PDS 高頻球閥故障分析與優(yōu)化

朱 健

（中國石油化工股份有限公司揚(yáng)子石化公司）

聚丙烯和聚乙烯生產(chǎn)工藝的核心是產(chǎn)品排料系統(tǒng)（Product Discharge System，PDS）。 PDS 裝置能否長周期、安全穩(wěn)定地運(yùn)行將直接影響聚烯烴裝置的產(chǎn)能［1～3］。

由于PDS 裝置采用的是聯(lián)鎖順控系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)中閥門動(dòng)作時(shí)序不對(duì)或者配合不當(dāng)，粉料就可能發(fā)生自聚，輕則堵塞管道，重則導(dǎo)致系統(tǒng)停車，因此對(duì)參與順控操作的閥門動(dòng)作的可靠性要求極高。

為了實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，目前國內(nèi)大部分PDS 裝置中采用的都是國外進(jìn)口品牌的PDS 閥門，國產(chǎn)閥門在PDS 裝置中應(yīng)用很少。雖然采用的是進(jìn)口產(chǎn)品，但根據(jù)多年實(shí)際使用情況來看，進(jìn)口閥門使用壽命短的只有4～6 個(gè)月，不能滿足系統(tǒng)長周期、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。 因此筆者研究PDS 閥門工況的特點(diǎn)，分析PDS 閥門故障的原因，探索國產(chǎn)化高品質(zhì)PDS 閥門的開發(fā)應(yīng)用，這對(duì)打破國外品牌壟斷，實(shí)現(xiàn)PDS 閥門國產(chǎn)化以及提升裝置長周期運(yùn)行效果有重要意義。

1 PDS 閥門的工況條件特點(diǎn)

氣相聚乙烯/聚丙烯在流化床反應(yīng)器中反應(yīng)生成固體聚乙烯/聚丙烯顆粒， 并通過PDS 排料系統(tǒng)將固體聚烯烴顆粒從反應(yīng)器最終分離排入產(chǎn)品出料罐中［4］。

結(jié)合工藝技術(shù)的特點(diǎn)和要求，分析PDS 閥門的工況條件特點(diǎn)［5，6］如下：

a. PDS 裝置中閥門的開關(guān)頻率極高。PDS 閥門年開關(guān)次數(shù)為10 萬到50 萬次，過于頻繁的開關(guān)動(dòng)作要求閥門及其氣控部件具有極高的安全可靠性。

b. PDS 閥門介質(zhì)為固體聚合顆粒粉末。 聚烯烴生產(chǎn)裝置中反應(yīng)生成的粉狀顆粒產(chǎn)品，在催化劑的作用下硬度變高且具有自聚性。 顆粒粉末介質(zhì)在閥門高頻次的開關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)進(jìn)入球座密封面，對(duì)球體和閥座的密封面產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，如圖1所示。 由于介質(zhì)的自聚性，聚合顆粒會(huì)停留在閥內(nèi)縫隙中，并自聚得越來越大，會(huì)影響閥門的開關(guān)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致閥門抱死，同時(shí)會(huì)損害氣缸等氣控元件。

圖1 球體密封面劃傷

c. 密封等級(jí)要求高。PDS 裝置中的硬密封球閥的泄漏等級(jí)一般要達(dá)到Ⅵ密封。

d. 高壓差造成閥門沖刷現(xiàn)象。 由于PDS 系統(tǒng)排料時(shí)的高壓差，固體聚烯烴顆粒會(huì)對(duì)閥門造成嚴(yán)重的沖刷現(xiàn)象。

e. 聚合反應(yīng)的溫差變化大。聚烯烴生產(chǎn)裝置在緊急事故情況下， 介質(zhì)在高壓時(shí)會(huì)形成低溫，這要求PDS 閥門要達(dá)到低溫到-45 ℃的設(shè)計(jì)要求。

f. 閥門開關(guān)速度要快。 PDS 系統(tǒng)對(duì)閥門的開關(guān)速度要求極高，對(duì)于口徑小于6 英寸（1 英寸=25.4 毫米）的閥門，開關(guān)時(shí)間要求在1.5 s 以內(nèi)，6英寸及以上的閥門開關(guān)時(shí)間要求在2.5 s 內(nèi)。

2 PDS 閥門故障與分析

過去聚烯烴裝置上采用的PDS 切斷閥主要為進(jìn)口產(chǎn)品，雖然是國際知名品牌PDS 閥門生產(chǎn)商的產(chǎn)品，但是它們的PDS 閥門也不盡完美。 筆者對(duì)某進(jìn)口品牌PDS 閥門從其結(jié)構(gòu)與材料兩個(gè)方面對(duì)常見故障進(jìn)行分析。

