淺談PDS控制閥的損壞情況分析

袁德喜，劉 婷，許云民

（重慶川儀自動化工程檢修服務有限公司，重慶 401121）

0 引言

聚丙烯（PP）裝置采用美國陶氏化學UNIPOL聚丙烯生產(chǎn)工藝。工藝采用氣相流化床反應器系統(tǒng)，用兩臺串聯(lián)的反應器系統(tǒng)能夠靈活生產(chǎn)全范圍的聚丙烯產(chǎn)品。PDS控制閥具有開關(guān)頻次高，每年開關(guān)20萬次～80萬次；耐磨損；密封等級要求高，需達到ASME B16.104 CLASS VI；介質(zhì)有氣相、顆粒狀固相粉料；閥門的開關(guān)時間短，DN200以下口徑的閥門單次開關(guān)時間小于1.5s，DN200及以上口徑的閥門單次開關(guān)時間小于2.5s。根據(jù)工藝包的不同，PDS控制閥主要選用ARGUS、KTM、METSO等品牌的金屬硬密封球閥。PDS控制閥是整個PP裝置的關(guān)鍵部位，它的可靠性直接關(guān)系到PP裝置的運行。充分了解PDS控制閥的損壞情況，對PP裝置日常運維有重要意義。

1 PDS控制閥的主要故障特點

1）聚丙烯介質(zhì)中的顆粒粉料易堆積在閥座腔或者是附著在球體表面，造成閥球、閥座密封面損傷，導致閥門開關(guān)扭矩逐漸增大，從而造成閥門卡澀、泄漏。

2）超細聚丙烯粉料容易在閥桿腔、軸承腔、閥座腔等位置堆積，造成閥門扭矩增大，閥門卡澀、泄漏等故障。

圖1 ARGUS高頻閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ARGUS high frequency valve

3）閥門的高頻開關(guān)和高速動作容易造成金屬密封副的粘結(jié)，從而導致金屬密封面出現(xiàn)拉傷等故障。

4）閥門長期高頻啟閉，對閥桿和填料造成嚴重磨損，容易導致閥門產(chǎn)生外漏。

5）氣動執(zhí)行器在長期高頻啟閉過程中，性能下降，導致執(zhí)行器密封件磨損及缸體內(nèi)壁拉傷，造成氣缸性能失效。

2 PDS控制閥主要品牌閥門的特點

2.1 ARGUS高頻閥的主要特點

ARGUS高頻閥閥體采用主副體結(jié)構(gòu)，NPS6及以上采用固定球、雙向金屬密封、全通徑、雙閥座寬弧面設計。閥體材質(zhì)采用ASTM A182 F316和ASTM A350 LF2鍛件材質(zhì)。球體基體采用ASTM A240 2205材質(zhì)，表面硬質(zhì)合金采用熱噴涂技術(shù)，球體表面硬度大于HRC67，硬化層厚度不低于0.5mm。閥座基體采用ASTM A240 2205材質(zhì)，密封面硬質(zhì)合金采用熱噴涂技術(shù)，閥座密封面硬度大于HRC63，硬化層厚度不低于0.5mm。耐磨軸承采用PEEK高分子材質(zhì)，預緊彈簧采用蝶形彈簧。

ARGUS高頻閥優(yōu)點主要體現(xiàn)在采用內(nèi)支撐板固定式結(jié)構(gòu)設計，能夠有效地減少一個閥門泄漏點，能更好地實現(xiàn)密封。但其缺點在于內(nèi)固定設計存在上下兩個支撐板，支撐板直接影響到閥腔空間大小，在粉狀介質(zhì)工況下，介質(zhì)很容易進入閥腔堆積，從而導致閥門抱死，無法啟閉。

ARGUS高頻閥閥座預緊彈簧采用碟簧，碟簧比柱簧和盤簧的伸縮量大，碟簧所提供的預緊力對閥座四周均勻，更好地保證了閥門的密封性能。閥座采用彈簧的結(jié)構(gòu)保證閥門在高頻的情況下能夠正常啟閉，并且達到正常的使用密封等級。

