劉琰鉀

國外PDS閥門性能分析研究

劉琰鉀

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430076)

針對聚烯烴裝置中PDS閥門的應(yīng)用情況，聚烯烴粉末易在閥腔內(nèi)集聚，閥門的設(shè)計、制造及材料使用存在問題，使用一定程度后閥門運行不順暢、卡滯、最終抱死的情況時有發(fā)生，造成裝置停車。通過現(xiàn)場對PDS閥門的拆檢、維修、測繪，總結(jié)其故障原因，并綜合對比各品牌閥門的使用情況，從而促使PDS閥門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為推動該類閥門的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

聚烯烴 PDS閥門 高頻 國產(chǎn)化

近年來，石化產(chǎn)業(yè)呈快速發(fā)展趨勢，隨著各種新技術(shù)開發(fā)和工藝技術(shù)進步，聚丙烯和聚乙烯等聚烯烴裝置的單套產(chǎn)能越來越大。生產(chǎn)裝置的長周期運行不僅能降低生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的競爭能力，更能保證裝置的安全和穩(wěn)定運行。所以選用合適的閥門，對于保證裝置的長期運行十分重要。

中國某大型石化企業(yè)引進了2條UNIVATION工藝的生產(chǎn)線，1條線生產(chǎn)低密度聚乙烯，1條線生產(chǎn)高密度聚乙烯，投產(chǎn)不到2個月，高密度裝置的PDS閥先后出現(xiàn)問題，主要是閥門卡死和泄漏，堵塞PDS系統(tǒng)罐和閥管道，每次都需要裝置停車才能進行清理。平均每個月，裝置停車2次，運行1a以來，高密度裝置的平均負(fù)荷率僅40%，且裝置能耗特別高。因此，新建裝置在PDS閥門的選用時，需要十分慎重并做好調(diào)研，選用可靠的品牌。筆者結(jié)合實際使用情況，對各品牌PDS閥門使用情況及優(yōu)缺點進行了研究，供同行參考。

1 ARGUS的PDS閥門

1.1 使用情況

1) 第三代氣相聚合法工藝聚丙烯裝置(JPP)。閥門內(nèi)漏嚴(yán)重，閥門拆解后，發(fā)現(xiàn)閥桿損傷嚴(yán)重。由于該類球閥高頻開關(guān)，每5min開關(guān)1次，每次動作時間不超過8s，閥桿與滑動軸承摩擦頻繁，造成表面磨損嚴(yán)重。

2) 線性低密度聚乙烯裝置(LLDPE)。氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)漏嚴(yán)重，由于該類PDS閥門開關(guān)頻次較高，執(zhí)行機構(gòu)已達到使用壽命，O型圈斷裂，密封失效；此外閥門執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部潤滑脂老化變質(zhì)，密封組件磨損嚴(yán)重，造成執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)漏。

通過檢修閥門，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1個檢修周期之后，閥球與閥座基本完好，但表面有輕微刮傷，不影響密封性能。另外閥桿結(jié)構(gòu)存在一些問題，經(jīng)常出現(xiàn)閥桿抱死情況。ARGUS的PDS閥門扇形執(zhí)行機構(gòu)大多能保證1個周期的正常使用，但是齒條齒桿的執(zhí)行機構(gòu)O型圈容易斷裂，密封組件磨損嚴(yán)重，不能滿足工藝需要。

1.2 優(yōu)點

1) ARGUS的PDS閥門全部采用鍛造工藝，能夠保證閥門在高頻次動作下有更好的強度。閥體的材料選用LF2，能夠在-45℃極端工況下使用，滿足了工藝要求。

2) 分析檢測換修的閥門，其閥門中腔較小，介質(zhì)不會大量堆積。此外閥座采用特有專利的燕尾型刮刀式設(shè)計，使閥門在開關(guān)時無法將大量聚合物顆粒帶入密封面內(nèi)，從而達到自清潔的功能。同時，軟閥座采用專利技術(shù)的LYTON材料，它是一種改性的PEEK材料，具有接近普通金屬的硬度，并且具有良好的耐磨性和自潤滑性能，大幅延長了使用壽命。

