乙烯聚合装置关键超高压控制阀典型故障案例分析！

摘要：文章分别对乙烯聚合装置釜式和管式乙烯聚合反应中的关键控制阀典型故障案例进行分析，包括控制阀液压执行机构泄漏故障，控制阀阀内件损伤故障，阀门控制失效故障等，通过对执行机构液压油缸材质、结构、工作原理及密封形式进行分析,查找泄漏主要原因，制定缸体及部件修复方案；通过对釜式反应及管式反应不同生产工艺、控制参数、物料特性等进行分析，对不同损伤程度的阀内件进行对比实验，并根据实验数据制定不同修复方案，对特殊生产环境的阀内件材料提出升级建议，制定出差异化的预知维修周期，保障现场装置的稳定运行，避免非计划停车及重大安全事故发生。

关键词：超高压控制阀；液压执行机构；调节机构；闪蒸；气蚀

一、乙烯聚合装置超高压控制阀概述

某公司两套高压装置是生产聚乙烯的重要装置，超高压控制阀是控制乙烯生产的关键控制设备，主要控制反应器压力，一套高压装置采用釜式反应法生产聚乙烯，设有三条独立生产线，以下简称高压装置，每条生产线有A、B两个反应釜，A釜出口控制阀是气关型气动薄膜角型控制阀，位号HCV-33，公称通径DN50，公称压力PN265MPa；B釜出口控制阀是液动角型控制阀，位号PCV-5，公称通径DN50，公称压力PN265MPa；二套高压装置采用管式反应法生产聚乙烯，以下简称二高压装置，管式反应器出口控制阀是一台超高压液动角型控制阀，位号PV-1159，公称压力PN345MPa,公称通径DN60。不同生产环境和生产周期的控制阀分别发生了不同程度的损伤，最严重的发生了阀门控制失效，装置停车，严重影响安全生产，因此需要对乙烯聚合装置关键超高压控制阀典型故障进行深入、细致的分析研究，彻底解决安全生产的重大隐患，保障装置的稳定运行，避免非计划停车及重大安全事故发生。

二、超高压控制阀典型故障及分析

1、超高压气动薄膜控制阀典型故障

1.1 超高压气动薄膜控制阀阀芯损伤故障介绍

2015年1月5日高压装置二线HCV-33控制阀在正常生产过程中突然出现故障，压力无法调节，导致B釜PCV-5阀全开，无法正常生产，随即停车检查，经解体检查发现阀芯头部碎裂，碎块经过B釜后被拦截在PCV-5控制阀入口筛 垫处。

2019年8月15日高压装置一线HCV-33控制阀在开车过程中出现异常，阀处于全开位置时前后存在约20MPa压差，无法进一步调节操作，随即停车检查，经解体检查发现阀芯头断裂，断裂的合金头卡在阀笼与阀体的缝隙之间。

1.2 超高压气动薄膜控制阀主要结构

HCV-33控制阀主要分为气动薄膜执行机构和调节机构两部分，执行机构由膜盒、膜片、弹簧、推杆、连接支架等部件组成，调节机构部分由上阀体、下阀体、阀芯、阀座、阀笼、填料等部件组成。

1.3 超高压气动薄膜控制阀阀芯损伤故障分析

HCV-33阀芯头部为整体碳化钨合金，与阀芯镶嵌结合成一体，经过对两次典型故障进行分析研究，初步判断故障有以下几点原因产生：

1）碳化钨合金材料硬度高，硬度值在洛氏硬度Rc42-48，耐冲击性能较差，在长期使用过程中存在金属疲劳断裂的可能性；

2）根据操作手册要求，整机在内漏测试时要求介质压力为265MPa,执行机构气室压力达350kpa，执行机构弹簧范围是0.21-0.57kgf/cm2,因此在350kpa气压下执行机构所提供的推力远远超过其所需的关断力，阀芯、阀座挤压存在损伤断裂的可能性；

