变压吸附系统程控阀故障原因分析及对策

杨 明^１ ，许志红^２ ，刘红星^１

摘 要：新乡中新化工有限责任公司乙二醇装置配套变压吸附 （ＰＳＡ）系统试生产阶段，程控阀故障频发，而程控阀的运行状况在很大程度上直接决定了 ＰＳＡ系统的运行状况，为此 ＰＳＡ系统先后进行了２次 技术改造，但第二次技改后生产阶段程控阀仍然出现了不少故障。经分析与梳理，试生产阶段程控阀故障主要是吸附剂泄漏所致，２０１８年二次技改后运行过程中出现的故障则主要是对程控阀缺乏维护保养造成的，在原因分析的基础上，中新化工对 ＰＳＡ系统程控阀进行优化改造，消除了不少问题。同时，通过总结多年来的运行维护经验提出了 ＰＳＡ系统程控阀日常运行维护管控的关键点。

关键词：变压吸附系统；程控阀；故障现象；原因分析；应对措施；优化改造；运行维护经验

0 引言

         新乡中新化工有限责任公司 （简称中新化工）ＰＳＡ系统是乙二醇装置的外围配套装置， 其主要任务是向下游乙二醇装置提供合格的原料 气—ＣＯ和 Ｈ２。该 ＰＳＡ系统由北京北大先锋科 技有限公司设计，２０１１年 ３月开始施工，２０１２ 年 ３月首次试车。由于试生产过程中出现 ＣＯ产 品气中甲烷含量高和吸附剂泄漏的问题，影响系 统自身及下游系统的安全、稳定运行，ＰＳＡ系统先后进行了２次技术改造，２０１８年３月第二次技改完成后投运。以下对有关情况作一简介。

1 ＰＳＡ系统运行概况

         ＰＳＡ系统是高度自动化的气体分离装置，每个运行周期吸附塔都必须经历多个工艺步骤，而这些工艺步骤是按照设定好的自控程序通过程控阀稳定、有序启闭实现切换的，ＰＳＡ系统程控阀运行状况良好与否直接决定了ＰＳＡ系统能否安全、稳定运行，而中新化工 ＰＳＡ系统自２０１２年３月份试车以来，因程控阀故障多次造成 ＰＳＡ系统和下游乙二醇装置停车，具体如下。

1.1 第一阶段—试生产阶段

         工程建设阶段，由于在设备监制及进厂检验 环节把关不严，ＰＳＡ吸附塔下分布器存在间隙大、丝网破损、丝网未压实、螺栓未把紧等一系列问题，设计院现场代表建议将存在的问题处理 后再进行吸附剂装填和试车工作，以免出现吸附剂泄漏问题并损坏程控阀，但当时由于工程进度节点要求在 ２０１２年初开车产氢，ＰＳＡ系统存在的问题没有彻底处理就进行了吸附剂装填、试车，结果试生产阶段出现了吸附剂大量泄漏致程控阀阀芯冲刷内漏的问题；尤其是 ２０１３年 ３月首次技改时将原设计均压调节阀去掉后，系统出现了严重的吸附剂粉化问题；２０１３年 ５月 ＰＳＡ 系统重启后，２０１３年 ７—９月期间，ＰＳＡ系统连续运行时间没有超过１个月的，每次 ＰＳＡ系统停车，在程控阀 （含密封面、密封壳———程控阀密封壳即平衡缸，其通过平衡管与阀体通道相 连）和管道内均能发现大量的吸附剂颗粒及粉尘，并伴随大量程控阀出现内漏的迹象。

         分析认为，此阶段造成程控阀故障的原因有二：一是吸附剂泄漏造成阀芯及密封面受到冲刷，密封面损伤后密封失效；二是吸附剂粉尘通过平衡管进入密封组件，造成密封组件摩擦力加大，阀杆上附着大量粉末而致阀门卡涩，甚至造成密封Ｏ型圈干磨，平衡缸外壁出现断裂。

1.2 第二阶段—二次技改后生产阶段

         ２０１３年底，中新化工委托维保公司对 ＰＳＡ 系统所有程控阀进行了加油保养，但因各种各样的原因，ＰＳＡ系统第二次技改一直拖延至 ２０１７ 年底才艰难结束，此期间程控阀在现场经受各种自然环境考验，未进行过任何维护保养。

分析认为，此阶段程控阀故障大多由维护保养不善引起，同时 ＰＳＡ系统长周期、高负荷运行也暴露出程控阀设计制造方面的缺陷。

2 程控阀故障原因分析及应对措施

2.1 维护保养不善引起的故障

2.1.1 程控阀反馈故障

故障现象：程控阀在运行过程中出现开、关故障报警，但吸附塔压力正常，程控阀现场动作与程序要求一致，只是反馈不正常。

         原因分析：受阀门开关震动的影响，程控阀开关检测头与霍尔开关出现松动，霍尔开关与检测头间隙超出设计要求，出现反馈故障。

         应对措施：每周定期检查阀检霍尔开关紧固情况，有松动时及时消除。

2.1.2 程控阀打开故障

  故障现象：程控阀在运行过程中出现开故障报警，吸附塔压力未按程序要求升高或降低，出现异常，程控阀现场动作与程序要求不一致。

         原因分析：① 电磁阀卡涩—两位五通电磁阀缺乏维护保养，滑块不动作或有异物卡住；② 电磁阀线圈损坏—电磁阀线圈露天安装， 日晒高温下老化损坏；③ 阀门接线端子卡接线松动，开关信号传输不良；④ ＤＣＳ机柜安全栅损坏，无输出信号。

