石化企业承压设备安全阀
失效模式及失效原因
刘汇源，陈学东，刘扬
合肥通用机械研究院
石化企业承压设备安全阀失效模式及失效原因
1.前言
安全阀作为承压设备的超压保护装置，在使用中必须满足准确开启、稳定排放、及时关闭、密封可靠的要求。安全阀在使用过程中，除安全阀频跳是由于安全阀进口管路过长、管路存在节流物或安全阀调节圈调整不当引起的外，介质温度、压力、物性对安全阀的准确开启、及时关闭、可靠密封产生影响，造成安全阀使用一段时间后性能达不到要求，安全阀失效。
从安全阀开启准确性方面来看，安全阀在使用中，存在着三种可能的失效模式：（1）安全阀由于运动件粘死，或进出腔堵塞无法开启；（2）安全阀超压开启——介质压力达到安全阀整定压力而安全阀未开启，超过整定压力一定值后才开启；（3）安全阀提前开启——安全阀开启压力低于整定压力。
从安全阀稳定排放方面来看，对于前后配管不合适，或安全阀调节圈调整有误的安全阀存在着动作时频跳这种失效模式。
从安全阀动作后及时关闭性能来看，安全阀存在着弹簧断裂，不能回座这一失效模式。
从安全阀可靠密封性能来看，安全阀在使用中存在着泄漏这一失效模式。
可把上述安全阀在使用中可能的失效模式简化为6种形式：
（1）安全阀粘死、堵塞不能开启；
（2）安全阀超压开启；
（3）安全阀提前开启；
（4）安全阀启跳后弹簧断裂无法关闭；
（5）安全阀泄漏；
（6）安全阀排放时频跳不稳定。
石化企业生产装置多，介质参数广（介质压力从低压到高压，温度从低温到常温再到500多度高温），介质物性差异大（有腐蚀介质、非腐蚀介质；有环境温度下可自流介质，也有不可自流介质；有环境温度下易结晶、结焦、含杂质介质，也有洁净介质）。在上述6种安全阀可能的失效模式中，石化企业承压设备用安全阀存在哪些失效模式，哪些因素造成了安全阀这些失效模式，需要做大量的现场调查和试验研究。
2.现场调查和试验研究
石化企业生产装置从生产流程上来说可归结为炼油装置、化工装置等。典型的炼油装置有常减压蒸馏装置、催化裂化装置；典型的化工装置有乙烯裂解装置、乙二醇装置、苯乙烯装置、聚丙烯装置等，这些装置介质物性和参数有典型代表性，本文重点对这些装置用安全阀进行调查和试验研究。
常减压蒸馏装置
常减压蒸馏装置承压设备主要有电脱盐罐、初馏塔、常压塔、减压塔、储存容器等。安全阀介质主要有：电脱盐罐原油、塔顶油气、气包蒸汽、储罐汽油、煤油、分液罐瓦斯等。介质特点：（1）压力、温度不高（原油压力，温度120℃；油气，130℃；蒸汽 MPa、187℃）；（2）原油、油气、瓦斯等有腐蚀。原油中含有氯元素、硫元素，虽然各油田原油氯、硫含量不同，但它们对安全阀内件、阀体，尤其是弹簧（目前用的安全阀的弹簧材料为50CrVA）都有腐蚀，只是随氯硫含量不同，腐蚀程度不同而已。
在对天津石化、洛阳石化、安庆石化、九江石化、茂名石化常减压装置现场运行情况进行调查后，调查结果表明天津石化、洛阳石化、安庆石化、九江石化炼制低含硫原油的常减压装置在两个运行周期内（2年）未发现安全阀启跳后不能关闭事故；九江石化常减装置油气、原油、汽油安全阀出现过启跳后安全阀泄漏现象。对于安全阀在使用过程中是否出现进出口堵塞、运动件粘死、开启压力降低等现象，现场目视检查是无法做到的，必须从装置上拆下来检查和试验。为此，重点对茂名石化常减压蒸馏装置安全阀在校验期间进行检查和试验。在装置检修期间对一蒸馏装置安全阀校验时进行检查，发现9台重油、渣油安全阀内件腐蚀粘死，腔体被腐蚀产物堵塞，对三蒸馏30台安全阀中15台典型介质安全阀进行开启压力试验，结果见表1。
从表1试验结果来看，此常减压蒸馏装置经过一年的在线运行，原油、油气、煤油、柴油等介质安全阀开启压力出现了不同程度的降低，