3）在安装完定位器进行整机调试过程中，控制阀连续开关动作，阀芯、阀座反复冲击接触，存在抗冲击性能下降，阀芯硬质合金部分断裂的可能性；

4)执行机构推杆与阀杆存在同心度偏差，阀杆与执行机构连接后导至阀杆与阀座不同心，在阀关闭时阀芯顶部产生的压力发生偏斜，存在断裂的可能性；

1.4 超高压气动薄膜控制阀故障处理及预防

1）对损伤的阀芯、阀座进行更换，整机大修，尤其对上、下阀体、阀笼进行超声波检测，避免存在缺陷；

2）整机组装前对阀芯、阀座进行整体检测，包括磁粉检测和超声波探伤，避免存在缺陷；

3）针对碳化钨材料的阀芯、阀座制定预知维修周期，进行定期更换，避免出现疲劳损伤；

4）根据阀门弹簧线性将启动气压确定至3psi,关闭压力设定在8psi，定位器最大输出压力控制在18psi，避免关断力过大对阀芯、阀座产生损伤；

5）考虑将阀芯、阀座材料进行升级，包括阀芯结构升级为一体式阀芯，材料升级为韧性更好的合金工具钢，即保证材料的硬度，又具有一定的耐冲刷性能，避免阀芯碎裂的风险（可参考PCV-5阀芯材料）；

2、超高压液动控制阀典型故障

2.1 控制阀液压执行机构泄漏故障

2.1.1 液压执行机构故障介绍

2014年6月高压装置二线PCV-5检修中发现液压执行机构出现漏油现象，LVDT反馈罩内积存大量液压油，严重影响安全运行，随即进行检修。

2.1.2 液压执行机构主要结构

高压装置PCV-5控制阀主要分为液压执行机构和调节机构两部分，液压执行机构由缸体、活塞、伺付阀、反馈附件及连接支架等部件组成。

2.1.3 液压执行机构泄漏分析

1）部件磨损

由于该控制阀长期处于脉冲调节，总调节行程仅有5mm，每分钟调节40次以上，每次调节幅度约为0.1mm，活塞杆与密封件频繁磨擦接触，活塞导向环与缸体发生磨损，形成微量间隙，在活塞自重作用下，活塞杆密封及活塞导向环磨损后造成活塞下垂与缸体不同心，又加剧了密封及各接触面的磨损，最终导致泄漏；

2）硬度不足

由于活塞杆硬度不足，活塞杆运动过程与聚四氟乙烯密封环摩擦，造成活塞杆磨损，从而发生外漏；

3）密封件磨损

活塞杆及活塞密封由聚四氟乙烯密封环及橡胶环配合适用，聚四氟乙烯密封环发生微量磨损后，橡胶环可以起到一定补偿功能，由于聚四氟乙烯密封环磨损严重，橡胶环无法起到补偿作用，因此发生油缸外漏；

4）油缸内漏

油缸缸体与活塞导向环相互摩擦，活塞密封也与缸体发生摩擦，长期摩擦造成导向环、活塞密封及缸体均发生磨损，当密封环无法密封时随即发生油缸内漏串油现象；

2.1.4 控制阀执行机构泄漏故障处理及预防

1）对损伤的缸体进行修复

对液压缸体进行原尺寸修复，并提高其表面硬度，内壁表面硬度由原来的HRC33提高到HRC60，增强抗磨性能；

2）对损伤的活塞杆进行修复

活塞推杆采用超音速喷涂硬质合金后修复，硬度由原来的HRC40提高到HRC75，提高了表面的耐磨性能；

3）对损伤的铜套进行检查

检测油缸两侧铜套磨损量，如果铜套磨损超过0.05mm，或铜套发生变形与活塞杆发生摩擦，则需考虑更换铜套；

4）制定液压油缸密封预知维修周期

由于液压执行机构修复难度大、时间长，而且采购周期长、价格高，油缸密封件为消耗部件，为实现设备长周期运行，保障装置稳定生产，对油缸密封应制定预知维修周期，利用装置中修对油缸密封进行定期更换，减少活塞及缸体磨损、甚至发生油缸 废的风险，降低维护成本。

