淺析聚丙烯裝置特殊儀表及閥門的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 峰，汪 璟

（中國(guó)寰球工程公司 北京分公司，北京 100012）

自聚丙烯生產(chǎn)工業(yè)化以來，聚丙烯生產(chǎn)工藝不斷發(fā)展。目前，根據(jù)介質(zhì)相態(tài)不同，聚丙烯工藝主要有以下3 類：

漿液法工藝：20 世紀(jì)90 年代后已基本不再使用，目前主要用來生產(chǎn)特殊牌號(hào)產(chǎn)品。

液相本體法工藝：液相本體法工藝是在反應(yīng)體系中不加任何溶劑，將催化劑直接分散在液相丙烯中，進(jìn)行液相本體聚合反應(yīng)。聚合物在液相丙烯中析出，以細(xì)顆粒狀懸浮在液相丙烯中，隨著時(shí)間增加，聚合物濃度不斷提高。當(dāng)丙烯轉(zhuǎn)換率達(dá)到一定程度時(shí)，經(jīng)過閃蒸回收丙烯單體，隨后即得到粉料聚丙烯產(chǎn)品。液相本體法的代表工藝有：Spheripol/Spherizone 工藝、Hypol 工藝。

氣相法工藝：該類工藝是氣相丙烯在催化劑作用下直接聚合生成粉料聚合物產(chǎn)品。氣相法的代表工藝有：流化床Unipol、住友工藝；立式攪拌床Novolen 工藝；臥式攪拌床反應(yīng)器：INEOS 工藝等。

1 聚丙烯裝置儀表閥門選型的特殊性

聚丙烯裝置的介質(zhì)種類多（丙烯、乙烯、丁烯、氫氣、三乙基鋁、催化劑），相態(tài)雜（氣相、液相、漿料、粉料、粒料），其特點(diǎn)決定了相應(yīng)儀表閥門選型的特殊性及復(fù)雜性。針對(duì)目前主流的聚丙烯專利，本文通過對(duì)氣相法的INEOS 專利及液相本體法的BASEL SPHERIPOL/SPHERIZONE 專利的特殊儀表閥門設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié),選取具有代表性的放射性料位計(jì)、氣相色譜分析儀、PDS 閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、微小流量調(diào)節(jié)閥分類介紹。

表1 放射源種類及特性Table 1 Types and characteristics of radioactive sources

表2 不同使用場(chǎng)所對(duì)檢測(cè)儀表外圍輻射的劑量控制要求Table 2 Dose control requirements for the peripheral radiation of the test instrument in different places of use

1.1 放射性料位計(jì)

1.1.1 設(shè)置目的及應(yīng)用

聚丙烯裝置在正常生產(chǎn)過程中，需要對(duì)反應(yīng)器、氣鎖器、袋濾器、脫氣倉(cāng)等多個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的料位進(jìn)行測(cè)量控制。設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)往往是氣相丙烯中夾帶聚丙烯粉末，一些設(shè)備還帶有攪拌器，使用常規(guī)料位測(cè)量?jī)x表往往精度太差，難以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。因此，采用非接觸式的放射性料位計(jì)往往是此種工況的首選。

1.1.2 放射性料位計(jì)構(gòu)成

放射性料位計(jì)一般由放射源、檢測(cè)器和變送器3 部分組成。

1）放射源：放射源種類及特性見表1。Cs-137 由于它的能量較低，主要用于設(shè)備壁厚較小的工況，比Co-60 更好的測(cè)量效果，屏蔽容易，成為目前聚丙烯裝置中最常用的同位素。Co-60 具有相對(duì)高的能量，主要用于設(shè)備壁厚較大的工況。

放射源需配置防護(hù)容器，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作安裝的實(shí)際需要，可將放射源做成點(diǎn)源、多點(diǎn)源、棒狀源等。放射源的強(qiáng)度則需要考慮設(shè)備尺寸、壁厚、材質(zhì)、伴熱護(hù)套/盤管、設(shè)備是否帶有攪拌器等因素，同時(shí)應(yīng)考慮在一定距離內(nèi)，人體所吸收的放射源射線劑量是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GBZ125-2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》的具體要求[2]，詳見表2。