3) 金屬閥座和閥球的表面硬化處理，采用專利的ARGULOG硬化處理技術(shù)，即高溫等離子噴涂和熱熔處理技術(shù)，使閥座和閥球的表面硬度達到68HRC，63HRC，硬化層厚度達到500mm以上，并且硬化層與基材通過形成的過渡層有機結(jié)合成一體，避免了長周期運行中的硬化層脫層。這種精密的加工與研磨技術(shù)，確保閥門的密封等級在VI級以上。閥座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4) ARGUS的專利結(jié)構(gòu)的扇型氣缸，具有輸出扭矩大、組裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、工作壽命長等優(yōu)點，它的動作壽命達到4×106次以上，能夠滿足聚烯烴裝置長周期運行的需要。

圖1 ARGUS的PDS閥閥座結(jié)構(gòu)示意

1.3 局限性

1) 閥門的球體表面及閥座密封面為鎳基涂層，雖存在一定硬度差，但涂層還屬同類材料，不可避免長時間使用及介質(zhì)作用下產(chǎn)生金屬磨損粘結(jié)問題。金屬粘結(jié)使球體及閥座密封面“亞光”磨損，不能達到鏡面效果，自聚性介質(zhì)粘結(jié)密封面，高頻開關(guān)作用下?lián)p壞密封面。

2) 閥桿結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，閥桿與其他金屬部件接觸過多，長時間的高頻次開關(guān)會使閥桿與金屬接觸部分磨損嚴(yán)重，一方面使閥桿扭矩增大，另一方面導(dǎo)致閥門傳動鏈中心偏移，最終使閥桿“咬”死。

3) ARGUS閥門因為其專利原因設(shè)計為內(nèi)固定球閥結(jié)構(gòu)。分析其內(nèi)固定結(jié)構(gòu)，在上定位塊和下定位塊處設(shè)計有PEEK軸承，該設(shè)計目的是為了減少球體的摩擦，減輕閥門的扭矩。雖然該種結(jié)構(gòu)可解決下固定軸的內(nèi)漏點，但是由于工況介質(zhì)具有自聚特性，在縫隙中自聚越來越大，嚴(yán)重影響閥球在定位塊中轉(zhuǎn)動，最終可能導(dǎo)致閥門抱死。

2 KITZ的PDS閥門

2.1 使用情況

第二代環(huán)管法聚丙烯裝置(STPP)。閥門內(nèi)漏嚴(yán)重，閥門拆解后，閥球、閥座磨損嚴(yán)重，劃痕深度已經(jīng)超過噴涂層厚度。由于該類球閥開關(guān)頻次較高，達到1次/min，每次動作時間不超過3s。閥球與閥座在高頻開關(guān)下產(chǎn)生金屬粘接，造成密封面磨損，乃至噴涂層剝落。

通過檢修KITZ閥門，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1個檢修周期之后，閥球與閥座磨損十分嚴(yán)重，導(dǎo)致密封面失效。該類閥門已無法修復(fù)，需要更換閥球和閥座，不能滿足裝置長周期運行的需求。

2.2 優(yōu)點

1) 相比ARGUS閥門，KITZ閥門的閥球表面使用鎳基涂層，閥座表面使用碳化鎢涂層，閥座和閥球有一定硬度差，相對有效地解決金屬粘結(jié)問題，并且碳化鎢涂層硬度達到72HRC，具有很好的耐沖刷、耐磨損性能。

2) 閥桿結(jié)構(gòu)設(shè)計2處PEEK軸承套，上下軸承對閥桿套起到定位導(dǎo)向作用，在高頻開關(guān)下，能夠有效地減少閥的桿偏移量，使執(zhí)行機構(gòu)傳動扭矩平穩(wěn)。另外PEEK材料對金屬閥的摩擦非常小，摩擦系數(shù)f=0.05，十分有效地減輕了閥門扭矩。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 KITZ的PDS閥閥桿結(jié)構(gòu)示意