2.2 超高压液动控制阀调节机构故障

2.2.1 高压三线PCV-5控制失效故障介绍

2014年5月20日高压三线PCV-5控制阀在生产EVA过程中突然控制失效，反应釜压力无法控制，导致装置非计划停车，将控制阀下线后检查发现，阀杆断裂，阀芯顶部有严重缺损，阀笼断裂破损严重，阀座有部分损伤。

2.2.2 高压二线PCV-5阀内件损伤故障介绍

2016年6月高压二线PCV-5控制范围出现变化，阀门开度比正常时减小，影响正常生产，在大检修中将其下线进行检查，解体检查发现阀芯有明显损伤，阀笼内壁缺损严重，存在断裂风险，阀座也存在一定程度损伤。

2.2.3 二高压PV-1159阀内件损伤故障介绍

2016年6月装置检修期间PV-1159阀下线检修，发现阀芯、阀座及阀笼存在明显坑状损伤，其中阀笼损伤更为严重，有部分阀笼缺失，随时有断裂风险，严重影响正产生产。

2.2.4 高压PCV-5调节机构主要结构

高压装置PCV-5阀体为角型，工程通径DN50，公称压力PN265MPa，阀体锻造加工，阀体部分由上阀体、下阀体、阀芯、阀座、阀笼、填料、连接法兰等部件组成。

2.2.5 二高压PV-1159调节机构主要结构

二高压PV-1159阀体为角型，工程通径DN60，公称压力PN345MPa，阀体锻造加工，阀体部分由上阀体、下阀体、阀芯、阀座、阀笼、填料、连接法兰等部件组成。

2.2.6 超高压液动控制阀典型故障分析

1）阀内件损伤对比分析

通过对三套不同生产环境的超高压阀门部件进行分析，可以发现一些共性问题。各阀芯锥体斜面处均存在不同程度的损伤，阀芯和阀笼对应部位，双方均存在损伤，且阀笼损伤比阀芯更严重。但是也有独特的现象：即生产聚乙烯的PCV5阀芯尾部无损伤区，而生产EVA的PCV 5和混合生产的PV1159 却存在大面积，严重的坑状破损。生产聚乙烯的PCV5 和生产EVA的PCV5为同类型尺寸的阀门，相比而言，后者的损伤远比前者严重，而PV1159属于阶段性生产EVA产品，其损伤程度也重于只生产聚乙烯的PCV5 控制阀。故可以推知，控制阀在生产EVA产品后遭受的损伤速率和程度均要比转产前严重。进而推知，除正常的流体冲刷磨损和空蚀外，转产前后发生改变的因素，介质和控制参数（压力、温度等）引起的腐蚀、冲刷磨损（闪蒸）和空蚀的交互作用，加重了对阀门的损伤。

2）阀内件材料分析

由于高压二线、三线PCV5及二高压PV1159控制阀内件损伤特征及程度不同，但在损伤部位及损伤形式上又具有相同性，因此对阀内件的硬度、金相组织分别做了分析，对材料抗冲刷、抗气蚀、耐腐蚀等方面做了相关实验，实验检测两台阀的阀芯组织均为回火马氏体，阀笼组织为回火索氏体，阀芯硬度高于阀笼硬度，因此阀笼损伤高于阀芯损伤程度。

3）冲刷磨损和闪蒸损伤分析

冲刷磨损是指流体以较高的流速冲击金属，导致金属表面变形、材料剥离等损伤的现象。如果流体中存在腐蚀性离子或固体颗粒，则会加速损伤过程。闪蒸就是高压的饱和液体进入低压区后，由于压力的突然降低使这些饱和液体中的一部分变成低压下的饱和蒸汽和饱和液的现象。

控制阀在运行过程中由于工艺的需要，控制阀开度不断变化，因此，流体的流速也是波动的，以PV1159的数值模拟结果为例，阀门开到最大时的流速比最小开度时的流速大28%左右，流速的提高会加大材料表面所承受的冲击剪切力，逐渐造成材料的变形、撕裂和剥离。理论上，当总流量一定时，过流面积减小，流速增大。但阀门传输的为超流体可压缩介质，流速的变化不仅同过流面积有关，还同环境压力有关。因此，当阀门开度减小时，流速不一定会有明显上升，压力随之也会产生波动。