2）檢測(cè)器：檢測(cè)器的種類有電離式型、GM 計(jì)數(shù)管型、閃爍晶體型、柔性光纖型。電離式型由于價(jià)格貴、體積大等劣勢(shì)應(yīng)用較少，主要用于現(xiàn)場(chǎng)溫度、振動(dòng)較為惡劣的場(chǎng)合；GM 計(jì)數(shù)管型體積小、價(jià)格低，但易受溫度、振動(dòng)影響；閃爍晶體型靈敏度高，但對(duì)振動(dòng)很敏感；柔性光纖型的特點(diǎn)是柔性材質(zhì)，適用于復(fù)雜外形的設(shè)備，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝[3]。各類檢測(cè)器的特點(diǎn)比較詳見表3。

3）變送器：變送器主要由4 部分組成，一般包括電源、脈沖放大器、補(bǔ)償電路和轉(zhuǎn)換單元。由于檢測(cè)器輸出電流非常小，需要脈沖放大器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4mA ～20mA 輸出信號(hào)。隨著儀表技術(shù)的發(fā)展，目前市場(chǎng)上主流的放射性料位計(jì)已經(jīng)把檢測(cè)器和變送器集成一體化。

1.1.3 需要注意的問題

放射性料位計(jì)在料位測(cè)量的過程中，會(huì)受到多種因素的影響，造成測(cè)量誤差，進(jìn)而影響裝置生產(chǎn)的可靠性和安全性。主要包括以下幾個(gè)方面：

1）相近放射源之間互相干擾：在INEOS 的聚丙烯工藝中，一般兩條下料線的氣鎖器平行布置，距離很近。如果未充分考慮放射源與檢測(cè)器布置方位，會(huì)造成射線的相互干擾，造成檢測(cè)器的虛假信號(hào)。對(duì)于這種輻射干擾，一方面在設(shè)計(jì)階段要充分考慮合理布置檢測(cè)器的位置；另一方面可以考慮在兩臺(tái)設(shè)備之間增加鉛板隔離，從物理上隔絕射線干擾。

表3 各類檢測(cè)器特點(diǎn)比較Table 3 Comparison of various detector characteristics

2）氣相介質(zhì)密度變化的影響：在INEOS 的聚丙烯工藝中，液相丙烯進(jìn)入反應(yīng)器吸熱后汽化，氣相密度隨溫度壓力的變化而變化。一般情況下，氣相介質(zhì)密度變化不大，對(duì)放射性料位計(jì)的影響忽略不計(jì)。但當(dāng)這種變化達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)造成脈沖強(qiáng)度的衰減，使料位測(cè)量的準(zhǔn)確性降低。在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮增加一臺(tái)密度計(jì)，將密度信號(hào)引入DCS 系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

1.2 氣相色譜分析儀

1.2.1 應(yīng)用工況

在液相本體法工藝中，氣相色譜分析儀主要用于原料組分監(jiān)控及H2的注入流量控制，要求相對(duì)簡(jiǎn)單。然而在氣相法工藝中，反應(yīng)器頂部氣相色譜的分析結(jié)果所得的H2/C3=,C2=/C3=比例，直接串級(jí)控制H2及乙烯的進(jìn)料控制閥，用于精確控制反應(yīng)器各組分進(jìn)料量，對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)效性和精確性提出了很高的要求。整個(gè)分析回路的循環(huán)時(shí)間要求小于3min，需要對(duì)取樣點(diǎn)及分析小屋的布置。

1.2.2 需要注意的問題

1）取樣點(diǎn)及分析小屋的布置：由于對(duì)循環(huán)時(shí)間的要求，分析小屋要靠近取樣點(diǎn)布置，同時(shí)也需要兼顧兩臺(tái)反應(yīng)器，一般需要放置在兩臺(tái)反應(yīng)器之間的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上。

2）過濾器的設(shè)置：在取樣過程中，介質(zhì)仍在繼續(xù)反應(yīng)，不斷生成聚丙烯粉末，所以需要在整個(gè)回路中設(shè)置多級(jí)過濾，防止取樣回路堵塞。常用配置是在前處理箱中設(shè)置一用一備旋風(fēng)分離過濾器和一用一備金屬燒結(jié)過濾器。在預(yù)處理箱進(jìn)口設(shè)置一個(gè)金屬燒結(jié)過濾器，在色譜分析儀入口設(shè)置一個(gè)金屬燒結(jié)過濾器。

