國(guó)外PDS閥門(mén)性能分析研究

劉琰鉀

國(guó)外PDS閥門(mén)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(duì)聚烯烴裝置中PDS閥門(mén)的應(yīng)用情況，聚烯烴粉末易在閥腔內(nèi)集聚，閥門(mén)的設(shè)計(jì)、制造及材料使用存在問(wèn)題，使用一定程度后閥門(mén)運(yùn)行不順暢、卡滯、最終抱死的情況時(shí)有發(fā)生，造成裝置停車(chē)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)PDS閥門(mén)的拆檢、維修、測(cè)繪，總結(jié)其故障原因，并綜合對(duì)比各品牌閥門(mén)的使用情況，從而促使PDS閥門(mén)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為推動(dòng)該類(lèi)閥門(mén)的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

聚烯烴 PDS閥門(mén) 高頻 國(guó)產(chǎn)化

近年來(lái)，石化產(chǎn)業(yè)呈快速發(fā)展趨勢(shì)，隨著各種新技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝技術(shù)進(jìn)步，聚丙烯和聚乙烯等聚烯烴裝置的單套產(chǎn)能越來(lái)越大。生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行不僅能降低生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，更能保證裝置的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。所以選用合適的閥門(mén)，對(duì)于保證裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行十分重要。

中國(guó)某大型石化企業(yè)引進(jìn)了2條UNIVATION工藝的生產(chǎn)線(xiàn)，1條線(xiàn)生產(chǎn)低密度聚乙烯，1條線(xiàn)生產(chǎn)高密度聚乙烯，投產(chǎn)不到2個(gè)月，高密度裝置的PDS閥先后出現(xiàn)問(wèn)題，主要是閥門(mén)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(chē)才能進(jìn)行清理。平均每個(gè)月，裝置停車(chē)2次，運(yùn)行1a以來(lái)，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(mén)的選用時(shí)，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(shí)際使用情況，對(duì)各品牌PDS閥門(mén)使用情況及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究，供同行參考。

1 ARGUS的PDS閥門(mén)

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(mén)內(nèi)漏嚴(yán)重，閥門(mén)拆解后，發(fā)現(xiàn)閥桿損傷嚴(yán)重。由于該類(lèi)球閥高頻開(kāi)關(guān)，每5min開(kāi)關(guān)1次，每次動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)8s，閥桿與滑動(dòng)軸承摩擦頻繁，造成表面磨損嚴(yán)重。

2) 線(xiàn)性低密度聚乙烯裝置(LLDPE)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)漏嚴(yán)重，由于該類(lèi)PDS閥門(mén)開(kāi)關(guān)頻次較高，執(zhí)行機(jī)構(gòu)已達(dá)到使用壽命，O型圈斷裂，密封失效；此外閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部潤(rùn)滑脂老化變質(zhì)，密封組件磨損嚴(yán)重，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)漏。

通過(guò)檢修閥門(mén)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1個(gè)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(wèn)題，經(jīng)常出現(xiàn)閥桿抱死情況。ARGUS的PDS閥門(mén)扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多能保證1個(gè)周期的正常使用，但是齒條齒桿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)O型圈容易斷裂，密封組件磨損嚴(yán)重，不能滿(mǎn)足工藝需要。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

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

2) 分析檢測(cè)換修的閥門(mén)，其閥門(mén)中腔較小，介質(zhì)不會(huì)大量堆積。此外閥座采用特有專(zhuān)利的燕尾型刮刀式設(shè)計(jì)，使閥門(mén)在開(kāi)關(guān)時(shí)無(wú)法將大量聚合物顆粒帶入密封面內(nèi)，從而達(dá)到自清潔的功能。同時(shí)，軟閥座采用專(zhuān)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(rùn)滑性能，大幅延長(zhǎng)了使用壽命。

3) 金屬閥座和閥球的表面硬化處理，采用專(zhuān)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(dá)到68HRC，63HRC，硬化層厚度達(dá)到500mm以上，并且硬化層與基材通過(guò)形成的過(guò)渡層有機(jī)結(jié)合成一體，避免了長(zhǎng)周期運(yùn)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(mén)的密封等級(jí)在VI級(jí)以上。閥座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4) ARGUS的專(zhuān)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它的動(dòng)作壽命達(dá)到4×106次以上，能夠滿(mǎn)足聚烯烴裝置長(zhǎng)周期運(yùn)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(mén)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(lèi)材料，不可避免長(zhǎng)時(shí)間使用及介質(zhì)作用下產(chǎn)生金屬磨損粘結(jié)問(wèn)題。金屬粘結(jié)使球體及閥座密封面“亞光”磨損，不能達(dá)到鏡面效果，自聚性介質(zhì)粘結(jié)密封面，高頻開(kāi)關(guān)作用下?lián)p壞密封面。

2) 閥桿結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，閥桿與其他金屬部件接觸過(guò)多，長(zhǎng)時(shí)間的高頻次開(kāi)關(guān)會(huì)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(mén)傳動(dòng)鏈中心偏移，最終使閥桿“咬”死。

