聚丙烯氣鎖器閥門執(zhí)行器故障分析與選型改進(jìn)

劉文斌 袁富強(qiáng)

（1.北京燕化正邦設(shè)備檢修有限公司；2.神華新疆化工有限公司）

聚丙烯（Polypropylene，PP）是以丙烯為單體聚合而成的樹脂，是通用塑料的一個(gè)重要品種。聚丙烯是結(jié)晶性高聚物，有著質(zhì)輕價(jià)廉、無毒、無味且機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。聚丙烯以其價(jià)格低廉、相對硬度高、密度小、高透明性、耐化學(xué)性能并且具有良好的注塑性能的優(yōu)點(diǎn)，可以與其他材料共混改性。因耐環(huán)境性能好、壽命長等特點(diǎn)，逐漸取代部分金屬、其他塑料材料及木材等，用于包裝、運(yùn)輸、紡織、建材、家電及日用消費(fèi)等領(lǐng)域。

神華新疆化工有限公司的年產(chǎn)68萬噸煤基新材料特大型煤化項(xiàng)目，是目前新疆第1個(gè)煤基新材料項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于新疆烏魯木齊市米東區(qū)，年產(chǎn)27萬噸聚乙烯、45萬噸聚丙烯（其中4萬噸屬于回收再利用），并副產(chǎn)工業(yè)丙烷、混合碳四及碳五、硫磺、硫酸銨等高附加值產(chǎn)品。該項(xiàng)目的聚丙烯裝置采用的是INEOS公司的Innovene氣相聚丙烯工藝，裝置有1條生產(chǎn)線，由2個(gè)直徑10英尺（3.048m）的氣相聚合反應(yīng)器串聯(lián)組成，兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作，必要時(shí)第一反應(yīng)器可單獨(dú)操作，但單反運(yùn)行聚丙烯產(chǎn)量最高為43t/h，而兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)，產(chǎn)量最高可達(dá)62.41t/h。

1 氣鎖器系統(tǒng)的作用及PDS閥門介紹

氣鎖器系統(tǒng)是將第一反應(yīng)器和第二反應(yīng)器串聯(lián)起來的中間過渡單元，在工藝生產(chǎn)中有著非常重要的作用，能將第一反應(yīng)器帶有“活性”的粉料輸送至第二反應(yīng)器，該系統(tǒng)可避免第一反應(yīng)器中粉料夾帶的氫氣被送到第二反應(yīng)器，并防止乙烯和反應(yīng)速度控制劑從第二反應(yīng)器返回到第一反應(yīng)器，同時(shí)將粉料夾帶的氣體分離出來，然后對氣體進(jìn)行過濾、壓縮并返回至第一反應(yīng)器頂部冷凝器，中間不產(chǎn)生任何污染，隔離兩個(gè)聚合反應(yīng)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)通過對反應(yīng)器出料閥門和氣鎖器閥門進(jìn)行順序控制來進(jìn)行操作。無論生產(chǎn)均聚物還是共聚物都采用相同的操作方式。為了實(shí)現(xiàn)這一工藝過程，在整個(gè)氣鎖系統(tǒng)中設(shè)置了數(shù)量、種類眾多的閥門，即PDS閥門。氣鎖系統(tǒng)中，主要的PDS閥門有16臺，都屬于高頻次動(dòng)作的閥門［1，2］。 在氣鎖器系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，氣鎖器閥門要進(jìn)行不斷的開關(guān)動(dòng)作，在一個(gè)運(yùn)行周期（240s）內(nèi)，反應(yīng)器出料閥門要?jiǎng)幼?次，其他閥門各需動(dòng)作至少1次。整個(gè)反應(yīng)過程連續(xù)進(jìn)行，通過閥門不停地開關(guān)動(dòng)作，完成粉料從第一反應(yīng)器到第二反應(yīng)器的轉(zhuǎn)移和兩個(gè)反應(yīng)器物料的相互隔離。

