焦炭塔頂蓋機(jī)故障分析及防范措施

張塞

（中國石化燕山分公司煉油廠，北京 102500）

關(guān)鍵字：延遲焦化 頂蓋機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 故障分析

1 焦炭塔頂蓋機(jī)概況

1.1 基本概況

焦炭塔是焦化裝置的核心設(shè)備，隨著裝置自動化程度的提高，國內(nèi)外各大石油公司都逐步采用頂?shù)咨w機(jī)技術(shù)，縮短了焦炭塔的生焦周期，提高了裝置的處理能力。但隨之也帶來了一些新問題，自動頂?shù)咨w機(jī)事故在國內(nèi)外均發(fā)生過[1]。國外自20世紀(jì)90年代以來，陸續(xù)開發(fā)了多款自動頂?shù)咨w機(jī)，其技術(shù)類型分為兩種：一種是采用法蘭密封技術(shù)，另一種是采用閥門密封技術(shù)，以DeltaValve，Z&J 公司為代表，目前在國內(nèi)外各大石油公司均有應(yīng)用[2]。2003 年之前焦炭塔上用的是傳統(tǒng)人工開啟的頂蓋機(jī)。傳統(tǒng)頂蓋機(jī)采用螺栓連接，開啟、關(guān)閉次數(shù)頻繁，手工操作強(qiáng)度大。2003年以后，國內(nèi)石化設(shè)計單位及設(shè)備生產(chǎn)廠家，在引進(jìn)吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一種類型的自動頂?shù)咨w機(jī)[3]。

燕山石化煉油部延遲焦化裝置采用DZFC 電動雙暗桿閘板閥頂蓋機(jī)。電動雙暗桿閘板閥為矩形閘板閥，通過雙軸伸電機(jī)驅(qū)動兩根絲杠實現(xiàn)閘板的開合運(yùn)動，是一種按鈕操作的全密閉、易操作，具有可靠密封性能的全自動設(shè)備，安全性好，運(yùn)行成本低。

1.2 基本結(jié)構(gòu)和原理

DZFC 頂蓋機(jī)由驅(qū)動、閥體部分組成。閥體部分由殼體、封頭、閘板、密封座、絲杠等組成。閥體部分質(zhì)量近4.5 t，其外形為矩形，中間閘板為矩形平板，閥體部分最大外形尺寸為3600×1200×900 mm，結(jié)構(gòu)與普通大口徑高溫平板閘閥相似，殼體和封頭材質(zhì)為ZG15CrMo，上下壓蓋材質(zhì)為15CrMo（鍛件），閘板材質(zhì)為1Cr5Mo（表面滲氮），上下密封環(huán)材質(zhì)為15CrMo（鍛件），絲杠材質(zhì)為316，碟簧材質(zhì)為GH4169/30W4Cr2V，梯形螺母材質(zhì)為QA110-4，密封墊、盤根材質(zhì)為石墨帶茵絲，螺栓材質(zhì)為25Cr2MoVA，螺母材質(zhì)為35CrMo。

驅(qū)動部分主要包括電機(jī)（YB3-100L2-3-4），電機(jī)通過減速機(jī)（K77 AM100 M4 A+B）帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠與閘板通過梯形螺母聯(lián)接，從而帶動矩形閘板做往復(fù)運(yùn)動來實現(xiàn)開、關(guān)。頂蓋機(jī)設(shè)計壓力為0.5 MPa，設(shè)計溫度為500℃，介質(zhì)為高溫油氣、水蒸氣，密封蒸汽耗量≤100 kg/h，密封蒸汽壓力為0.6 MPa，試用塔口直徑為φ900 mm，啟閉油缸行程為780 mm，開/關(guān)閥時間為≤3 min。

閘板閥采用金屬硬密封，在開關(guān)閥過程中密封力不卸載。在閘板下部設(shè)置20組碟簧提供足夠的密封力，使密封比壓達(dá)到相關(guān)閥門設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的最小密封必須比壓，而又不大于金屬密封環(huán)的滑動閘閥的最大密封比壓。密封副能夠隨著溫度的變化自動吸收膨脹與補(bǔ)償收縮。工作時閥內(nèi)高溫密封環(huán)內(nèi)及閥體兩端封頭內(nèi)均通蒸汽，蒸汽壓力采用定壓控制，壓力高于介質(zhì)壓力0.1 MPa 以上，起輔助密封作用。兩端封頭與閥體采用方法蘭連接，密封形式采用雙金屬自密封波齒墊。