1.3 高頻開關(guān)閥（PDS閥）

1.3.1 應(yīng)用工況

在INEOS 工藝中，產(chǎn)品下料系統(tǒng)以間歇方式將聚丙烯粉末從第一反應(yīng)器經(jīng)氣鎖器后送入第二反應(yīng)器，再由第二反應(yīng)器送入袋式過濾器。整套系統(tǒng)由順控邏輯控制，由PDS 閥門實(shí)現(xiàn)。PDS 閥門運(yùn)行的好壞，直接影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

由于工藝的技術(shù)特點(diǎn)和要求，PDS 閥面臨非常嚴(yán)苛的條件：極高的動(dòng)作頻率和循環(huán)次數(shù)；大量聚丙烯粉末對(duì)密封面的極度磨損；高壓差、沖刷嚴(yán)重；閥門的快速動(dòng)作，嚴(yán)格的密封等級(jí)要求。因此，須對(duì)閥門的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行充分地考慮，以滿足各種技術(shù)要求。

1.3.2 PDS閥特點(diǎn)

1）閥體、閥球、閥座等部件均采用鍛造設(shè)計(jì)，提高閥體強(qiáng)度；同時(shí)閥門內(nèi)件都采用表面硬化處理，硬化層厚度在研磨后不低于500μm，滿足高頻、耐磨、抗沖刷要求，延長(zhǎng)了免維護(hù)周期。

2）閥桿設(shè)計(jì)有兩層軸套，保證閥桿嚴(yán)密對(duì)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩平穩(wěn)；同時(shí)采用摩擦系數(shù)較小的PEEK 材料，減小閥門扭矩。

3）閥座后采用蝶形合金彈簧助力，在彈簧兩側(cè)采用防塵圈保護(hù)，確保密封性的同時(shí)能避免彈簧前后聚積聚丙烯粉末，也避免了柱狀彈簧由于腐蝕或進(jìn)入顆粒后發(fā)生推力不均勻，造成閥門泄漏。

4）閥座密封面兩側(cè)采用刮刀式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將閥門空隙中的粉末及時(shí)清除，滿足自清潔功能。

5）閥體重型設(shè)計(jì)。閥體中法蘭的螺栓數(shù)量是ANSI 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的兩倍，增加閥門強(qiáng)度。

6）采用扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)。扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積小，便于在現(xiàn)場(chǎng)密集管線中安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封材料耐磨性高，滿足高頻開關(guān)的要求。

1.3.3 需要注意的問題

閥門選型時(shí)建議選擇硬密封及選用扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)。早期的PDS 閥產(chǎn)品很多采用的是軟密封和齒輪齒條結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，軟密封無法抵抗聚丙烯粉末長(zhǎng)期沖刷，齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法應(yīng)對(duì)高頻開關(guān)工況，均會(huì)造成閥門故障，無法滿足長(zhǎng)周期正常生產(chǎn)。

2 現(xiàn)狀與思考

從目前國(guó)內(nèi)大型聚丙烯裝置儀表閥門的實(shí)際使用情況來看，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)中低檔儀表閥門大部分可替代進(jìn)口產(chǎn)品，但上文中提到的4 種關(guān)鍵儀表閥門的進(jìn)口品牌使用率仍在90%以上，價(jià)格十分高昂。從近期中美貿(mào)易戰(zhàn)和華為事件可以看出，關(guān)鍵核心設(shè)備的自主可控至關(guān)重要，國(guó)產(chǎn)儀表替代方案迫在眉睫。作為儀器儀表行業(yè)從業(yè)者，擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)儀表閥門使用率是我們義不容辭的責(zé)任。給那些優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)自主產(chǎn)品使用的機(jī)會(huì)，使國(guó)產(chǎn)儀表閥門企業(yè)形成創(chuàng)新—研發(fā)—銷售的閉環(huán)，逐漸完善產(chǎn)品，形成廠家的產(chǎn)品越用越好，業(yè)主用起來越好越用的良性循環(huán)。

3 結(jié)束語

聚丙烯裝置一般作為全廠的產(chǎn)品裝置，是否平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)整個(gè)工廠的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。放射性料位計(jì)、氣相色譜分析儀、PDS 閥以及偏心旋轉(zhuǎn)閥均是聚丙烯裝置的核心監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，是聚丙烯裝置儀表設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文通過對(duì)各類特殊儀表閥門的工況需求、儀表自身特點(diǎn)，及設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題進(jìn)行分析，為今后類似裝置提供設(shè)計(jì)依據(jù)。