由于这些介质中不同程度地含有氯离子和硫化氢，对安全阀弹簧进行了不同程度的腐蚀，使弹簧变软（巧的是，开启压力偏差最大的那台原油介质安全阀，校验后重新安装到装置上运行，半年后弹簧断裂，使安全阀开启无法关闭）。试验的三台蒸汽安全阀锈蚀严重，二台根本无法打上压，一台开启压力降低。
虽然常减压装置用安全阀在使用中开启压力普遍降低，但由于介质操作压力远低于安全阀整定压力（以茂名石化四蒸馏装置为例，介质操作压力同安全阀整定压力比较，最小偏差也达到%，最大达到-67%），所以安全阀在运行中并未提前开启。
从现场运行调查、校验时检查及开启压力试验结果来看，腐蚀和锈蚀是常减压蒸馏装置安全阀失效的主要原因，安全阀的失效模式主要表现为：
（1）安全阀腐蚀粘死，腐蚀产物堵塞不能开启；
（2）安全阀开启压力降低（腐蚀使弹簧变软）；
（3）安全阀启跳后无法关闭（弹簧腐蚀断裂）。
催化裂化装置
从常减压装置过来的原料油中含有硫化物，硫化物在裂化反应温度下分解成H2S，原料油中的元素硫在这种条件下也能与烃类反应生成H2S，因此在催化裂化反应器中裂化出的油气中含有一定量的H2S，油气中H2S的含量随常减压装置原油中硫含量的提高而提高。由于裂化油气中含有H2S，致使后续分馏系统中富气、吸收稳定系统中的贫气、解吸气、液化石油气、干气、烃类等介质中含有不同量的H2S，用于这些介质的安全阀，在一定条件下（介质温度低，有水存在）有较严重腐蚀。通过调查，洛阳石化催化裂化装置自采用高硫原油炼制的原料油后，分馏塔安全阀（油汽：116℃，）、吸收稳定系统的吸收塔安全阀（贫气：42℃，）、稳定塔安全阀（液化气：58℃，）以及液态烃罐安全阀在线相继发生弹簧断裂安全阀启跳后无法关闭事故；安庆石化催化裂化装置油气安全阀内漏，弹簧腐蚀；福建炼油厂吸收稳定系统解吸塔安全阀多次发生弹簧断裂事故。为详细了解催化裂化装置安全阀的使用情况，对茂名石化三催化装置75台安全阀在线运行一年后在校验期间进行了检查，并对22台安全阀进行开启压力试验和密封性试验。75台安全阀有27台蒸汽安全阀（17台低压蒸汽安全阀，8台，280℃中压安全阀，2台，420℃过热蒸汽安全阀），2台省煤器除氧水安全阀（、220℃；、250℃），其余为油气、贫气、液化石油气、烃类安全阀（这些安全阀使用压力、温度不高，最大压力，最高温度110℃）。27台蒸汽安全阀普通存在内件锈蚀现象，对一台蒸汽安全阀开启压力进行试验，开启压力降低了4%。试验的22台安全阀中开启压力降低超过3%的有3台，因泄漏无法测定开启压力的有7台。解吸塔安全阀、稳定塔安全阀内件腐蚀较严重，解吸塔安全阀校验时弹簧断裂，稳定塔安全阀校验后在装备上继续运行半年后，弹簧也发生了断裂。75台安全阀内件（不包括弹簧）腐蚀检查情况见表2。
从现场运行调查、校验时检查及开启压力试验结果来看，腐蚀和锈蚀是催化裂化装置安全阀失效的主要原因，安全阀的失效模式主要表现为：
（1）安全阀泄漏（腐蚀损坏密封面）
（2）安全阀启跳后无法关闭（弹簧腐蚀断裂，尤其是吸收稳定系统安全阀）。
乙烯裂解装置
乙烯裂解装置安全阀主要介质有裂解气、高温高压蒸汽、中低压蒸汽、烃及烃气、NH3、HS、硫醇等。乙烯裂解装置主要以轻质油（如柴油）为原料，根据轻质原料油硫含量的不同，碱洗工段前的酸性裂解气对安全阀内件的腐蚀程度也不同。从对燕山石化、扬子石化、茂名石化裂解装置安全阀的调查情况来看，燕山石化裂解气安全阀内件腐蚀较重，扬子石化裂解气安全阀内件腐蚀较轻；安装在废热锅炉上的20多台高温高压蒸汽安全阀（压力13MPa、温度350℃）密封面冲蚀严重，阀门严重泄漏。乙烯裂解装置200多台安全阀除硫醇介质粘度较高外，其它介质皆为气体和环境温度下可自流的中低粘度液体，对燕山石化、扬子石化400百多台乙烯裂解装置用安全阀在校验时进行检查，未发现安全阀有进出口堵塞现象。