此外，两台PCV5位于同一流程的相同位置，二线只生产聚乙烯，三线生产EVA，两者的破坏形式和程度具有很大差别。二线PCV5仅发生了闪蒸，流体对阀芯、阀笼的接触线及附近产生了冲刷破坏。三线PCV5生产EVA不仅发生了闪蒸、还发生了破坏作用更大的气蚀。气蚀导致阀芯、阀笼破损断裂；同时，由于闪蒸和气蚀带来的阀芯振动，造成与阀芯连接的阀杆发生疲劳断裂。由此推断应该与其在生产过程中接触到的物料介质饱和蒸汽压有重要的关系。在生产聚乙烯时，当反应物介质流体流过PCV5的阀座节流孔后，随着流道截面的增大流速相应减小、阀后压力虽然上升但仍低于其饱和蒸汽压时（图-21实曲线），流体将产生大量的气泡，这就造成闪蒸现象，只有闪蒸作用时在阀笼上的特定部位产生冲刷破坏。

闪蒸的影响主要是物理损害，闪蒸对控制阀阀芯、阀笼产生严重的冲刷破坏，其损伤过程类似于喷砂过程。就流体而言，蒸汽体积常常大于液体体积，以至于使液滴趋向于蒸汽的流速，液滴冲击表面如同固体颗粒冲击表面一样，足以使表面材料损伤脱落。冲刷最严重的一般是在流速最高处，通常位于阀芯和阀笼的接触线上及附近。PCV5和PV1159的阀内件损伤，均带有方向性的冲刷损伤，属于阀芯闪蒸损伤的形貌。

4）气蚀损伤分析

气蚀是指由于液体内部压力的起伏引起液体蒸汽以及溶于液体中的气体的形成、生长及溃灭的空化过程对材料所造成的损害，由于气泡在溃灭时产生很大的瞬时压强，当溃灭发生在材料表面附近时，流体中不断溃灭的气泡所产生的高压强的反复作用，可造成固体表面的破坏，这种现象称为气蚀或空蚀，产生的冲击压力，破坏金属表面上的保护膜，而使腐蚀速度加快。气蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大成洞穴。PV1159的阀芯和阀笼、三线PCV5的阀芯部位的弹坑状及洞穴状损伤，均为典型的气蚀损伤形貌。数值模拟的结果显示 ，在阀座出口后方，及阀芯锥体根部附近，出现明显的气相梯度区。而气泡形成的位置并不是气蚀损伤的位置，当气泡形成后会随流体向下游移动，当下游压力大于流体的饱和蒸汽压时，气泡就会爆破，对材料造成气蚀损伤。因此，如图-22和图-23所示，气蚀损伤区位于气相梯度区下游位置，这证明气蚀是造成阀笼内壁靠近阀座处及阀芯锥体斜面后方位置处损伤的原因之一。

5）生产工况及物料分析

针对三台控制阀用于不同工种环境，分别接触不同物料介质，设计了不同的环境模拟实验，二线PCV5长期生产聚乙烯，阀内件损伤程度较小，通过电镜分析发现仅存在闪蒸现象，对阀芯、阀座及阀笼产生冲蚀；三线PCV5始终生产EVA产品，物料为醋酸乙烯与乙烯混合物，醋酸乙烯属弱酸性，由于介质特性发生变化，进行了材料浸泡实验和电化学腐蚀实验，检测发现，阀内件不仅发生了闪蒸，还发生了破坏作用更大的气蚀现象，导致阀芯、阀笼破损，由于闪蒸和气蚀带来的震动，造成阀杆发生疲劳断裂，因此三线PCV5阀内件损伤最为严重。

