宋文明，劉嘉琪，何劍華，劉 穎

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714)

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尿素合成塔安全閥頻繁起跳原因分析與對策

宋文明，劉嘉琪，何劍華，劉 穎

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714)

重點從工藝運行、安全閥整定校驗、整定壓力設定、現(xiàn)場安裝及保溫情況(安全閥的彈簧、閥瓣、波紋管等主要部件檢查情況)等5個方面進行深入分析，得出安全閥頻繁起跳的準確結論；提出了重新設計并更換彈簧以增加彈簧剛度、優(yōu)化設計新型閥瓣以改善閥瓣受力、修復波紋管與分隔板之間的密封面和重新調整安全閥冷態(tài)整定壓力以提高安全系數(shù)共計4項解決方案；同時針對高壓安全閥提出了檢修過程中增加波紋管氣密性檢查的要求和辦法、增加對彈簧表面滲透檢測和防腐檢查及對彈簧腔采取強制通風降溫措施等方面的預防對策，值得借鑒。

尿素合成塔 安全閥 頻繁起跳 原因分析 對策

化肥廠尿素合成塔出氣安全閥位于框架7樓，是裝置最關鍵安全閥。該位置共計有3臺型號相同的安全閥，規(guī)格為DN80，PN26 MPa，整定壓力為15.62 MPa。其中有兩臺是2005年改造時安裝的(PSV221/PSV220)；另一臺是2008年增加的，3臺安全閥均為德國進口。在正常操作的情況下，兩臺投用，一臺在線備用。安全閥操作介質為尿素和甲銨，結構形式為閥體帶有蒸汽夾套，彈簧為雙彈簧結構，閥腔與彈簧腔由分隔板和波紋管密封隔離開，彈簧腔為全封閉形式，上下留有5 mm的通風孔，閥瓣與彈簧導向桿通過調心滾珠相連。

自2005年改造開工后至2015年，尿素合成塔出氣安全閥多次未達整定壓力起跳，其中自2012年8月至2014年9月期間起跳達5臺次，造成尿素高壓系統(tǒng)甚至裝置整體異常波動，已成為影響尿素裝置安全平穩(wěn)運行的隱患。

1 原因分析

1.1 工藝方面

安全閥起跳前，裝置生產(chǎn)運行平穩(wěn)，系統(tǒng)壓力均沒有達到安全閥整定壓力，所以與工藝運行無關。

1.2 設備方面

1.2.1 安全閥校驗情況

該3臺安全閥曾分別在北京和大慶進行多次校驗，有多人見證，安全閥校驗數(shù)值準確可靠。同時在冷態(tài)情況下校驗，已考慮到實際運行溫度1%的整定壓力修正系數(shù)，即冷態(tài)時的整定壓力實際值為15.78 MPa和16.06 MPa。所以不存在安全閥整定壓力不準的問題。

1.2.2 安全閥整定壓力設定方面

經(jīng)查建廠的原始資料，合成塔出氣安全閥整定壓力為16.23 MPa；查2005年擴能改造設計資料，該安全閥整定壓力設定為15.62 MPa；查合成塔201D設備原始檔案，設備設計壓力為16.23 MPa 。

設備操作壓力為14.50 MPa，安全閥的整定壓力執(zhí)行的是15.62 MPa。由此可知，安全閥的整定壓力與工作壓力的比值為1.076 7，是符合GB150.1—2011《壓力容器》標準要求的。所以，安全閥的整定壓力值并不是安全閥起跳的主要原因。但現(xiàn)在的安全閥整定壓力與原始建廠時的定壓值相比，降低了0.606 MPa，致使安全閥更敏感，尤其是在安全閥受到溫度、壓力波動沖擊時或彈簧產(chǎn)生應力松馳時，更容易誤動作而起跳。