为研究介质温度、压力对安全阀开启压力的影响，对扬子乙烯裂解装置240台安全阀在校验时进行了开启压力试验，试验结果见表3。
温度不超过100℃的157台安全阀中有16台开启压力偏差超过-3%，表明弹簧变软了，其原因是弹簧被腐蚀。
温度范围100~200℃，有 44台安全阀，介质为烃及烃气的20台（压力~），低压蒸汽24台。44台安全阀中有3台蒸汽安全阀开启压力降低，弹簧因锈蚀明显变软(:-11%；:%；:%），其它安全阀开启压力正常。
温度范围200~250℃，有6台安全阀，介质为中压蒸汽安全阀，其中一台弹簧变软，开启压力偏差为%。
温度范围250~300℃，有7台安全阀，介质为烃气，一台安全阀（开启压力为）开启压力偏差为%，弹簧变软。
温度超过300℃安全阀共有26台，其中24台为高温高压蒸汽安全阀（t≥330℃,压力大于）密封面冲蚀，2台为HS介质安全阀，其中1台HS安全阀内件因腐蚀造成开启压力升高%。
乙烯裂解装置240台安全阀中有8台开启压力超过5%。
从试验数据来看，乙烯裂解装置安全阀除蒸汽安全阀和腐蚀介质安全阀外，在现有温度压力范围内，在温度不超过250℃范围内现用安全阀开启压力是稳定的。
从现场调查和校验时开启压力试验结果来看，乙烯裂解装置安全阀失效模式为：
（1）安全阀严重泄漏（高温高压蒸汽）；
（2） 安全阀开启压力降低（弹簧腐蚀变软） ；
（3）安全阀开启压力升高（腐蚀粘住）。
苯乙烯装置
苯乙烯装置介质主要有苯、多已苯、苯乙烷 、蒸汽、凝液、尾气、氮气、油等。介质温度超过100℃的安全阀比例大（占总数的70%），介质压力不高（低压安全阀占总数的85%）。从对燕山石化、茂名石化苯乙烯装置安全阀在线运行调查情况来看，在两年的运行周期内，近100台安全阀运行良好，未发生失效事故。为全面考察苯乙烯装置安全阀在使用两年后的状况，对燕山石化苯乙烯装置94台安全阀在校验时进行开启压力试验，试验结果见表4。
苯乙烯装置温度不超过100℃的28台安全阀中有5台因弹簧锈蚀变软开启压力偏差超过-3%。
苯乙烯装置温度范围100~200℃ 50台安全阀中，尾气介质有3台（、、，温度139℃），其中、两台弹簧变软，开启压力降低，而安全阀开启压力正常，弹簧未变软，说明两台安全阀弹簧变软不是温度因素造成的。在5台凝液安全阀中有3台安全阀介质温度为181℃，整定压力为，其中两台安全阀开启压力稳定，一台安全阀有%的偏差，而另有一台凝液安全阀整定压力为，温度只有157℃，但开启压力偏差却为-10%，可见凝液安全阀在181℃温度下出现弹簧变软也非温度因素，而是弹簧锈蚀造成的。蒸汽安全阀为开式结构，弹簧受温低于100℃，弹簧变软不应是温度影响，也主要是弹簧锈蚀造成的。
温度范围200~250℃安全阀，210℃苯介质安全阀，整定压力为，开启压力偏差-15%；240℃苯介质安全阀，整定压力为，开启压力偏差-8%；5台250℃苯介质安全阀，开启压力为，3台开启压力偏差超过-3%，弹簧变软，228℃多乙苯安全阀整定压力为，开启压力出现-15%的偏差。
在此温度压力范围内12台安全阀中有6台开启压力出现了负偏差，弹簧变软。对于4台温度超过250℃安全阀，虽然整定压力最大为，但开启压力全部出现负偏差，最大达到了%。
从燕山石化苯乙烯装置安全阀使用两年后开启压力试验结果来看，苯乙烯装置安全阀失效模式为：高温介质以及弹簧锈蚀使弹簧变软，造成安全阀开启压力的降低。
乙二醇装置