2.1 球座密封面涂層拉傷

球座表面硬化材料使用其本廠的特殊ARGLOY 合金，硬度值約HRC60，這種材料在正常情況下使用沒有問題，但其硬度值偏低，閥門長期高頻開關(guān)后，聚乙烯/聚丙烯顆粒介質(zhì)有時(shí)也會(huì)對(duì)球座密封面造成劃傷，如圖2 所示。

圖2 球座密封面劃傷

2.2 閥桿拉傷與變形

閥桿與球體連接處采用4 個(gè)圓柱銷連接，此種設(shè)計(jì)能保證閥桿高頻率動(dòng)作下嚴(yán)格對(duì)中，使閥門扭矩保持長期穩(wěn)定，但是這種連接方式也有缺陷：閥桿頭部易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)閥門出現(xiàn)卡澀時(shí)， 閥桿頭部易出現(xiàn)變形甚至斷裂， 如圖3所示。

圖3 銷連接閥桿斷裂

閥桿處采用的是單片PEEK 材料的止推軸承，雖然該軸承可以有效減少摩擦阻力，降低閥門的開關(guān)扭矩，但由于閥門開關(guān)頻率較高，在開關(guān)一定次數(shù)后，PEEK 材料的止推軸承極易被磨損。 這就造成閥桿和閥體，閥桿和球體間的間隙變大，在高頻開關(guān)的工況，極易造成閥桿的拉傷，并且加劇閥桿頭部的變形，如圖4 所示。

圖4 閥桿拉傷

閥桿花鍵結(jié)構(gòu)造成氣缸損傷。 閥桿和聯(lián)軸器連接處采用花鍵連接，在氣缸拆裝過程中很容易造成花鍵毛糙，若在組裝時(shí)不注意，閥桿不能完全進(jìn)入聯(lián)軸器花鍵孔中，導(dǎo)致氣缸軸上移，氣缸活塞基板和氣缸上端蓋釉面直接接觸，最終導(dǎo)致上端蓋被基板刮傷，造成氣缸的磨損（圖5）。在維修的閥門中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于該原因造成的氣缸串氣漏氣甚至缸體拉傷，造成閥門開關(guān)不到位的現(xiàn)象。

圖5 氣缸刮傷磨損

2.3 碟簧底部物料堆積

PDS 閥門的介質(zhì)為聚烯烴顆粒粉末，具有較強(qiáng)的自聚性，容易在碟簧與閥體閥帽之間的三角區(qū)域堆積大量的介質(zhì)顆粒粉末。 碟簧由于大量介質(zhì)顆粒粉末的堆積而變形量加大且無法復(fù)位（圖6），從而失去固有的彈性功能，處于卡死狀態(tài)，進(jìn)而引起球座之間的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩增大，最終導(dǎo)致閥門出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

圖6 碟簧底部物料堆積

2.4 填料外漏

填料外漏是PDS 閥門非常常見的故障，分析其填料結(jié)構(gòu)與材料主要有以下幾個(gè)原因：

a. 采用單層填料，填料高度過短，不利于密封。 當(dāng)發(fā)生填料外漏時(shí)，采用壓緊填料的方法，效果很差。

b. 閥桿定位軸承只有一個(gè)， 且長度較短，容易造成閥桿傾斜，擠壓填料導(dǎo)致填料損壞。

c. 填料為單純的柔性石墨材料，柔性石墨壓縮量不易控制，若壓縮量小，密封效果不好，若壓縮量大，填料和閥桿的摩擦力會(huì)變大，且在閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，石墨填料易被磨損。

3 PDS 閥門優(yōu)化

通過對(duì)進(jìn)口PDS 閥門常見的故障原因進(jìn)行分析，某國產(chǎn)品牌閥門制造商根據(jù)以往氣固兩相工況閥門的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合PDS 工況環(huán)境特點(diǎn)，在密封面材料、 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及氣缸損傷等方面對(duì)PDS 高頻閥門做了針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 密封面材料的選擇

針對(duì)PDS 閥門高頻開關(guān)的特殊性，只有高度耐磨性材料才適合用作硬涂層材料，同時(shí)為了延長閥門的使用壽命，必須采用較低摩擦系數(shù)且不會(huì)發(fā)生金屬粘接的配對(duì)材料來盡可能地提高密封面的壽命。 通過大量的對(duì)比試驗(yàn)后，選擇采用復(fù)合涂層，能較好地滿足這樣的要求，國產(chǎn)自主研發(fā)的FSLLOY30 硬質(zhì)合金較徹底地解決了固體粉料工況下球座密封面容易拉傷的難題，相比其他硬質(zhì)合金材料，無論在耐磨性能上還是使用壽命上都有很大提高。 經(jīng)干燥物料系統(tǒng)試驗(yàn)證明，閥門開關(guān)200 萬次以上后，密封面涂層無損傷、密封效果良好（圖7），能較好地滿足PDS 閥門年動(dòng)作百萬次的要求。