1.3 焦炭塔工藝流程

延遲焦化工藝流程采用一爐兩塔配置，加熱爐連續(xù)進(jìn)料，焦炭塔并聯(lián)切換操作。原料油在焦炭塔中發(fā)生裂解和縮合反應(yīng)，裂解產(chǎn)生的輕烴和油氣進(jìn)入分餾塔，縮合產(chǎn)生的焦炭聚集在焦炭塔中，焦炭塔作為焦化裝置的反應(yīng)器需要從常溫提升到320℃才具備切換條件[4-5]，當(dāng)塔中的焦炭聚集到一定的高度時，通過四通閥進(jìn)行切換，使原料油進(jìn)入另一個焦炭塔，反應(yīng)后的焦炭塔又從440℃逐漸降低至80℃才具備水利除焦條件。除焦之前需要冷焦，冷焦的工藝過程一般包括小吹氣、大吹氣、給水、放水。小吹氣是為了把油氣吹到分餾塔，大吹氣和給水使產(chǎn)生的油氣和蒸汽到放空塔，放水使塔頂?shù)囊缌魉屠浣菇Y(jié)束時塔底水排到冷焦水處理部分，待塔內(nèi)水排放完后，用人工或者自動頂蓋機(jī)和底蓋機(jī)分別打開塔頂和塔底法蘭蓋，利用高壓水進(jìn)行除焦，除焦完成后封閉焦炭塔頂和底法蘭蓋，用蒸汽驅(qū)趕塔內(nèi)空氣并進(jìn)行密封性實驗等操作，隨后對焦炭塔進(jìn)行預(yù)熱達(dá)到暖塔溫度后，切換四通閥使原料油進(jìn)入該焦炭塔中進(jìn)行裂解和縮合反應(yīng)，另一個焦炭塔則進(jìn)行冷焦、除焦、切焦、暖塔等操作，兩個焦炭塔循環(huán)交替運(yùn)行，一般18～24 h進(jìn)行一次切換焦炭塔的操作，目前焦化裝置生焦周期為20 h。

2 故障分析及處理措施

近3 年焦炭塔頂蓋機(jī)共發(fā)生故障4 起，故障部位主要是機(jī)械部分和控制部分。2015年11月9日發(fā)生減速機(jī)軸承磨損故障，主要原因是免維護(hù)軸承使用時間較長，軸承進(jìn)水導(dǎo)致軸承損壞。2017 年9月16日頂蓋機(jī)限位開關(guān)損壞，原因是由于閥桿在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中沖力過大，造成接近開關(guān)處彈簧頂彎以及閥體內(nèi)部接近開關(guān)擋板處變形、彎曲、斷裂。2017年9月23日和2018年11月6日頂蓋機(jī)發(fā)生無法開啟故障。

2.1 故障現(xiàn)象

2017 年9 月23 日和2018 年11 月6 日頂蓋機(jī)故障類型一致，以最近一次進(jìn)行失效機(jī)理分析。2018年11月6日12時00分，焦炭塔C-2101/A開始除焦，此時頂蓋機(jī)電機(jī)跳。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)繼電保護(hù)器啟動。電機(jī)復(fù)位后，電機(jī)再次跳閘，初步判斷可能由于頂蓋機(jī)驅(qū)動銅套發(fā)生磨損。將頂蓋機(jī)閥板壓緊螺栓松動，降低壓緊力后進(jìn)行試驗，仍然無法動作。12 時25 分，拆卸頂蓋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)齒輪，判別東側(cè)和西側(cè)絲桿是否有問題，西邊第一個齒輪拆下后，東側(cè)絲桿利用原有電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，東側(cè)絲桿的齒輪可以靈活旋轉(zhuǎn)；隨后將東側(cè)第一個齒輪拆下后，西側(cè)絲桿利用原有電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，西側(cè)絲桿齒輪沒有反應(yīng)。判斷可能由于西側(cè)絲桿和銅套發(fā)生黏合，影響頂蓋機(jī)的開啟。14時15分，東側(cè)絲桿利用原有電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，將西側(cè)絲桿上的齒輪拆掉后利用人工替代，將閥板逐步打開。14 時30分，閥板頂?shù)轿唬b置開始除焦。15時30分，對頂蓋機(jī)西側(cè)絲桿進(jìn)行拆除，絲桿傳動銅螺母和絲桿已經(jīng)黏合在一起。

2.2 故障原因分析

圖1 和圖2 為2017年9 月23日頂蓋機(jī)故障現(xiàn)場拆解情況，頂蓋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)拆卸后發(fā)現(xiàn)，絲杠與銅套磨損嚴(yán)重，絲扣已經(jīng)全部切掉，銅套失效。