         应对措施：① 严格控制程控阀仪表空气质量，不得含有微量粉尘和水分，且定期更换电磁阀并进行维护保养；② 电磁阀线圈增设防晒设施；③ 定期检查接线端子接线情况；④ 更换损坏的ＤＣＳ机柜安全栅。

2.1.3 程控阀开关延时故障

         故障现象：程控阀在运行过程中出现开、关延时故障报警，但吸附塔压力正常，程控阀现场动作与程序要求一致，只是未在程序设定时间内开、关到位，出现延时报警。

原因分析：程控阀开关平衡活塞在气缸内上下运动的过程中缺乏润滑而卡涩，阀门开、关迟 缓；或仪表气缸窜气造成阀门开、关迟缓。

         应对措施：平衡缸活塞卡涩引起的阀门开、关延时故障，可能是吸附剂粉尘进入平衡缸导致了活塞润滑不良，有停车机会要打开检查及处理；对于仪表气缸窜气引起的阀门开、关延时故障，要定期检查，发现有润滑不良的情况时要及时加油，以免发展到窜气的阶段。

2.1.4 程控阀关闭故障

         故障现象：程控阀在运行过程中出现关故障 报警，吸附塔压力出现异常，程控阀现场动作与 程序要求不一致。

原因分析：两位五通电磁阀缺乏维护保养， 滑块不动作或有异物而致卡涩。

应对措施：严格控制程控阀仪表空气质量，不得含有微量粉尘和水分，定期更换电磁阀并进行维护保养。

2.1.5 程控阀内漏

         故障现象：均压步骤 ２台吸附塔压力一致 时，程控阀有内漏的吸附塔压力缓慢降低；抽真 空步骤时，ＣＯ产品气中 Ｈ_２含量上升。

         原因分析：一方面，吸附剂粉化或泄漏，程控阀开关时粉尘随气流进入而对程控阀密封面形成冲刷，密封失效而致内漏；另一方面，粉尘积聚在平衡缸和平衡盘下部空间，和润滑脂形成油泥，造成平衡缸内密封Ｏ型圈磨损，密封失效而引起内漏。

         应对措施：首先加强源头控制，加强设计、 制造、装配等环节的过程监管，尤其是吸附塔底部分布器，在吸附剂装填前不能有缺陷；其次要严格管控装填、试压、吹扫、生产等环节，尽量避免误操作引起的窜压事故，严禁超负荷生产； 再者要利用停车机会检查吸附塔顶部格栅板情况，如有倾斜和吸附剂下沉，立即进行纠正。

2.2 程控阀设计制造缺陷引起的故障

2.2.1 ＤＮ４００程控阀平衡缸阀杆断裂

         故障现象：２０１９年 ９月 ２８日 ＰＳＡ-ＣＯ系统 ＤＮ４００程控阀检修时，吊装过程中出现平衡缸阀杆断裂；２０１９年 １２月 １５日的生产中，ＤＮ４００ 程控阀按照程序要求动作，但吸附塔压力未随工艺步骤降低，初步判断 ＤＮ４００程控阀阀芯脱落， 打开检修时发现平衡缸阀杆断裂。

         原因分析：ＤＮ４００程控阀平衡缸阀杆为两段式结构，下段装配结合部大头部位设计厚度１０ｍｍ，对断裂阀杆进行现场测量，实际结合部大头部位只有 ６～８ｍｍ，即存在加工制造缺陷， 存在薄弱环节，长期使用后出现了疲劳断裂。

         应对措施：联系程控阀生产厂家，重新校核计算 ＤＮ４００程控阀阀杆强度并重新设计制造，利用检修机会予以更换。

2.2.2 ＤＮ４００程控阀平衡盘出现裂纹

故障现象：ＣＯ产品气中 Ｈ_２ 含量周期性升高，产品气纯度下降致下游乙二醇装置停车

         原因分析：通过与程控阀生产厂家交流，一方面认为可能是该批次备件本身存在缺陷；另一方面可能是第二次技改后系统设计温度升高所致 —ＰＳＡ系统原设计温度 ４０℃，技改后设计温度 （７０±５）℃，尤其是在吸附剂还原阶段，最高温度达１５０℃，ＤＮ４００程控阀平衡盘材质为灰铸铁，高温下灰铸铁强度下降导致出现裂纹。