圖7 開關(guān)200 萬次后的FSLLOY30 涂層密封面

3.2 雙刮刀設(shè)計(jì)

由于PDS 閥門介質(zhì)是固體顆粒粉末，要求閥座具有自清潔功能。 采用閥座雙刮刀設(shè)計(jì)（圖8）可以在閥門開關(guān)時(shí)有效地阻止固體顆粒粉末進(jìn)入球座密封面，從而減少球座密封面被介質(zhì)顆粒劃傷的可能，延長PDS 閥門的使用壽命。

圖8 閥座雙刮刀設(shè)計(jì)

3.3 泄灰槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)碟簧底部物料堆積的問題，設(shè)計(jì)泄灰槽結(jié)構(gòu)，在碟簧后設(shè)計(jì)花瓣形泄灰槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)物料進(jìn)入碟簧底部三角區(qū)域后，通過泄灰槽將碟簧后面的顆粒粉料排出。 碟簧不會(huì)被卡死，保證了閥座的靈活性，從而使該處扭矩很好地控制在設(shè)計(jì)范圍，保證了PDS 系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.4 閥桿優(yōu)化

閥桿多重軸套定位及優(yōu)化。 為防止閥桿偏斜，采用多重軸套進(jìn)行定位，同時(shí)閥桿與軸套接觸面進(jìn)行硬化處理，增加了閥桿和軸套的耐磨性能。 另外，在閥桿底部增加防塵圈，防止超細(xì)粉末進(jìn)入軸承腔而導(dǎo)致閥門扭矩增大。

雙止推軸承設(shè)計(jì)。 在閥桿處采用雙止推軸承設(shè)計(jì)，止推軸承采用整體燒結(jié)制成。 相對(duì)于單片PEEK 止推軸承， 整體燒結(jié)的雙止推軸承硬度較高且不易磨損，可以較好地避免PEEK 材料容易磨損的缺點(diǎn)，與此同時(shí)雙止推軸承結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)摩擦副， 可以有效地降低閥門的摩擦扭矩，減少閥桿抱死扭傷的可能。

雙重填料設(shè)計(jì)。 針對(duì)填料易外漏的現(xiàn)象，采用PTFE+柔性石墨的雙重填料設(shè)計(jì)。 雙重填料設(shè)計(jì)加大了填料高度，當(dāng)填料松弛后，可通過再次調(diào)整壓縮量，實(shí)現(xiàn)填料處的再次密封。PTFE+柔性石墨的設(shè)計(jì)相較于單純的石墨填料具有更好的耐磨性，更適用于高頻率開關(guān)的閥門，填料不易損壞，從而延長了填料的使用壽命，保證了閥門的安全運(yùn)行。

閥桿方頭設(shè)計(jì)。 便于工人安裝操作。

優(yōu)化后的閥桿結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 優(yōu)化后的閥桿結(jié)構(gòu)

3.5 提高氣缸扭矩安全系數(shù)

由于PDS 高頻球閥的介質(zhì)均為固體粉末顆粒， 相較于氣體和液體介質(zhì)閥門開關(guān)扭矩增大。在高頻球閥氣缸選型時(shí)，應(yīng)同樣選用性能較為穩(wěn)定的KINETROL 氣缸。與此同時(shí)要提高氣缸輸出扭矩的安全系數(shù)，氣缸輸出扭矩安全系數(shù)至少要大于2.0，這樣才可以保證閥門長期穩(wěn)定地開關(guān)，還可以降低氣缸的損壞次數(shù)。

4 優(yōu)化效果

目前，此優(yōu)化后的PDS 高頻球閥已逐漸在多套PDS 裝置上成功使用（圖10），并取得了良好的效果反饋。 從開關(guān)頻率、密封效果及使用壽命等方面均優(yōu)于國外進(jìn)口的PDS 閥門。

圖10 優(yōu)化后的PDS 閥門在線安裝場(chǎng)景

5 結(jié)束語

隨著國內(nèi)各行各業(yè)對(duì)聚丙烯/聚乙烯需求的增加，未來聚烯烴生產(chǎn)裝置的產(chǎn)能和規(guī)模也會(huì)越來越大，這對(duì)PDS 閥門開關(guān)頻率、密封效果及使用壽命等方面將會(huì)提出新的要求。 分析研究PDS高頻球閥的故障原因， 提出國產(chǎn)化優(yōu)化解決方案， 對(duì)實(shí)現(xiàn)PDS 裝置閥門的國產(chǎn)化應(yīng)用、 提高PDS 長周期可靠運(yùn)行具有重要意義。