圖2 KTM高頻閥結(jié)構(gòu)Fig.2 KTM High frequency valve structure

ARGUS配備KINETROL扇形氣動執(zhí)行器，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，安裝空間緊湊，耗氣量少，動作迅速，壽命長，價格昂貴。

2.2 KTM高頻閥的主要特點

KTM高頻閥閥體采用主副體結(jié)構(gòu)，NPS4及以上采用固定球、雙向金屬密封、全通徑、雙閥座寬弧面設計。閥體材質(zhì)采用ASTM A216 WCB鑄件材質(zhì)；球體基體采用ASTM A182 F316材質(zhì)，表面硬質(zhì)合金采用熱噴涂技術(shù)，球體表面硬度大于HRC65，硬化層厚度不低于0.8mm；閥座基體采用ASTM A182 F316材質(zhì)，密封面硬質(zhì)合金采用熱噴涂技術(shù)，閥座密封面硬度大于HRC62，硬化層厚度不低于0.8mm；耐磨軸承采用316金屬材質(zhì)；預緊彈簧采用圓柱彈簧。

KTM高頻閥優(yōu)點主要體現(xiàn)在采用上下閥桿固定式結(jié)構(gòu)設計，結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易。但其缺點是上、下閥桿加工精度要求高，上、下閥桿裝配不同心容易造成上、下閥桿磨損，導致摩擦力增大。

KTM高頻閥閥座預緊彈簧采用柱簧設計，其結(jié)構(gòu)簡單。彈簧腔進塵后會導致圓柱彈簧高低不平，彈簧提供的預緊力不能均勻作用到閥座上，導致閥門開關(guān)卡澀甚至無法啟閉。

KTM配備KTM AW系列活塞式氣動執(zhí)行器，其特點是采用撥叉式結(jié)構(gòu)，扭矩輸出大，壽命長，活塞缸耗氣量大，性價比高。

2.3 METSO高頻閥的主要特點

METSO高頻閥采用對稱式固定球（球軸一體）、雙向金屬密封、全通徑、雙閥座寬弧面設計。閥體材質(zhì)采用ASTM A216 WCB鑄件材質(zhì)；球體基體采用ASTM A182 F316材質(zhì)，表面硬質(zhì)合金采用熱噴涂技術(shù)，球體表面硬度大于HRC65，硬化層厚度不低于0.8mm；閥座基體采用ASTM A182 F316材質(zhì)，密封面硬質(zhì)合金采用熱噴涂技術(shù)，閥座密封面硬度大于HRC62，硬化層厚度不低于0.8mm；預緊彈簧采用盤形彈簧。

圖3 METSO高頻閥結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of METSO high frequency valve

METSO高頻閥優(yōu)點是球軸一體式結(jié)構(gòu)，確保大扭矩狀態(tài)下啟閉力矩的準確傳遞，保證球體位置不偏移，從而解決了因閥門開關(guān)不到位而造成高速介質(zhì)對閥門沖蝕的嚴重問題，提高閥門運行可靠性。

METSO高頻閥閥座預緊彈簧采用盤形彈簧設計，其結(jié)構(gòu)簡單。彈簧腔進塵后會導致盤形彈簧高低不平，彈簧提供的預緊力不能均勻作用到閥座上，導致閥門開關(guān)卡澀甚至無法啟閉。

