淺談聚烯烴裝置PDS閥的國產(chǎn)化工業(yè)應(yīng)用

汪 博，李 鵬，楊利豐

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362000）

聚烯烴裝置的PDS系統(tǒng)是指從聚烯烴粉料離開反應(yīng)器開始，經(jīng)過產(chǎn)品倉至產(chǎn)品卸料罐最后排出的這段工藝過程[1]。PDS閥主要是順控控制反應(yīng)器的“床層料位”和“床重”，平均2min開關(guān)一次，屬于典型的高頻開關(guān)球閥[2]。當(dāng)PDS閥出現(xiàn)嚴重故障需要整體更換時，吹掃、置換、安裝調(diào)試時間較長，從而影響聚烯烴的收率，造成經(jīng)濟效益損失。因此，PDS閥的可靠性和穩(wěn)定性是聚烯烴裝置安全、長穩(wěn)運行的關(guān)鍵。經(jīng)過最近幾年項目經(jīng)驗以及已投用的國產(chǎn)PDS閥的調(diào)研，筆者在PDS閥的國產(chǎn)化設(shè)計選型方面積累了一定經(jīng)驗。本文中，就聚烯烴裝置中國產(chǎn)PDS閥的結(jié)構(gòu)及設(shè)計思路等進行論述，供廣大石化化工儀表工程師參考與探討。

1 PDS閥國內(nèi)外的使用現(xiàn)狀

圖1 閥芯和閥座及閥桿的損壞情況Fig.1 Damage of valve core, valve seat, and valve stem

目前國內(nèi)外聚烯烴裝置的PDS閥門在項目建設(shè)期，全部采購進口產(chǎn)品，在開工后的使用過程中出現(xiàn)以下問題：①閥芯和閥座磨損造成內(nèi)漏；②填料損壞造成外漏；③氣缸活塞刮缸、活塞導(dǎo)向軸斷裂、滑塊和密封圈磨損等情況。如果閥門故障處理不及時，將導(dǎo)致生產(chǎn)裝置降負荷或停工，對生產(chǎn)的平穩(wěn)運行造成極大影響[2]。

1.1 PDS閥的工況及特點

1）介質(zhì)具有固、氣兩相或固、氣、液三相狀態(tài)。

2）介質(zhì)中存在大量超細塑料顆粒，具有高自聚、沖刷和磨損特性。

3）工藝切換過程需求為高密封性，密封等級要達到ASME B16.104ANSI VI級要求。

4）工藝邏輯切換速度快，最快達到1.5s。

5）工藝邏輯切換頻率高，每周期約20s～3min。

6）工藝裝置運行周期長，每周期約1～4年。

7）管道最高壓差可達到4.5MPa，對閥門沖擊力較大。

1.2 PDS閥技術(shù)參數(shù)

1）公稱壓力：Class150～Class600。

2）公稱通徑：DN15～DN300。

3）工作溫度：-45℃～230℃。

4）最大壓差：4.5MPa。

5）開關(guān)時間：DN150及以下，開≤1.5s，關(guān)≤1.5s；DN200及以上，開≤2.5s，關(guān)≤2.5s。

6）動作頻率：20s～3min。

7）泄漏等級：ANSI VI（TSO）雙向密封。TSO：Tight Shut Off無泄漏關(guān)閉。

8）開關(guān)壽命：100萬次以上。

9）填料低逸散：滿足TA-Luft標(biāo)準(zhǔn)。

10）防火：滿足API6FA。

1.3 PDS閥運行中出現(xiàn)的問題

1）顆粒介質(zhì)易附著在球芯表面形成結(jié)垢，從而造成開關(guān)過程中球芯、閥座密封面拉傷，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏。

圖2 閥芯和閥座磨損嚴重Fig.2 Severe wear of valve core and valve seat

2）超細粉料易在閥桿腔、閥體腔和閥座腔等位置堆積結(jié)垢，使球芯、閥座和閥桿抱死，造成閥門卡澀或無法啟閉[3]。

3）長期高頻啟閉，易導(dǎo)致填料和軸承磨損加快，填料密封性能降低，造成介質(zhì)從閥桿處外漏。

4）高頻和快速啟閉，易使金屬密封副產(chǎn)生粘結(jié)，開關(guān)過程球座密封副拉傷，球芯定位精度也會損失，并且會導(dǎo)致閥門的材料疲勞和蠕變。

5）固體顆粒囤積在彈簧腔，導(dǎo)致彈簧失效或斷裂。

6）閥桿、軸承拉傷，導(dǎo)致閥門卡頓。

7）閥桿強度不足，導(dǎo)致疲勞斷裂[4]。

2 PDS閥的使用情況

2.1 PDS閥的故障現(xiàn)象

本公司聚丙烯裝置采用的是UNIPOL旗下的GRACE氣相工藝法，反應(yīng)器兩條線（一號反應(yīng)器和二號反應(yīng)器），共有97臺進口的美卓PDS閥，最小口徑3/4"，最大口徑12"。

自2020年9月17日聚丙烯裝置開工以來，PDS閥僅使用1個多月就陸續(xù)出現(xiàn)閥桿的盤根處泄漏樹脂和工藝氣的現(xiàn)象。對于泄漏的閥門多次進行盤根壓蓋緊固，但仍然反復(fù)泄漏，并且閥芯和閥座及氣缸也陸續(xù)出現(xiàn)問題。