1.2.3 安全閥現(xiàn)場安裝及保溫情況

安全閥現(xiàn)場安裝，由人工先抬到電梯內，再運至7樓，最后抬到安裝位置，用手動葫蘆安裝就位，整個過程不存在磕碰問題；

現(xiàn)場閥體有保溫，彈簧腔部位無保溫。

1.2.4 安全閥本體方面

(1)彈簧。PSV220和PSV221安全閥兩次起跳的根本原因就是彈簧斷裂。2013年2月28日起跳的PSV220安全閥彈簧表面輕微銹蝕，斷口為脆性斷裂。2014年9月7日起跳的PSV221大小彈簧斷口見圖1和圖2。

圖1 大彈簧斷口

圖2 小彈簧斷口

分析彈簧外觀：2015年7月檢修期間，將安全閥PSV221拆下后，解體檢查發(fā)現(xiàn)。兩個彈簧上半部分防腐蝕漆基本完好，無銹蝕；自彈簧中部開始至底部，銹蝕越來越嚴重，底部銹蝕最嚴重，內部小彈簧比外部大彈簧銹蝕嚴重，在彈簧座上發(fā)現(xiàn)有很多的鐵銹碎屑；兩個彈簧斷裂位置均在第2圈，斷口與彈簧軸線呈40°～50°夾角；大彈簧自下而上第4圈表面和小彈簧底部有白色結晶物。分析腐蝕原因主要是由于波紋管密封點泄漏，造成安全閥正常投用和起跳時，蒸汽和甲銨介質分別泄漏進入彈簧腔，造成大小彈簧的腐蝕。

分析彈簧斷口：小彈簧斷口表面氧化呈銹紅色，外觀老舊；斷口上部可見明顯的剪切唇和瞬斷區(qū)，在右上部和下部可見疲勞條帶輝紋，下部邊緣顏色相對較暗，應為早期斷裂區(qū)域，裂紋開始于下部，斷口為疲勞斷裂形態(tài)[1]；大彈簧底部3圈外表局部存在腐蝕凹坑，斷口表面銹蝕，下部斷口比上部銹蝕重，但都比較新鮮，可以清晰看到開裂始點，源于點蝕缺陷，放射紋由外側點蝕點開始貫穿整個截面，無塑性變形，斷口為脆性斷裂形態(tài)。

彈簧的使用情況：經(jīng)查安全閥自2005年以來共有6臺安全閥發(fā)生了彈簧斷裂，其中4臺是蒸汽系統(tǒng)安全閥，2臺是尿素合成塔出氣安全閥，從現(xiàn)場安全閥使用情況分析，該廠家安全閥彈簧可能由于在回火熱處理時出現(xiàn)回火脆性[2]。

大小彈簧的表面腐蝕，尤其是點蝕坑的形成主要是由于甲銨等介質腐蝕造成；由小彈簧的斷口可知，PSV221安全閥前幾次起跳與小彈簧出現(xiàn)裂紋有關；彈簧本身的回火脆性加劇了裂紋的擴展。

(2)閥瓣。2013年PSV220安全閥解體，測量閥瓣整體厚度為16.5 mm，但背部安裝調心滾珠部位厚度僅為9 mm；閥瓣密封面內側局部存在凹坑制造缺陷，深2 mm。

(3)波紋管。2013年7月，檢修發(fā)現(xiàn)PSV221安全閥波紋管與彈簧分隔板硬密封處泄漏，水蒸汽和甲銨可由此進入彈簧腔。

PSV220和PSV220A以及PSV221起跳主要是由于安全閥的設計和彈簧制造質量存在問題而導致。PSV221安全閥頻繁起跳原因主要是由于波紋管泄漏造成的彈簧腐蝕，導致彈簧應力松馳和彈簧斷裂而頻繁起跳。

2 解決方案

(1)更換3臺安全閥彈簧，PSV220于2013年3月更換彈簧，PSV220A和PSV221于2015年7月更換彈簧，并增加彈簧剛度，小彈簧剛度由0.108 kN/mm增加至0.143 kN/mm，大彈簧剛度由0.368 kN/mm增加至0.430 kN/mm。