METSO配備METSO B系列活塞式氣動執(zhí)行器，其特點是采用撥叉式結(jié)構(gòu)，扭矩輸出大，壽命長，活塞缸耗氣量大，性價比高。

3 PDS控制閥拆解情況

3.1 ARGUS高頻閥的拆解情況

1）閥座腔進粉料嚴重。

2）球體密封面有拉傷。

3）閥座密封面有拉傷，閥座變形。

4）閥桿與填料函接觸部分磨損嚴重。

5）填料壓蓋內(nèi)孔磨損嚴重。

6）上下支撐板內(nèi)置PEEK耐磨套磨損。

7）其他密封件老化、損壞。

3.2 KTM高頻閥的拆解情況

1）閥座腔進粉料嚴重。

2）球體密封面有拉傷。

3）閥座密封面有拉傷，閥座變形。

4）閥桿與填料函接觸部分磨損嚴重。

5）填料壓蓋內(nèi)孔磨損嚴重。

6）下閥桿磨損嚴重。

7）其他密封件老化、損壞。

3.3 METSO高頻閥的拆解情況

1）閥座腔進粉料嚴重。

2）球體密封面有拉傷嚴重。

3）閥座密封面有拉傷嚴重，閥座變形。

4）盤簧變形嚴重。

5）其他密封件老化、損壞。

4 PDS控制閥故障原因分析

4.1 ARGUS高頻閥的故障原因分析

1）閥門拆解后發(fā)現(xiàn)碟簧/閥座/閥桿腔積塵嚴重，閥桿和填料箱拉傷，其表面有較深的拉傷。

2）球體支撐板雖然未發(fā)現(xiàn)拉傷現(xiàn)象，但定位板內(nèi)襯軸套PEEK磨損嚴重，導致與球體軸間隙達0.2mm～0.45mm。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，導致閥桿受到徑向力作用，閥桿發(fā)生偏移，閥桿偏移后與填料箱體小面積接觸，最終發(fā)生嚴重擦傷現(xiàn)象。

3）由于彈簧腔積塵嚴重，使彈簧和閥座運動受阻，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，最終導致閥門內(nèi)漏。

4.2 KTM/METSO高頻閥的故障原因分析

閥體密封腔進塵，堵塞閥座腔，造成彈簧失效，失去柱簧原有預緊力，使得閥座不靈活，成為固定閥座。加之球體與閥座硬度不夠高，且硬度差較大，球面與閥座密封面吸附著介質(zhì)，閥門開關(guān)頻率高，球體與閥座在此狀態(tài)時極易拉傷，造成閥門內(nèi)漏和卡塞。

5 PDS控制閥維修方案

5.1 ARGUS高頻閥的維修方案

1）新做閥座，閥座密封面采用弧面密封，使閥座密封面與球面吻合達到100%，保證了閥門的密封效果和增加了閥門的使用壽命。閥座采用ASTM A240 2205材質(zhì)，閥座密封面采用特殊硬質(zhì)合金的噴焊技術(shù)，閥座密封面火焰噴涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且閥座自帶刮刀結(jié)構(gòu)，開關(guān)過程中清除球體表面的結(jié)垢，防止拉傷閥座和球體密封面，使之具有自清潔功能。

2）閥球密封面采用特殊硬質(zhì)合金的噴焊技術(shù)火焰噴焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm。通過數(shù)控外圓磨床，保證球體不圓度達到0.015以內(nèi)，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，并且球體上下軸由兩軸套定位，同時球體上下軸外圓和支撐板內(nèi)孔做硬化處理，提高閥門轉(zhuǎn)動時的耐磨性和承載性。

3）閥座預緊彈簧是給閥座提供初始密封力，閥座預緊彈簧采用碟簧比柱簧和盤簧的伸縮量大，更好保證了閥門在溫度變化的情況下，使閥門不容易發(fā)生抱死等現(xiàn)象，造成閥門無法開啟。同時碟簧所提供的預緊力對閥座四周均勻，更好地保證了閥門的密封性能。閥座采用多片彈簧的結(jié)構(gòu)保證閥門在高頻的情況下能夠正常啟閉，并且達到正常的使用密封等級。

圖4 原閥門球體支撐板結(jié)構(gòu)部分Fig.4 Structure of original valve ball support plate

圖6 原閥桿密封系統(tǒng)Fig.6 Original valve stem sealing system

4）ARGUS閥門填料分為上下兩個填料箱，填料個數(shù)較少，容易產(chǎn)生外漏。維修后的填料采用PPL材質(zhì)，V型填料，具有密封性能好，扭矩輕等特點，更加適合高頻的閥門，提高閥桿與填料接觸部分的硬度和光潔度，有利于閥門的長周期使用。