3) ARGUS閥門(mén)因?yàn)槠鋵?zhuān)利原因設(shè)計(jì)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(jì)有PEEK軸承，該設(shè)計(jì)目的是為了減少球體的摩擦，減輕閥門(mén)的扭矩。雖然該種結(jié)構(gòu)可解決下固定軸的內(nèi)漏點(diǎn)，但是由于工況介質(zhì)具有自聚特性，在縫隙中自聚越來(lái)越大，嚴(yán)重影響閥球在定位塊中轉(zhuǎn)動(dòng)，最終可能導(dǎo)致閥門(mén)抱死。

2 KITZ的PDS閥門(mén)

2.1 使用情況

第二代環(huán)管法聚丙烯裝置(STPP)。閥門(mén)內(nèi)漏嚴(yán)重，閥門(mén)拆解后，閥球、閥座磨損嚴(yán)重，劃痕深度已經(jīng)超過(guò)噴涂層厚度。由于該類(lèi)球閥開(kāi)關(guān)頻次較高，達(dá)到1次/min，每次動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)3s。閥球與閥座在高頻開(kāi)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(guò)檢修KITZ閥門(mén)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1個(gè)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(lèi)閥門(mén)已無(wú)法修復(fù)，需要更換閥球和閥座，不能滿(mǎn)足裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的需求。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

1) 相比ARGUS閥門(mén)，KITZ閥門(mén)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(duì)有效地解決金屬粘結(jié)問(wèn)題，并且碳化鎢涂層硬度達(dá)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(jì)2處PEEK軸承套，上下軸承對(duì)閥桿套起到定位導(dǎo)向作用，在高頻開(kāi)關(guān)下，能夠有效地減少閥的桿偏移量，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)扭矩平穩(wěn)。另外PEEK材料對(duì)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(mén)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(mén)的設(shè)計(jì)原則是減少閥座處的金屬摩擦，從而減輕閥門(mén)扭矩。該結(jié)構(gòu)利用板簧提供閥座預(yù)緊力，能夠起到補(bǔ)償作用，達(dá)到很好的密封效果。此外KITZ閥門(mén)的中腔設(shè)計(jì)不存在定位塊，減少了中腔空隙，進(jìn)而減少物料堆積。

2.3 局限性

1) 閥門(mén)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(kāi)關(guān)下，對(duì)閥門(mén)密封面有很大磨損，造成閥門(mén)泄漏。

2) ARGUS閥門(mén)及KITZ閥門(mén)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(kāi)關(guān)下，會(huì)對(duì)整個(gè)扭矩傳導(dǎo)鏈產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致閥桿“咬”死。此外KITZ閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開(kāi)關(guān)次數(shù)不能滿(mǎn)足工藝需要。

3 TYCO KTM的PDS閥門(mén)

3.1 使用情況

高密度聚乙烯裝置(HDPE)。閥門(mén)抱死無(wú)法開(kāi)關(guān)，該閥門(mén)開(kāi)關(guān)頻次較高，30s開(kāi)關(guān)一次，開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)3s，按8000h/a計(jì)算，每年開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)到1×106次。閥門(mén)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(guò)檢修閥門(mén)，發(fā)現(xiàn)該閥門(mén)大多為軟密封球閥，經(jīng)過(guò)一個(gè)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(lèi)閥門(mén)在長(zhǎng)周期高頻開(kāi)關(guān)下，存在一定問(wèn)題，軟閥座經(jīng)磨損之后，其使用壽命大幅降低。

3.2 優(yōu)點(diǎn)

1) 閥桿與PEEK材質(zhì)的滑動(dòng)軸承及特殊橡膠材質(zhì)的滑動(dòng)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(qiáng)聚四氟乙烯材質(zhì)，降低了摩擦系數(shù)，使閥桿開(kāi)關(guān)順暢，無(wú)卡阻。

2) 相比ARGUS閥門(mén)和KITZ閥門(mén)，TYCO KTM閥門(mén)經(jīng)濟(jì)性較好，在滿(mǎn)足工況長(zhǎng)周期運(yùn)行的情況下，性?xún)r(jià)比較高。

3.3 局限性

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

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

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著新工藝、新技術(shù)快速發(fā)展，PDS閥門(mén)技術(shù)也應(yīng)快速發(fā)展，以適應(yīng)和滿(mǎn)足工藝技術(shù)的要求，從而為聚烯烴裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行保駕護(hù)航。通過(guò)此次大檢修，分析總結(jié)PDS閥門(mén)故障原因，并綜合對(duì)比各品牌閥門(mén)的使用情況，找出各種閥門(mén)的優(yōu)缺點(diǎn)，吸取各品牌閥門(mén)的長(zhǎng)處，選擇合適的閥門(mén)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成PDS閥門(mén)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為推動(dòng)該類(lèi)閥門(mén)的國(guó)產(chǎn)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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劉琰鉀(1984—)，男，遼寧遼陽(yáng)人，2008年畢業(yè)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)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

B

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。