圖3 和圖4 為2018 年11 月6 日A 塔頂蓋機(jī)故障現(xiàn)場拆解情況，如圖所示，絲杠與銅套磨損黏連在一起，無法動作。

圖1 絲杠磨損情況

圖2 更換的新銅套

圖3 兩側(cè)的絲杠圖

首先，兩次故障均為絲杠與銅套之間運(yùn)動失效導(dǎo)致。閘板的開關(guān)是通過電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動左右絲桿的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。因此，在此過程中應(yīng)確保左右絲桿的同步動作。否則，閘板左右行駛距離不一致，導(dǎo)致閘板位置卡死，無法移動。而閘板在密封力作用下，兩側(cè)絲桿驅(qū)動閘板開關(guān)時，由于絲杠及銅套加工精度及安裝尺寸的偏差，絲杠與螺母副的嚙合間隙有0.3 mm，導(dǎo)致閥板在開關(guān)過程中，密封座采用浮動密封座，隨著閥板進(jìn)入密封座程度變化（從開到關(guān)逐漸增加），受到的總密封力不變，但分解在閥板兩側(cè)的力不一樣，導(dǎo)致兩側(cè)絲杠在閘板開關(guān)時行駛距離不一致，同時絲杠在定位套內(nèi)，隨著螺母運(yùn)行至絲杠遠(yuǎn)端，因絲杠剛性，會造成閘板在水平方向左右擺動。這些都會導(dǎo)致在頂蓋機(jī)開關(guān)時兩側(cè)的絲桿受力不一致，運(yùn)行一定時間后或突然非正常工作會造成兩側(cè)的絲桿螺母副磨損和咬合不一樣，使閘板在運(yùn)行時偏斜著前進(jìn)、后退。最終導(dǎo)致某一側(cè)螺母受軸向驅(qū)動力大，絲桿絲扣和銅螺母絲扣黏合在一起，發(fā)生頂蓋機(jī)故障。針對電機(jī)跳閘問題，在閘板移動過程中，到達(dá)兩處極限位置時，兩邊的接近開關(guān)發(fā)出信號，控制閘板的移動，如果此時接近開關(guān)出現(xiàn)問題，信號反饋不正常，閘板到達(dá)極限位置時，將無法繼續(xù)移動，而電機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，這樣就極易導(dǎo)致電機(jī)燒壞，出現(xiàn)安全事故。

其次，在頂蓋機(jī)日常運(yùn)行過程中，對頂蓋機(jī)維護(hù)不夠，定期加油不足，導(dǎo)致絲杠潤滑不足和不均。另外，技術(shù)管理人員和操作人員對電動雙暗桿閘板閥在運(yùn)行中的實際情況了解不足，沒有定期檢查各聯(lián)接部位的緊固情況、各潤滑點處是否充分潤滑，對頂蓋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有無異常響聲、振動、松動、卡阻等情況沒有制定相應(yīng)預(yù)知維修策略，也是頂蓋機(jī)發(fā)生故障的原因[6]。

2.3 防范措施

1）在頂蓋機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計上限制水平方向閘板的運(yùn)動，使左右兩側(cè)的絲桿螺母受力一致，保證兩側(cè)絲杠運(yùn)行同步。

2）開蓋之前檢查絲杠是否干凈，關(guān)蓋之前，需要在絲杠處加油，保證絲杠銅套潤滑。同時定期對頂蓋機(jī)上電機(jī)的軸承箱和齒輪箱加油，軸承箱每周加XG/ET2一次，齒輪箱每周加70#齒輪油一次。

3）加強(qiáng)施工維保人員對頂蓋機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)能力，提高維保人員的素質(zhì)，加強(qiáng)監(jiān)測，制定相應(yīng)預(yù)知維修策略，從而降低故障頻率。

4）加強(qiáng)技術(shù)管理人員和操作人員對頂蓋機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和操作技能的培訓(xùn)，正確處理生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題。

采取上述措施后，截止目前頂蓋機(jī)運(yùn)行正常，未發(fā)生相關(guān)故障，保證了焦化裝置的長周期運(yùn)行。

3 結(jié)論

“環(huán)境友好、清潔生產(chǎn)、最大限度的減少各類排放物”是延遲焦化裝置綠色低碳發(fā)展的要求和方向。焦炭塔是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，頂蓋機(jī)又是焦炭塔的核心設(shè)備，頂蓋機(jī)的正常運(yùn)行直接關(guān)系全裝置的安全長周期運(yùn)行，頂蓋機(jī)故障泄漏出高溫蒸汽、油汽、焦粉和少量有毒氣體，對環(huán)境和人身健康產(chǎn)生一定的危害，只有保證焦炭塔系統(tǒng)和密閉除焦系統(tǒng)的安全長周期運(yùn)行，才能從源頭上改善延遲焦化裝置現(xiàn)場的環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)以及企業(yè)綠色低碳發(fā)展。