乙二醇装置安全阀介质主要有循环水、蒸汽、环氧乙烷气体（EO）、EO水溶液、乙二醇（EG）、冷凝水、CO2、F22等。以扬子石化乙二醇装置安全阀为例，介质温度压力分布见表5。乙二醇装置安全阀总计128台，常温安全阀83台，占70%；100~200℃温度范围安全阀21台（CO2 1台、冷凝水2台、乙二醇4台，蒸汽14台）；200~250℃温度范围安全阀11台（蒸汽8台、HS 3台）；大于250℃安全阀6台（中压蒸汽4台、EO 2台）。对燕山石化、扬子石化、茂名石化乙二醇装置安全阀在线运行情况进行调查，在两年的运行周期内，安全阀运行良好，未发现在线失效现象。但对燕山石化乙二醇装置安全阀大修期间进行检查，发现循环水安全阀腔体有黑色腐蚀产物。为详细考察乙二醇装置安全阀在使用两年后的状况，对扬子石化乙二醇装置128台安全阀在校验时进行开启压力试验，试验结果见表5。
试验结果表明，128台安全阀中有15台开启压力超过5%，其中10台为循环水介质、1台为冷凝水介质、3台为有循环水的EO介质，还有1台安全阀介质为F22。这些安全阀开启压力升高，主要是安全阀运动件间腐蚀残留物粘附作用造成的。
在乙二醇装置128台安全阀中有5台开启压力降低，5台开启压力降低的安全阀中4台介质为蒸汽，1台为HS。
100~200℃温度范围蒸汽安全阀（）开启压力偏差超差（%），蒸汽安全阀开启压力偏差%，蒸汽安全阀开启压力偏差%；200~250℃温度范围只有一台HS安全阀开启压力偏差超差 （%）；超过250℃安全阀只有一台蒸汽安全阀开启压力偏差超差（%）。腐蚀和锈蚀是这5台安全阀开启压力降低的主要原因。
从燕山石化乙二醇装置安全阀检查情况，以及扬子石化乙二醇装置安全阀使用两年后开启压力试验结果来看，乙二醇装置安全阀失效模式主要表现为：
循环水介质安全阀开启压力升高；
蒸汽介质安全阀开启压力降低。
聚丙稀装置
聚丙烯装置安全阀介质有气相丙烯、液相丙烯、聚丙稀浆液、N2、N2+CO、 烃气、水蒸汽+20%乙二醇、油、导热油、水、仪表风、空气、蒸汽等。聚丙烯装置安全阀除蒸汽介质外，介质洁净，对安全阀无腐蚀。聚丙烯装置介质除几台导热油安全阀（250℃，但开启压力低 ）和几台低压蒸汽安全阀外，其它 130多台安全阀操作温度低（小于80℃）。从对天津石化、燕山石化、扬子石化、齐鲁石化、茂名石化聚丙稀装置在线运行情况、校验时检查情况、以及对燕山石化聚丙稀装置安全阀校验时开启压力的试验结果来看，除聚丙稀浆液安全阀聚丙稀浆液固化结块堵塞阀进口，以及7台水介质安全阀开启压力升高外，其它介质安全阀开启压力稳定。
从调查情况来看，聚丙烯装置安全阀失效模式主要表现为：
浆液介质安全阀进出口堵塞；
水介质安全阀开启压力升高。
为更清晰的表示调查情况和试验结果，现把结果汇总为表6，图一表示现用安全阀失效率。
3.结论
综合以上石化企业各装置安全阀在线运行调查情况，以及对典型装置典型介质安全阀校验时的检查情况和开启压力试验情况，可以得出如下结论：
1. 石化企业承压设备在用安全阀失效模式主要表现为：
(1) 安全阀内件粘死而无法开启（如催化裂化装置酸性气、蒸汽安全阀）；
(2) 安全阀腔体堵塞而无法开启（如渣油安全阀、聚丙稀浆液安全阀）；
(3) 安全阀开启压力升高（如蒸汽安全阀）；
(4) 安全阀弹簧断裂启跳后无法关闭（如催裂化吸收稳定系统安全阀）；
(5) 安全阀开启降低；
(6) 安全阀泄漏；
2．安全阀失效主要原因：
(1) 腐蚀或锈蚀造成安全阀内件粘死，阀门不能开启
(2) 安全阀进出口腔被腐蚀残物、固化物（如焦化物、硫等）、聚合物（聚丙 稀、聚乙烯等）等堵塞，无法开启；
(3) 腐蚀或锈蚀造成安全阀内件粘住，安全阀开启压力升高；
(4) 腐蚀使安全阀弹簧断裂，安全阀启跳后无法关闭；
(5) 开启降低原因——弹簧变软
弹簧变软的原因有两个：
a. 弹簧表面被腐蚀，横截面不能提供足够关闭力；
b. 弹簧高温环境下工作。
(6) 安全阀密封面被高温高压介质冲蚀，或被腐蚀介质腐蚀，或因频繁启跳受冲击而损坏，造成阀门泄漏。