3) KITZ閥門的設(shè)計原則是減少閥座處的金屬摩擦，從而減輕閥門扭矩。該結(jié)構(gòu)利用板簧提供閥座預(yù)緊力，能夠起到補償作用，達到很好的密封效果。此外KITZ閥門的中腔設(shè)計不存在定位塊，減少了中腔空隙，進而減少物料堆積。

2.3 局限性

1) 閥門采用定向磨球工藝。定向配磨閥球噴涂層不均勻，在高頻率開關(guān)下，對閥門密封面有很大磨損，造成閥門泄漏。

2) ARGUS閥門及KITZ閥門的支架安裝于填料函上，這樣的支架連接結(jié)構(gòu)在高頻開關(guān)下，會對整個扭矩傳導(dǎo)鏈產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致閥桿“咬”死。此外KITZ閥門的執(zhí)行機構(gòu)為撥叉式執(zhí)行機構(gòu)，開關(guān)次數(shù)不能滿足工藝需要。

3 TYCO KTM的PDS閥門

3.1 使用情況

高密度聚乙烯裝置(HDPE)。閥門抱死無法開關(guān)，該閥門開關(guān)頻次較高，30s開關(guān)一次，開關(guān)時間不超過3s，按8000h/a計算，每年開關(guān)次數(shù)達到1×106次。閥門拆解后，發(fā)現(xiàn)閥球、閥座密封面拉傷，閥座密封面寬度僅有3mm；閥腔內(nèi)集聚聚烯烴粉末，彈簧腔堵塞，此外閥桿與閥桿軸套間也自聚大量聚烯烴粉末，并且有結(jié)焦情況。

通過檢修閥門，發(fā)現(xiàn)該閥門大多為軟密封球閥，經(jīng)過一個檢修周期之后，閥球與閥座磨損十分嚴(yán)重，導(dǎo)致閥球、閥座密封面嚴(yán)重失效。該類閥門在長周期高頻開關(guān)下，存在一定問題，軟閥座經(jīng)磨損之后，其使用壽命大幅降低。

3.2 優(yōu)點

1) 閥桿與PEEK材質(zhì)的滑動軸承及特殊橡膠材質(zhì)的滑動軸承配合，有效地減小了摩擦阻力，從而降低了扭矩；此外閥座為PEEK材質(zhì)和增強聚四氟乙烯材質(zhì)，降低了摩擦系數(shù)，使閥桿開關(guān)順暢，無卡阻。

2) 相比ARGUS閥門和KITZ閥門，TYCO KTM閥門經(jīng)濟性較好，在滿足工況長周期運行的情況下，性價比較高。

3.3 局限性

1) 該類閥門大多為軟密封球閥，閥球沒有噴涂層，在高頻開關(guān)下，閥座密封面與閥球表面直接接觸，在沒有噴涂層的保護下，閥球本體極易磨損，從而密封失效。

2) 與ARGUS等閥門相比，該類閥門密封面寬度太窄。在同種口徑、壓力下，該類閥門的密封面寬度僅為其他廠家閥門密封面的50%，不能夠保證密封可靠。

4 結(jié)束語

隨著新工藝、新技術(shù)快速發(fā)展，PDS閥門技術(shù)也應(yīng)快速發(fā)展，以適應(yīng)和滿足工藝技術(shù)的要求，從而為聚烯烴裝置長周期安全運行保駕護航。通過此次大檢修，分析總結(jié)PDS閥門故障原因，并綜合對比各品牌閥門的使用情況，找出各種閥門的優(yōu)缺點，吸取各品牌閥門的長處，選擇合適的閥門結(jié)構(gòu)，進而完成PDS閥門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為推動該類閥門的國產(chǎn)化奠定堅實的基礎(chǔ)。

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劉琰鉀(1984—)，男，遼寧遼陽人，2008年畢業(yè)沈陽工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)，現(xiàn)工作于中韓(武漢)石油化工有限公司物資流通部，任助理工程師。

TP214

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1007-7324(2017)02-0068-03

稿件收到日期： 2016-12-09，修改稿收到日期： 2017-01-15。