2 氣鎖器系統(tǒng)PDS閥門的故障分析

根據(jù)氣鎖器系統(tǒng)的工藝要求，需要閥門不停地開關(guān)動(dòng)作，這就對閥門的質(zhì)量和安裝有了更高的要求。在裝置設(shè)計(jì)、建造時(shí)，氣鎖器系統(tǒng)閥門選用了美國福斯和英國肯吶特的執(zhí)行器，都屬于口碑較好的儀表設(shè)備。但在運(yùn)行的過程中，還是出現(xiàn)了許多的故障，成為影響工藝順控運(yùn)行的主要問題。

2.1 故障一

沉降器至氣鎖器、氣鎖器至第二反應(yīng)器的粉料線閥門，采用（美國福斯）撥叉式大扭矩執(zhí)行器，即曲軸連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，將活塞和彈簧的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閥桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)閥體轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為90°，在執(zhí)行器殼體設(shè)置了開關(guān)限位螺絲，在轉(zhuǎn)軸上設(shè)置了制動(dòng)板。制動(dòng)板和限位螺絲接觸，使轉(zhuǎn)軸制動(dòng)并保證準(zhǔn)確的開度。曲軸連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中速度特別快，對制動(dòng)板和限位螺絲的撞擊力非常大。在高頻次的動(dòng)作中，制動(dòng)板與限位螺絲的接觸面會因猛烈的撞擊產(chǎn)生疲勞、蠕變［3］。隨著時(shí)間的推移，制動(dòng)板的轉(zhuǎn)角因接觸面的形變而增大，當(dāng)形變至撥叉滑塊的移動(dòng)位移沒有了余量，造成連桿受力不均勻后，會在拉桿與彈簧或曲軸連接的強(qiáng)度最低處產(chǎn)生折斷，造成閥門故障引起氣鎖器順控中止，引發(fā)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，反應(yīng)器負(fù)荷下降甚至停車。因?yàn)闅怄i器順控停止，導(dǎo)致第一反應(yīng)器不能及時(shí)出料而料位升高，增加了反應(yīng)器攪拌器的阻力且容易使第二反應(yīng)器因?yàn)闇囟燃眲∽兓a(chǎn)生片料、塊料等現(xiàn)象。

曲軸拉桿折斷后，儀表維護(hù)人員需要更換執(zhí)行器。因?yàn)闅怄i器粉料線閥門執(zhí)行器的體積和重量都很大（約800kg），安裝位置特殊，使執(zhí)行器更換工作難度非常高、工作量大，還需要專業(yè)起重工參與。在執(zhí)行器回裝過程中，由于球閥閥桿處于水平位，需要將閥門的執(zhí)行器、連軸套、閥體對中連接；由于在高空，執(zhí)行器太重?zé)o法調(diào)整轉(zhuǎn)軸方向，對中連接組裝工作的難度非常大。一般拆卸和回裝一個(gè)執(zhí)行器，需要6名工作人員干一整天甚至更長時(shí)間。

2.2 故障二

第一反應(yīng)器和第二反應(yīng)器出料閥在選型時(shí)采用了（英國肯吶特）單作用轉(zhuǎn)式單葉板執(zhí)行機(jī)構(gòu)，葉板式活塞在氣源的推動(dòng)下，與執(zhí)行器一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不像撥叉式執(zhí)行器那樣快速動(dòng)作并制動(dòng)撞擊，動(dòng)作是非常柔和的。但這種閥門的整個(gè)轉(zhuǎn)軸由葉板式活塞軸、復(fù)位彈簧軸和閥體軸3部分組成，且采用了過渡配合的裝配方式。在實(shí)際使用中，因反應(yīng)器出料管線閥門過于密集無法垂直安裝，故根據(jù)空間傾斜安裝。這樣，執(zhí)行器會因?yàn)樽陨碇亓慷a(chǎn)生豎直向下的重力，該重力的最終作用點(diǎn)是閥體的轉(zhuǎn)軸，長期會使閥體轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生微微的傾斜形變，因3個(gè)轉(zhuǎn)軸采用了過渡配合，會使該變形逐級放大，導(dǎo)致活塞部分的外部轉(zhuǎn)軸終端的中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡由點(diǎn)變成不規(guī)則的圈，直接的表現(xiàn)是轉(zhuǎn)軸受力不均勻，向氣缸的殼體擠壓，使轉(zhuǎn)軸與內(nèi)部金屬軸套相互摩擦，待軸套磨損后，轉(zhuǎn)軸沒有約束，偏心更加嚴(yán)重，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸的外漏部分和氣缸殼體間的密封圈受到擠壓而產(chǎn)生磨損。

