力学性能参数数值抗拉强度 Rm MPa7509500.2%抗压强度 Rp0.2 MPa550冲击能量经度 （）+20冲击能量 J1420最小断裂伸长率 A，%12布氏硬度 HB280由表 3 和表 4 分析可知，在此种工况下，X39Cr Mo17-1（1.4122）作为阀门密封材料完全满足使用要求。密封“O”环三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物。其主要特性是优越的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀能力和优异的电绝缘性能，耐-40150 温度。由于三元乙丙橡胶属于聚烯烃家族，具有极好的硫化特性，使橡胶具有较好的抗张强度、抗撕裂强度。在所有橡胶当中具有最低的密度，在生产制造时其物理机械性能不受加工影响。综上所述，自动循环阀使用的密封材料均满足工艺工况使用，不是造成阀门内漏的主要原因。3.2阀门结构分析现使用的自动循环阀为第一代自动循环阀，其结构见图 4。图 4自动循环阀结构1 销钉；2 衬套；3 控制杆；4 圆片；5 冠形螺母；6 开口销；7 导向衬套；8 阀体法兰盖；9弹簧；10 六角螺母；11 双头螺栓；12“O”型密封圈；13“O”型密封圈；14 止动衬套；15 阀体；16 气缸螺栓；17 固定环；18 环形阀座法兰盘；19 导向衬套；20 锥形碟形弹簧；21 碟形弹簧导向；22 葫芦形主轴；23 旁路回流端法兰；24 葫芦形衬套；25 密封衬套；26“O”型密封圈；27 增压阶梯密封圈；28 增压阶梯密封圈；29 椎形阀座1）回流葫芦棒式结构中节流减压的物理过程会增加回流温度，温度的升高与介质内部能量转换、套筒与节流棒之间摩擦有关，如回流温度因长时间摩擦持续升高，不仅升高阀门本体温度，也增加了汽蚀风险，对阀门密封冲刷腐蚀，造成泄漏。2）葫芦棒中间的孔是为了平衡前端与未端的压力，当此孔出现损坏，将造成前、后端压力不平衡，导致泄漏量逐渐加大。3）回流端逆止功能存在问题，回流端压力大于主阀背压压力时，介质压力将回流端多级节流棒向右推入阀座而有止回功能，当回流端压力小于主阀背压时，则没有止回作用，介质将发生泄漏。4）回流端多级葫芦棒结构不仅有节流作用也有密封作用，葫芦棒开关密封面在回流末端，如果回流前端进入杂质，就会卡在葫芦棒与套筒之间，导致葫芦棒开关不能形成密封从而造成内漏，且压力流量越大、内漏量也越大，并会很快冲刷掉葫芦棒多节节流棒面，导致了额外的回流量，造成泵的总回流量增加和能量的浪费，降低泵的运行效能。同时，内漏介质长期冲刷泵壳内部，将对叶轮等部件造成损伤。5）阀门开启形式为开 关旁路，葫芦节流棒设计间隙有 5%内漏量，节流棒既是开关又是节流减压装置，通过葫芦棒与衬套撞击式工作，节流棒一旦有小的机械损伤，剩余部分损坏就会非常快，导致内漏量越来越大。同时，因设计间隙存在 5%的漏量，介质会直接冲击旁路，尤其是高温高压下长时间运行，内漏量越来越大，对旁路的冲刷更大。综上所述，在中高压工况下，自动循环阀回流管路中的葫芦棒节流凸出密封面磨损较快，对回流端阀芯阀座造成冲刷腐蚀，最终导致阀门回流端持续内漏。4 技术更新建峰化工第二套大化肥装置其合成及尿素装置共使用了 11 台自动循环阀，仅高压锅炉给水泵使用的是自动循环阀阀门，而其他 9 台均为 SSV 系列阀门（属于第二代结构形式），这是两种不同结构类型的产品，第二代结构采用的是旋转滑阀回流结构。与国内多家同行业氮肥厂进行沟通交流，发现同工况下的自动循环阀其均使用的是 SSV 系列阀门产品，使用效果非常好，未曾出现过阀门内漏问题。第二代技术的 SSV 系列自动循环阀的结构有以下特点：1）阀门旁路配带有旋转滑阀连续式小流量调节，旁路开关点位于旁路的前端，因此，泵达到正常107第 2 期邹波等.高压锅炉给水泵自动循环阀故障原因分析及处理措施运行流量工况时，阀门旁路闭合严密，且主路压力越大，旋转滑阀关闭越紧固，从而实现零内漏，对后端构件实现有效保护，降低磨损。同时，阀门开启形式根据工艺工况可进行连续性流量自动调节旁路，压力越大，旋转滑阀会越紧固，保障旁路始终无内漏。2）双级节流减压阀片每片节流降压 46 MPa，小孔成 90直角对冲，使液体有效实现软着陆，有效防止旁路内部冲击汽蚀。通过特殊设计的节流 90装置，介质在节流片内之间对冲，自身进行减压，不直接冲击旁路，避免了长期冲刷造成的密封泄漏。所有弹簧不直接受介质冲刷，构件设计巧妙稳定。3）旁路节流装置的材质采用的是标号 1.4581，牌号为 GX5CrNiMoNb19-11-2 的材料，其具有优越的耐应力腐蚀开裂性能、耐点腐蚀和缝隙腐蚀性能、抗氧化性和非氧化性热酸性能，在室温和高达 550时都具有很好的机械性能。1.4581 化学元素成分含量见表 5，旋转滑阀回流结构见图 5。表 51.4581 化学元素成分含量%成分CSiMnPSCrNiMoNb最小值1892最大值0.071.51.50.040.0320122.51图 5旋转滑阀回流结构根据泵参数，核对自动循环阀操作参数，保持阀门安装尺寸不变。更换后的自动循环阀操作参数见表 6。表 6自动循环阀操作参数参数数值参数数值介质温度 130.00泵压头 m188 000密度 （kgm-3）934.60100%泵压头 m163 000最大流量 （m3h-1）318.30吸入压力 MPa3.01100%流量 （m3h-1）289.40旁路背压 MPa3.01最小流量 （m3h-1）10 000压差 MPa172.372022 年 3 月，完成二代自动循环阀改