         应对措施：① 程控阀生产厂家校核计算 ＤＮ４００程控阀平衡盘强度，按照实际运行温度重新设计制造 ＤＮ４００程控阀平衡盘；② 因ＰＳＡ—ＣＯ系统逆放和抽真空步骤 ＤＮ４００程控阀的工作 状况直接影响 ＣＯ产品气的质量，除了消缺外， 还将 ＰＳＡ—ＣＯ系统逆放和抽真空步骤的 ＤＮ４００程 控阀改为单向阀门，将原阀门平衡管用堵头封堵，原平衡管取消后，在平衡活塞中间钻孔，以 免影响阀门开、关速度；③ 预处理系统和 ＰＳＡ—Ｈ_２系统的 ＤＮ４００程控阀，其工作状况对系统的影响相对较小，故只进行了消缺处理—更换为重新设计制造的阀杆。

2.2.3 程控阀设计制造缺陷的优化改造

         （１）ＰＳＡ-ＣＯ系统 ＤＮ４００程控阀改造内容： ① ＤＮ４００程控阀平衡缸阀杆大头部外径增加 １０ｍｍ、长度增加 ２０ｍｍ；② 平衡活塞盘中间凹陷处加工 φ４ｍｍ×１６ｍｍ的通气孔；③ 阀杆长度增加后，将阀检垫高 ２０ｍｍ；④ 将原平衡管拆除，上阀体和下阀体接头用堵头封堵。

         （２）ＰＳＡ-Ｈ_２系统和预处理系统 ＤＮ４００程控阀改造内容：① ＤＮ４００程控阀平衡缸阀杆平衡盘装配部位外径增加 １５ｍｍ，大头部外径增加 １０ｍｍ、长度增加 ２０ｍｍ；② 平衡活塞盘中间孔 孔径改为 φ８０ｍｍ，凹陷处一侧填满，另外一侧 由 φ３２０ｍｍ改为 φ１５０ｍｍ，深度由 ５０ｍｍ改为３０ｍｍ；③ 阀杆长度增加后，需将阀检垫高 ２０ｍｍ；④ 原平衡管保持不变。

3 运行维护经验

         ２０１８年 ３月至今，因 ＰＳＡ系统程控阀故障造成乙二醇装置停车共 １８次，其中，因电磁阀卡涩致停车１０次，因程控阀现场接线端子松动、接线老化引起阀门开关失灵致停车４次，因程控 阀打开故障造成的停车 ２次，ＤＣＳ机柜程控阀保 险失电引起阀门开关失灵致停车２次；程控阀设 计制造方面的缺陷仅限于２０１９年 ９月 ２８日和 １２ 月 １５日的平衡缸阀杆断裂和ＤＮ４００平衡盘裂纹 这两个方面。总结多年来 ＰＳＡ系统程控阀的运 行经验，笔者认为，日常运行维护中应加强以下 几个方面的管控。

         （１）粉尘对程控阀的危害是致命的，需加强源头治理。第一，要做好吸附塔在设计、制造、装配等环节中的过程监管，尤其是吸附塔底部分布器，在吸附剂装填前不能有缺陷；第二，要加强吸附剂装填的管控，应严格按照设计要求进行装填，达不到设计要求时要暂停装填，待问题解决后再继续装填，以免日后运行中出现因吸附剂下沉、浮动空间增大而致吸附剂粉化等问题，后患无穷；第三，要加强工艺管控，系统试压、气密试验、吹扫等手动操作环节要严格避免误操作引起的窜压事故；第四，要加强系统生产管控，严禁超负荷运行，据ＰＳＡ系统的运行经验，超负荷运行必然要缩短步骤切换时间，要想达到均压平衡必然要开大均压调节阀，气体流速增加引起的吸附剂粉化必然加剧；第五，要利用停车机会检查吸附塔顶部格栅板状况，如有倾斜、吸附剂下沉较多的情况，应立即予以纠正。

         （２）逆放、抽空等特殊部位的程控阀，尽可能选择没有平衡缸的单向阀，如此一来，即使误操作也打不开，不会造成严重的后果，且阀杆为一体式结构，强度高，不易损坏。

         （３）加强仪表气源管理，严禁不合格的仪 表气用于 ＰＳＡ系统，否则将对电磁阀造成不可逆的损伤。

         （４）程控阀之电磁阀、气控阀、电磁线圈 等仪表元件要有防尘、防日晒雨淋措施。

         （５）严格管控程控阀现场安装质量以及 ＤＣＳ机柜、现场接线元件及接线的质量。

4 节语

          综上所述，中新化工 ＰＳＡ系统试生产阶段程控阀故障主要是吸附剂泄漏所致，２０１８年第 二次技改后生产中出现的程控阀故障则主要是缺乏维护保养造成的。通过两次技改，消除了不少问题，但仍有不少地方亟待完善，尤其是在程控阀的日常运行维护方面，应加强粉尘的源头治理，逆放／抽空等步骤程控阀应尽可能选择没有平衡缸的单向阀，加强仪表气源管理，程控阀之仪表元件要有防尘及防日晒雨淋措施，严格管控程控阀现场安装质量，这样才能提高程控阀运行的可靠性，保障 ＰＳＡ系统的安全、稳定运行。

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