LLDPE裝置PDS高頻閥應(yīng)用及改進(jìn)措施

劉均

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430070)

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(jìn)步，聚乙烯等聚烯烴裝置的單套產(chǎn)能越來越大。生產(chǎn)裝置的長周期安全和穩(wěn)定運(yùn)行對降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)的競爭能力的影響很大。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高的關(guān)鍵設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，對于保證裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。

1 裝置工藝特點(diǎn)

某石化公司線性低密度聚乙烯裝置(LLDPE)采用GPE氣相流化床生產(chǎn)工藝，該工藝由反應(yīng)器、循環(huán)氣壓縮機(jī)和循環(huán)氣冷卻器組成，樹脂產(chǎn)品由粉料出料系統(tǒng)(PDS)排出，然后進(jìn)入后續(xù)工段擠壓造粒。

該LLDPE裝置的PDS由2套產(chǎn)品出料系統(tǒng)組成，每套PDS包括1個(gè)產(chǎn)品出料罐(PC罐)和1個(gè)產(chǎn)品吹出罐(PBT罐)，樹脂產(chǎn)品通過2套出料系統(tǒng)按順序交替模式間歇排出。當(dāng)粉料達(dá)到設(shè)定料位5 s后就觸發(fā)出料，出料系統(tǒng)各閥門按順序動(dòng)作將粉料排入產(chǎn)品出料罐，樹脂與夾帶的氣體分離，經(jīng)過壓力平衡后，粉料樹脂進(jìn)入產(chǎn)品吹出罐，再經(jīng)過壓力平衡之后，粉料排至樹脂脫氣倉脫氣。正常操作時(shí)，2套排料系統(tǒng)是以“自動(dòng)交叉”模式出料，以盡可能減少隨產(chǎn)品排放帶出的氣體，降低裝置物耗；當(dāng)一套PDS出現(xiàn)故障導(dǎo)致出料不暢時(shí)，另一套PDS也可以單獨(dú)出料。

該裝置生產(chǎn)工藝的核心是PDS，工藝系統(tǒng)能否長周期、安全穩(wěn)定運(yùn)行將直接影響裝置的產(chǎn)能，PDS高頻閥則作為該裝置中的關(guān)鍵控制設(shè)備，是整個(gè)裝置中動(dòng)作頻率最高的閥門，按照該裝置反應(yīng)器滿負(fù)荷計(jì)算，平均每臺閥門的開關(guān)次數(shù)為19～23次/h。由于PDS采用順序控制聯(lián)鎖，一旦系統(tǒng)中某1臺閥門開關(guān)的時(shí)間達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)置的時(shí)間，或者閥門完全不能正常動(dòng)作，反應(yīng)器將停止出料，粉料就可能發(fā)生自聚反應(yīng)，使粉料結(jié)塊或者產(chǎn)生片狀形態(tài)。發(fā)生該種現(xiàn)象的時(shí)候，輕則堵塞工藝管道，重則導(dǎo)致系統(tǒng)停車，因此對參與順控操作的閥門動(dòng)作的可靠性和穩(wěn)定性要求非常高。

2 高頻閥介紹

2.1 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)該裝置的工藝特點(diǎn)，PDS高頻閥選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于滿足高頻次動(dòng)作、耐磨、耐沖刷等惡劣的使用工況。要求閥門密封等級達(dá)到Ⅵ級，開關(guān)頻率高，動(dòng)作時(shí)間不超過2.5 s，閥門前后關(guān)閉壓差大，位號為KV-40701E的PDS高頻閥可達(dá)2.8 MPa。該裝置采用的是ARGUS公司的高頻閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用KINETROL扇形氣缸。整套裝置高頻閥共計(jì)38臺，公稱壓力等級全部為Class300，泄漏等級為ANSI CLASS Ⅵ，操作溫度為88 ℃。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

高頻閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)為扇形，氣缸使用壽命可達(dá)4×106次，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有以下特點(diǎn)：

1)質(zhì)量輕、體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可利用的安裝空間大。

2)轉(zhuǎn)軸和葉片整體鑄造，沒有齒條、曲柄、齒桿，因此沒有碰撞力和動(dòng)力損失，易損件少。

3)耗氣量少，動(dòng)作迅速，工作壓力保持在0.25～1.0 MPa。

4)使用聚氨酯制作密封材料，耐磨能力是普通橡膠密封材料的幾十倍，使用壽命可達(dá)4×106次。

5)維修備件的采購費(fèi)用較高，后期維護(hù)成本較高。

6)單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部彈簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆解需要專用工具，因此不便于維修維護(hù)。

圖1 扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

2.3 閥體部位的特點(diǎn)

閥體部分的閥球、閥座材質(zhì)采用AISI316不銹鋼，閥球、閥座的外表面均采用超音速火焰噴涂工藝(HVOF)噴涂碳化鎢(WC-Co)涂層，該涂層的硬度達(dá)到HRC70，閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為聚合物專用的、獨(dú)特的Polymer proof型結(jié)構(gòu)。一方面，閥座的背壓彈性元件采用彈性石墨，并再輔助以一道石墨密封環(huán)，在給閥座提供足夠背壓的同時(shí)，有效防止聚合物顆粒及其他固體顆粒進(jìn)入彈簧腔；另一方面，獨(dú)特的刮削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地刮除附著在閥球上的顆粒和污濁物質(zhì)。WC-Co涂層不但使得閥座表面與閥球表面硬度提高，相互之間摩擦降低，相應(yīng)聚烯烴粉料在閥球表面的附著變得困難，而經(jīng)過嚴(yán)密加工后兩者緊密磨合，提供了一個(gè)獨(dú)特的寬帶密封。閥體部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 高頻閥常見故障分析