二高压PV-1159工作压力范围在260MPa-280MPa,远高于PCV5工作压力，由于是阶段性生产EVA产品，从阀内件损伤情况来看，略轻于三线PCV5阀内件，但比二线PCV5阀内件严重。图-25分别展示了控制阀PV1159在16 mm、8 mm和2 mm开度下BZ0截面上的速度和迹线分布云图。速度分布云图（图-25a、c、e）同总压分布趋势大致相同，即阀座及其出口附近速度较大，并随阀门开度的增大，滞留现象降低，流通速度增大。通过流速分布可知，阀门开到最大时的流速比最小开度时的流速（图-25c）大28%左右。可以推断出受冲刷最严重的位置为阀芯尖端靠后的位置，且在开度最大的时候，冲刷速度最大，冲刷磨损最严重。由迹线图（图-25b、d、f）可以真实地获知流体在阀门内部的流动状况。从中可知，在流体冲出阀座后，由于过流面积突然增大，会形成一个负压区导致涡流的产生。同理，流体冲出阀笼后，在背向出口一侧与阀体环形腔之间也形成了回流区。涡流的扰动会增大流体作用于壁面流体力的垂直分量，增大冲蚀损伤。

图-26展示了控制阀PV1159不同开度条件下，BZ0截面上的液相分布云图。其中红色区域为液相区，蓝色区域为气相区。由图可知，在阀门内部高压状态下，绝大部分的区域为液相区。而在阀座出口附近及阀芯的尖端前后，由于流态突变导致压力波动，出现了气泡。由于阀门内部压力远高于溶液的蒸汽压，气泡产生后很快溃灭。由此可以推知，在阀笼底部的内侧周向，阀芯尖端的颈部（如图所标）附近位置是发生气蚀损伤的敏感部位。当阀门开度减小后，阀门内部压力分布发生变化，气蚀区转移到阀座出口和阀芯锥面与阀座口密封的位置。计算模拟预测的位置，同失效件上的损伤位置一致。因此，在阀门运行过程中，由于阀芯的频繁运动，导致气蚀区域在以上所述的地方反复交替，最终几处位置均会留有气蚀损伤的痕迹。

2.2.7 超高压控制阀阀内件损伤结论

1）硬度分析结果显示，控制阀PV1159阀芯显微硬度（HV0.2/15s611.4）大于阀笼显微硬度（HV0.2/15s 419.8）；控制阀PCV5阀芯显微硬度（HV0.2/15s 574.2）大于阀笼显微硬度（HV0.2/15s 300.2）。这也是阀笼损伤程度大于对偶位置阀芯损伤程度的原因之一。

2）宏观观察可知，阀芯和阀笼的损伤位置基本成对偶状，即与阀芯损伤位置高度相对应的阀笼内壁位置，同样存在损伤且形貌类似，这说明两者损伤机制基本相同。

3）浸泡实验及电化学实验证实，醋酸乙烯溶液的腐蚀性很低，不是造成阀门材料损伤的主要因素,但试验无法完全模拟实际工况（温度、压力、物料浓度等因素），不排除由于温度、压力等因素对材料的影响，需要进一步验证。

4）微观组织结构分析结果表明，各阀门阀芯锥体头部损伤成犁沟状，为冲刷磨损所致，数值模拟结果显示该部位遭受流体冲刷的速度最高，证明了流体冲刷磨损是造成该部位损伤的主要原因。阀笼头部内壁成犁沟-蚀坑形貌，是气蚀和阀芯锥尖导致的流体偏流及涡流冲刷联合作用所致。数值模拟结果也显示，该区域存在涡流及气相密集区，同样证明该部位为空蚀和冲蚀的敏感区。

5）控制阀PV1159阀芯尾部及阀笼的对偶位置损伤形貌表明，气蚀是造成该损伤的主要原因。模拟计算结果也证实，该部位压力分布周向不平均，高压区为气蚀敏感区，这也造成了阀芯尾部并未出现平均分布的环向气蚀坑。

6）数值模拟结果显示，流速最大区及气相密集区分别与实际观察到的冲刷磨损位置和气蚀损伤位置一致，再次证明了损伤的起源。此外，PV1159阀门开到最大时的流速比最小开度时的流速大28%左右，流速的提高会增大冲刷磨损的程度，此外，还会造成较大的压降，引发严重的气蚀损伤。