(2)重新設計閥瓣，增加閥瓣背部安裝調心滾珠部位厚度，見圖3和圖4。

圖3 原閥瓣

圖4 新設計閥瓣

(3) 修復波紋管與彈簧分隔板之間的密封面。

(4)重新調整安全閥冷態(tài)整定壓力，綜合考慮溫度修正[3]系數(shù)1%的影響，將起跳值提高至16.40 MPa，符合GB150.1—2011《壓力容器》標準要求。

3 預防對策

(1)在安全閥校驗過程上，增加波紋管密封點的檢查，可以在校驗安全閥整定壓力時，在出口處對閥腔進行氣密試驗。

(2) 通過對安全閥彈簧應力分析可知，剪應力最大處位于彈簧頂部和底部第3圈[4]。同時安全閥運行中，應避免頻繁起跳，起跳使彈簧前三個彈簧圈首當其沖承受載荷，而不能迅速而有效地載荷傳遞給其它彈簧圈，容易造成彈簧前三圈的疲勞破壞[5]。所以對于高壓安全閥的校驗過程中，應增加對彈簧的表面滲透檢測項目，重點檢查頂部和底部三圈。

(3)每次校驗時，檢查彈簧并對其進行除銹防腐，防止因彈簧腐蝕而產(chǎn)生的應力松弛。

(4)安全閥彈簧罩的通氣孔，應接入空氣強制通風降溫；同時應做好防雨水流入措施。

4 結 語

通過對尿素合成塔出氣安全閥頻繁起跳問題的研究，綜合對安全閥的工藝運行、整定校驗、施工安裝、安全閥內件解體檢查4個方面深入分析，得出安全閥頻繁起跳的準確結論。提出了重新設計彈簧和閥瓣、調整安全閥整定壓力的解決方案，運行效果良好；同時提出增加波紋管氣密性檢查和彈簧表面滲透檢測等預防對策，值得借鑒。

[1] 王志文，徐宏，關凱書，等.化工設備失效原理及案例分析[M].上海：華東理工大學出版社，2010：17-24.

[2] 馮硯廳，孫膨，孫濤，等.電站鍋爐汽包安全閥彈簧斷裂失效分析 [J].熱加工工藝，2013，8(42)：227-228.

[3] 李博，王鐵楹，張學齡，等.蒸汽安全閥冷態(tài)與熱態(tài)校驗整定壓力差異探討[J].中國特種設備安全，2008(6)：40-42.

[4] 張華波.基于SOLIDWORKS的安全閥彈簧的應力分析[J].科技傳播，2013(9)：93-94.

[5] 肖惠臨.安全閥彈簧失效分析[J].鍋爐壓力容器的安全技術,2003(6)：34-39.

(編輯 寇岱清)

Cause Analysis of Frequent Take-offs of Safety Valves in Urea Synthesis Tower and Countermeasures

SongWenming,LiuJiaqi,HeJianhua,LiuYing

(PetroChinaDaqingPetrochemicalCompany,Daqing163714,China)

The causes of frequent take-offs of safety valves in urea synthesis tower are analyzed in respect of process operation, calibration and pressure setting of safety valves, on-site installation and insulation (inspections of safety valve spring, valve flap, corrugated pipe and other main components), and the root causes have been found out. 4 solutions are proposed such as re-design and replacement of the spring to increase the spring’s stiffness, optimized design of new disc to improve the disc stress, repair of bellows and a partition between the sealing surface and readjustment of the cold setting pressure of safety valve to improve the safety coefficient; In view of the high-pressure safety valve, the pressure testing of corrugated pipe, permeation testing of spring, corrosion inspection and forced ventilation cooling are recommended as prevention measures. A good reference is provided.

urea synthesis tower, safety valve, frequent take-off, causes, countermeasures

2016-02-03；修改稿收到日期：2016-05-18。

宋文明(1981-)，工程師，2004年畢業(yè)于遼寧石油化工大學過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)為該公司化肥廠機動科靜設備主管。E-mai：hfswm@petrochina.com.cn