自2013年投產(chǎn)以來，該系列高頻閥的故障頻率較高，現(xiàn)象主要是閥門內(nèi)漏、卡堵、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障串氣，在2016年和2020年全廠停工大檢修期間，該系列高頻閥全部下線檢查維修。根據(jù)閥門拆解情況后分析，故障現(xiàn)象集中于以下方面。

圖2 高頻閥閥體結(jié)構(gòu)示意

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在長期使用的情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部潤滑油干涸、凝固結(jié)塊，齒形葉片失去潤滑，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)密封彈簧組件脫落并與干涸的結(jié)塊油漬、缸體內(nèi)壁多次摩擦，導(dǎo)致扇形氣缸內(nèi)壁產(chǎn)生不可修復(fù)的永久性損傷。出現(xiàn)了氣缸串氣、動(dòng)作行程明顯變化等情況。

3.2 閥 體

引起閥門泄漏的原因主要是每次出料時(shí)閥芯不但承受很高的沖擊力，而且樹脂粘附在球體上長期與密封面摩擦，很容易使球面密封和閥桿密封磨損。拆解閥門后發(fā)現(xiàn)，閥桿和填料箱表面有較深的拉傷，造成閥芯內(nèi)漏和閥桿外漏。

閥門拆解后，檢查分析引發(fā)卡堵的主要原因是在工藝生產(chǎn)過程中會有靜電荷的產(chǎn)生和積累，這些靜電荷聚集在聚乙烯粒子(尤其是細(xì)粉)上并在流化床內(nèi)部形成靜電場導(dǎo)致粒子在反應(yīng)器內(nèi)結(jié)片或結(jié)塊，而反應(yīng)器中一旦有結(jié)片或結(jié)塊，就會在高頻閥動(dòng)作過程中表現(xiàn)出來。通過對閥門長期運(yùn)行的觀察總結(jié)，主要現(xiàn)象為碟簧、閥座、閥桿腔內(nèi)積塵嚴(yán)重。

在閥門拆解維修過程中，發(fā)現(xiàn)定位板內(nèi)襯軸套非金屬PEEK材料磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致與球體軸間隙超過0.45 mm，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于閥門出廠時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。由于定位板與球軸間隙過大，在管道介質(zhì)力作用下使球體發(fā)生偏移，導(dǎo)致閥桿受到徑向力作用，進(jìn)而閥桿也發(fā)生偏移，閥桿偏移后與填料箱體小面積接觸，最終發(fā)生嚴(yán)重擦傷現(xiàn)象。

此外，由于彈簧腔積塵嚴(yán)重，使彈簧和閥座運(yùn)動(dòng)受阻，造成閥座受力不均現(xiàn)象，閥門扭矩增大，閥門在高頻啟閉下使球面和閥座密封面拉傷，這也是導(dǎo)致閥門內(nèi)漏的一個(gè)重要原因。

4 改進(jìn)措施

4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

對執(zhí)行機(jī)構(gòu)做好運(yùn)行數(shù)據(jù)臺賬分析，提前準(zhǔn)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封組件，在保養(yǎng)周期內(nèi)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)定期下線，更換密封組件進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，并詳細(xì)記錄氣缸軸密封部位磨損情況，評估執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性，積極準(zhǔn)備后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)策略。

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命以及在線動(dòng)作次數(shù)，對現(xiàn)場使用時(shí)間達(dá)到2 a的執(zhí)行機(jī)構(gòu)做一次預(yù)防性解體檢修，同時(shí)保證每種規(guī)格尺寸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有1臺維修好的作為備用，對累積使用時(shí)間超過4 a的，強(qiáng)制做報(bào)廢處理。

4.2 閥體的改進(jìn)

針對閥體存在的幾個(gè)主要問題進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，針對閥門定位板采取加固和強(qiáng)化措施，如圖3所示。

圖3 閥體定位板加固示意

增加閥體與定位板接觸面，使定位板位置固定牢固，采用鍛件制作的定位板，增加強(qiáng)度和剛性。非金屬軸承面原則上不要超過3 MPa壓差，而現(xiàn)場實(shí)際工況壓差達(dá)到4 MPa，將非金屬接觸更改為硬質(zhì)合金面軸承面，以提高抗磨損能力。通過以上改進(jìn)，其目的是避免閥桿承受偏移力量。針對閥桿及填料箱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)如圖4所示。

圖4 閥桿部位改造示意

使有可能接觸的金屬面如下填料箱內(nèi)壁和定位套內(nèi)壁采取強(qiáng)化硬化處理的措施，第一道填料密封增加蓄力式密封圈，增加2片強(qiáng)力彈簧補(bǔ)償填料預(yù)緊，增加閥桿防塵O型圈。通過以上改進(jìn)，使閥桿密封更可靠，這樣閥門使用時(shí)，即使出現(xiàn)閥桿與填料箱內(nèi)壁接觸，由于接觸面硬度的提高，提升了抗擦傷能力，擦傷的風(fēng)險(xiǎn)下降。閥座部位增加了封閉彈簧腔，如圖5所示。

圖5 閥座部位改造示意

閥座安裝位置和尺寸均保持不變，閥座腔密封原理不變，用O型圈密封；將彈簧裝在密封腔內(nèi)，使粉塵無法進(jìn)入彈簧腔。通過以上改進(jìn)，進(jìn)一步提升了閥座腔密封性，增加了閥座壽命。

5 結(jié)束語

優(yōu)化改進(jìn)后的高頻閥在裝置的使用時(shí)間已經(jīng)超過3 a，運(yùn)行情況良好，縮短了閥門維修周期、延長閥門運(yùn)行周期，降低了維修成本，更重要的是降低了閥門本身的故障率，保證裝置長效穩(wěn)定運(yùn)行，為公司生產(chǎn)效益提升助力。