5）閥桿密封系統(tǒng)在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了O型圈設計，可以防止粉料進入閥桿腔。O型圈還提供了一定的密封性能，減少外漏的可能，閥桿防塵圈完全阻止顆粒粉料進入閥桿腔，從而解決閥門扭矩小的問題。

5.2 KTM高頻閥的維修方案

1）新做閥座，閥座采用ASTM A182 F316材料，閥座密封面采用特殊硬質(zhì)合金的噴焊技術(shù)，閥座密封面火焰噴涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且閥座自帶刮刀結(jié)構(gòu)，開關(guān)過程中清除球體表面的結(jié)垢，防止拉傷閥座和球體密封面，使之具有自清潔功能，加工后硬層厚度不小于1mm。

圖5 原閥門密封結(jié)構(gòu)部分Fig.5 Sealing structure of original valve

圖7 改造后的閥桿密封系統(tǒng)Fig.7 Modified valve stem sealing system

2）閥球密封面采用特殊硬質(zhì)合金的噴焊技術(shù)，火焰噴焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm，通過數(shù)控外圓磨床，保證球體不圓度達到0.015以內(nèi)，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，球體下軸軸套定位，球體下軸內(nèi)孔做硬化處理，提高閥門轉(zhuǎn)動時的耐磨性和承載性。

3）采用316材料新做閥桿，外軸噴焊硬質(zhì)合金粉，提高閥桿的耐磨性。

4）預緊彈簧采用圓柱彈簧，增加彈簧腔的防塵設計。

5.3 METSO高頻閥的維修方案

1）新做閥座，閥座采用ASTM A182 F316材料，閥座密封面采用特殊硬質(zhì)合金的噴焊技術(shù)，閥座密封面火焰噴涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且閥座自帶刮刀結(jié)構(gòu)，開關(guān)過程中清除球體表面的結(jié)垢，防止拉傷閥座和球體密封面，使之具有自清潔功能，加工后硬層厚度不小于1mm。

2）閥球密封面采用特殊硬質(zhì)合金的噴焊技術(shù)，火焰噴焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm，通過數(shù)控外圓磨床保證球體不圓度達到0.015以內(nèi)，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，球體上、下軸軸套定位，球體上、下軸外圓做硬化處理，提高閥門轉(zhuǎn)動時的耐磨性和承載性。

3）新做上下閥桿耐磨套，采用316材質(zhì)，內(nèi)孔進行硬化處理。

圖8 雙作用執(zhí)行器帶儲氣罐復位Fig.8 Reset of double acting actuator with air receiver

4）預緊彈簧采用蝶形彈簧，增加彈簧腔的防塵設計。

5.4 PDS高頻E閥的執(zhí)行器改造方案

1）E閥的基本情況

某化工廠PP裝置KV-4101-1E/KV-4105-1E/KV-4106-1E/KV-4107-1E閥門采用撥叉式氣缸（BETTIS:G5124-SR4-CW-33），該閥門的開關(guān)頻率高，壓差大，介質(zhì)的粘度大。

2）執(zhí)行器容易出現(xiàn)的問題

執(zhí)行器撥叉斷裂、撥叉滾套斷裂、彈簧疲勞斷裂，執(zhí)行器推桿與活塞連接處脫開等故障現(xiàn)象。

3）執(zhí)行器故障分析

該閥門的開關(guān)頻率高，壓差大，介質(zhì)的粘度大，導致執(zhí)行機構(gòu)疲勞破壞。

4）解決方案

采用扇形氣缸，雙作用氣缸加儲氣罐復位。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)石油化工的PP裝置是越來越多，PDS控制閥的使用量逐年上升。國際大環(huán)境陰云密布的情況下，進口PDS控制閥交貨周期無法得到保證，PDS控制閥的國產(chǎn)化就迫在眉睫。充分了解國外進口PDS控制閥容易損壞的零部件，有利于PDS控制閥國產(chǎn)化的設計。利用閥門檢維修過程中收集大量的PDS控制閥的數(shù)據(jù)，為PDS控制閥國產(chǎn)化提供第一手資料。

表1 氣動附配置表Table 1 Configuration of pneumatic accessories