在氣鎖閥門維護(hù)工作量的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，最近半年里，平均兩周就出現(xiàn)一次閥門斷軸故障，最高的記錄是36h內(nèi)出現(xiàn)3次斷軸或磨損故障，閥門問題成了影響裝置產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的主要原因。

在聚丙烯裝置中，尤其是氣鎖器單元，閥門的安裝都在高層框架上，每次執(zhí)行器的下線維修都需要250t以上的吊車，造成了巨大的人力物力浪費(fèi)，同時(shí)閥門故障導(dǎo)致生產(chǎn)停止，造成的損失非常大。

4.2.1 明確平臺定位，構(gòu)建國家級資源共享平臺。聯(lián)合采訪平臺的建設(shè)只有在滿足絕大部分用戶需求的前提下，具備公益性質(zhì)才能被廣泛認(rèn)同和運(yùn)用。例如美國聯(lián)機(jī)計(jì)算機(jī)圖書館中心OCLC數(shù)據(jù)，以及國內(nèi)的聯(lián)機(jī)聯(lián)合編目系統(tǒng)就是很好的例證，它們成功最主要的因素就是滿足了所有圖書館的共同需求。相反，由任何一方以營利為目的構(gòu)建的平臺自然不被市場看好，因?yàn)橹鹄允巧虡I(yè)的本質(zhì)，也是眾多商家的本性。只有將平臺定位為公共服務(wù)資源平臺，堅(jiān)持行政推動(dòng)和發(fā)揮市場作用相結(jié)合，最大限度地調(diào)動(dòng)館配三方參與平臺建設(shè)的積極性，確保多方參與建設(shè)，擴(kuò)大平臺的覆蓋范圍，才能真正實(shí)現(xiàn)資源共建共享的目的。

3 閥門的選型分析

仔細(xì)分析閥門的故障原因，主要是選型不合理造成的。撥叉式曲軸連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)，動(dòng)作沖擊過大，不適合高頻次場合使用［4］。轉(zhuǎn)式單葉板單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因自身的三軸連接而不能隨現(xiàn)場實(shí)際情況全方位安裝。所以需要對現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)重新選型才能徹底解決問題。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況研究發(fā)現(xiàn)，將以上兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)更換為轉(zhuǎn)式單葉板雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以使問題得到很好的解決。

首先，與撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，轉(zhuǎn)式單葉板雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)柔和，活塞制動(dòng)板與限位螺絲接觸沖擊力小，因自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，即使制動(dòng)板接觸點(diǎn)發(fā)生形變，轉(zhuǎn)角超過90°，因?yàn)闆]有連桿，也不會有斷軸故障出現(xiàn)。當(dāng)前的主流轉(zhuǎn)式單葉板執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用鑄鋁殼體，非常輕，大約30kg，一兩個(gè)人就可以進(jìn)行維護(hù)［5］，可以直接靠人工送至地面，節(jié)省吊車和人工費(fèi)用。

其次，轉(zhuǎn)式單葉板單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣缸和復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)疊加組合而成，執(zhí)行器高度比較高。在要求輸出較大轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要加裝更大的彈簧和單活塞板，以使執(zhí)行器的高度達(dá)到更高，在使用中更容易因受力不均勻而產(chǎn)生軸磨損。而使用雙作用機(jī)構(gòu)，則不用考慮克服復(fù)位彈簧的反向轉(zhuǎn)矩，小型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能輸出很大的力矩，可以推動(dòng)大尺寸球閥動(dòng)作［3］。

最后，雙作用機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格也更便宜，適合現(xiàn)場大規(guī)模使用。

4 閥門改進(jìn)