7）二高压PV1159和高压三线PCV5在生产EVA后损伤程度加重，是由于转产后介质物性的改变间接导致冲蚀、空蚀程度加重所致。

2.2.8 超高压液动控制阀调节机构故障处理及预防

经过对不同工况的超高压控制阀进行详细试验分析、论证，对阀内件不同程度损伤原因有了进一步了解，根据所掌握的损伤机理制定出以下几种处理及预防措施：

1）故障控制阀修复

根据超高压阀门检修操作手册对故障阀门进行检修，对损伤严重阀芯、阀座、阀笼进行更换，对损伤程度较轻的阀芯可以考虑采用激光熔敷工艺进行修复，经过试验证明(图-27)，采用激光熔覆 CoCrW涂层的抗空蚀性和抗冲蚀性均比 PCV5和PV1159阀芯材料高。除此之外对阀体各密封部位进行加工及研磨处理，更换填料及密封部件，阀体与执行机构组装后进行整机内外漏测试等工作。

2）阀内件材料升级

针对阀笼损伤最为严重的情况，可以考虑更换阀笼材质，选用更耐冲蚀和气蚀的材料，取代旧阀笼材料。选择抗气蚀材料的依据有很多，如硬度、超弹性、加工硬化性能、相变等，一般而言，高硬度材料具有较高的抗冲蚀和气蚀性能。从超弹性的角度，采用具有相变功能的材料，提高材料抗冲蚀和气蚀性能的一个途径。如 NiTi 合金，虽然该类合金的硬度远低于一般的合金，但由于具有超弹性（应力诱发马氏体相变）可以吸收气泡溃灭产生的巨大冲击波，从而具有优异的抗气蚀性能，将PCV5及PV1159原阀笼材料与NiTi合金材料进行抗气蚀及冲蚀试验对比。

经过气蚀试验，PCV5阀笼材料表面损伤严重，出现大量肉眼可见的蜂窝状空蚀坑，材料流失痕迹明显（如图-28a所示）；PV1159阀笼材料表面也出现了严重的材料流失现象，但表面气蚀坑的数量较少，尺寸较小，局部区域还保留着原始打磨表面，与PCV5阀笼材料相比，损伤较轻；NiTi合金表面依旧比较光滑，保留了原始的打磨表面，在气蚀应力作用下，出现了较明显的塑性变形，局部区域有气蚀坑萌生，与前两种材料相比，表面气蚀损伤明显较轻，材料流失较少。

阀笼材料在含砂蒸馏水溶液中冲蚀3h 后的表面形貌，由图可知，在冲蚀作用下，三种材料表面损伤都比较均匀，表面均发生了明显的塑性变形，形成很多挤出，促进了蚀坑的萌生与扩展。相比较而言， PCV5与 PV1159 两种阀笼材料表面损伤较严重，蚀坑数量较多，尺寸较深、较大（图-29a, b 所示）,可发现明显的材料流失痕迹，这是蚀坑不断扩展并相互连接导致的；而NiTi 合金材料表面相对光滑，塑性变形程度较轻，蚀坑数量较少（图-29c所示），可发现NiTi 合金表面蚀坑数量较少，尺寸较小，材料流失现象较弱（图 76 f 所示）。因此，与PCV5、PV1159 两种阀笼材料相比，NiTi 合金具有最佳的抗冲蚀能力。

综合上述实验对比结果可知NiTi合金的抗气蚀性能和抗冲蚀性能均优于PV1159和PCV5的阀笼材料。

3）制定合理预知维修周期

针对出现损伤的控制阀，进行了生产周期统计，统计数据如下：二线生产聚乙烯用PCV5控制阀使用周期5年零4个月发生阀内件严重损伤，三线生产EVA用PCV5使用周期4年零8个月发生失效故障，PV1159使用周期5年零6个月，累计生产EVA 18万吨发生严重损伤。根据所掌握的数据进行推算，制定相应预知维修周期，避免严重故障发生，预知维修周期如下：生产聚乙烯的PCV5调节机构维修周期确定为4年；生产EVA的PCV5调节机构维修周期确定为3年；PV1159的维修周期定为4年或累计生产EVA 15万吨；达到预知维修周期时限后择机进行更换备用设备，下线设备进行维修处理，避免故事发生。

三、结束语