4.1 采用雙作用轉(zhuǎn)式單葉板閥門

為了使雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠滿足閥門故障關(guān)的工藝要求，保證氣鎖器系統(tǒng)正常運(yùn)行，對閥門的氣路和附件進(jìn)行如下配置：

a.常閉型氣動(dòng)放大器（NC），在沒有氣動(dòng)信號時(shí)，儀表氣源無法進(jìn)入執(zhí)行器，該側(cè)腔式與外界聯(lián)通；當(dāng)有氣動(dòng)信號時(shí)，該側(cè)腔式與外界斷開，與儀表氣源接通，氣源進(jìn)入執(zhí)行器，閥門動(dòng)作。

c.直通式電磁閥。

d.空氣過濾減壓閥。

e.單向閥。

f.儲氣罐。

4.2 閥門氣路配置

閥門的氣路配置如圖1所示。

圖1 閥門的氣路配置

在電磁閥不帶電的情況下，常開型放大器B1處于開位，儀表氣源直接經(jīng)放大器B1進(jìn)入執(zhí)行器，將閥門關(guān)閉，活塞葉板處于A側(cè)。在得到開命令后，電磁閥得電，常開型放大器B1接收來自電磁閥的氣動(dòng)信號，切斷儀表氣源，執(zhí)行器B側(cè)通過放大器B1與外界大氣相通，執(zhí)行器B側(cè)壓力排放到大氣中；而此時(shí)常閉型放大器A1處于開位，將儀表氣源與執(zhí)行器聯(lián)通，與外界切斷，使儀表氣源經(jīng)A側(cè)進(jìn)入執(zhí)行器，閥門打開，活塞葉板處于B側(cè)。

電磁閥接到關(guān)命令，來自電磁閥的氣動(dòng)信號消失，常閉型放大器A1閉合，切斷執(zhí)行器A側(cè)與儀表氣源的聯(lián)通，使A側(cè)與外界大氣相通，A側(cè)氣體經(jīng)常閉型放大器A1排出；而此時(shí)常開型放大器B1切斷執(zhí)行器B側(cè)與外界大氣的聯(lián)通，轉(zhuǎn)為B側(cè)與儀表氣源的聯(lián)通，使儀表氣源經(jīng)常開型放大器B1進(jìn)入B側(cè)，閥門關(guān)閉，活塞葉板處于A側(cè)。

為保證工藝生產(chǎn)安全，考慮閥門的故障情況為關(guān)，在閥門的關(guān)氣路上安裝保位氣罐。當(dāng)儀表氣源故障或系統(tǒng)故障使電磁閥失電，保位氣罐提供壓力，可使閥門立刻關(guān)閉，保證工藝生產(chǎn)安全［6，7］。 為防止外界供氣突然中斷，氣罐內(nèi)氣體反竄回外界，在閥門氣路上安裝單向閥，以防止這種事故的發(fā)生，進(jìn)一步保證工藝安全。

5 結(jié)束語

氣鎖系統(tǒng)因其特殊性，對閥門有很高的要求。經(jīng)過近3年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，PDS閥門執(zhí)行器故障率太高，嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)能，也給儀表工作人員帶來了很大的工作量。在閥門的更換中，需要大量的人力和物力，同時(shí)還要注意作業(yè)安全，造成的損失是巨大的。

通過重新選型并對氣路配置，在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，一臺出料閥運(yùn)行了3個(gè)月，目前仍運(yùn)行正常，使執(zhí)行器的故障率降到最低，滿足工藝生產(chǎn)的需求，將氣鎖器系統(tǒng)兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)用一種代替，增大了現(xiàn)場設(shè)備的通用性。同時(shí)雙作用轉(zhuǎn)式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，質(zhì)量輕，故障率小，物美價(jià)廉，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)更大的價(jià)值。

由于氣鎖器系統(tǒng)粉料輸送的特殊性，閥門都采用球閥，帶有催化劑的丙烯氣會在閥體內(nèi)腔自聚成粉料，積累在閥座和球體之間造成閥體卡澀影響執(zhí)行器的使用壽命，在出料線閥門上增加丙烯吹掃氣，采用便于拆卸的單向閥增加到離閥門最近的吹掃氣管線上，當(dāng)吹掃氣流量降低時(shí)可以拆除單向閥保證閥門吹掃氣正常，提高閥門的使用壽命。