2.2 PDS閥故障的分析

1）經(jīng)閥門解體檢查，閥芯和閥座磨損嚴重，判斷是因為閥芯硬度和光滑度不夠，不耐磨、不耐沖刷、不抗粘結(jié)，且閥座設(shè)計不合理，造成閥門在開關(guān)時聚烯烴粉料在閥球表面自聚，從而引起卡澀，拉傷閥芯和閥座。

2）閥桿盤根處大量泄漏樹脂和丙烯氣，其一是因為閥門長期高頻啟閉，導(dǎo)致填料磨損；其二是因為閥桿的光整度較差。由于閥桿與填料頻繁摩擦，長時間摩擦后，填料越來越少，從而造成介質(zhì)沖出。

圖3 閥桿盤根處大量泄漏樹脂和丙烯氣Fig.3 Large leakage of resin and propylene gas at the valve stem packing

3）填料的材質(zhì)選擇和結(jié)構(gòu)形式不合理，在高頻動作時不耐磨、不耐沖刷。

4）閥芯設(shè)計不合理，在閥芯與閥桿的連接處聚集了大量樹脂，如圖5。

圖5 閥芯與閥桿連接處的聚集物Fig.5 Aggregates at the Connection between the valve core and valve stem

3 PDS閥國產(chǎn)化的技術(shù)路線

針對本公司進口PDS閥使用不好，樹脂和工藝氣經(jīng)常出現(xiàn)大量外漏的狀況及閥門內(nèi)漏頻繁，為了避免安全事故的發(fā)生，已開始進行PDS閥國產(chǎn)化的工藝應(yīng)用。

3.1 基礎(chǔ)工作

1）查閱了大量PDS閥設(shè)計、工藝及應(yīng)用方面的文獻及專利資料。

2）根據(jù)文獻、專利資料，初步確定了國產(chǎn)化的技術(shù)和性能指標(biāo)。

3）初步制定了國產(chǎn)化的技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)路線。

4）確定了PDS閥國產(chǎn)化研發(fā)的關(guān)鍵點和創(chuàng)新點。

5）依托國內(nèi)閥門廠家的制造裝備、檢驗試驗儀器和實驗室條件，共同開發(fā)、制造及試驗。

6）依托本公司的聚丙烯裝置，進行工業(yè)化的試驗。

3.2 PDS閥國產(chǎn)化的主要技術(shù)指標(biāo)

1）國產(chǎn)化的PDS閥使用壽命至少滿足4年一次的檢修周期。

2）PDS閥配套的氣動執(zhí)行機構(gòu)及附件滿足高頻開關(guān)的使用要求。

3）PDS閥的泄漏等級滿足雙向VI（TSO）。

4）PDS閥的最大允許噪音＜85dBA。

3.3 PDS閥國產(chǎn)化的研究內(nèi)容

圖4 盤根處泄漏的黑色物質(zhì)Fig.4 Black substance leaking at the packing

針對本公司聚丙烯裝置PDS閥故障率極高的現(xiàn)狀，選擇10"、8"、4"、3"與上海紐京閥門有限公司和重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司一起進行國產(chǎn)化研究、探討與改造，及樣品的機加工等。

3.3.1 主要研究內(nèi)容

1）解決閥門高頻開關(guān)，材料的壽命和磨損問題[5]。

2）解決超細自聚粉料工況下，閥門易卡頓問題。

3）解決高頻動作下閥門填料易外漏問題。

3.3.2 技術(shù)路線

1）采用有限元分析方法對關(guān)鍵零件進行數(shù)值分析，然后對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2）對PDS閥的閥球和閥座的涂層的噴涂材料進行配對基礎(chǔ)研究和試驗，并研究在動作頻率高且介質(zhì)為粉料的工況下的專用涂層。

3）閥球和閥座進行高精度磨削，球體圓度控制在0.002mm之內(nèi)，表面粗糙度控制在Ra0.2以內(nèi)，裝配后實現(xiàn)閥門“零”泄漏。

4）氣缸采用撥叉式或扇形缸，以保證動作時間和動作頻率及使用壽命。

5）通過國產(chǎn)PDS閥樣機的性能試驗及型式試驗，驗證閥門的整體性能。

6）通過國產(chǎn)PDS閥的工業(yè)化應(yīng)用試驗，驗證閥門的運行性能。

根據(jù)PDS閥的應(yīng)用工況條件與性能指標(biāo)要求，確定如下技術(shù)路線：

PDS閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計→原材料采購→原材料的復(fù)驗→機加工（含球體和閥座密封面噴涂）→密封面高精度研磨→裝配→性能和型式試驗（殼體試驗、高壓液體密封試驗、低壓氣體密封試驗、動作試驗等）→噴砂→油漆→包裝→發(fā)運→工業(yè)性應(yīng)用。

4 PDS閥國產(chǎn)化的技術(shù)創(chuàng)新點和關(guān)鍵技術(shù)

4.1 主要創(chuàng)新點

1）PDS閥的結(jié)構(gòu)，特別是閥體內(nèi)腔、閥球與閥座的密封系統(tǒng)和低泄漏填料結(jié)構(gòu)等。

2）閥球與閥座的硬化處理和硬化處理后的高精度磨削。

3）閥座區(qū)域的防粉料處理。

4）滿足PDS閥高頻開關(guān)（平均2min動作一次）的配套執(zhí)行機構(gòu)及附件的選擇。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）PDS閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

2）PDS閥的球體和閥座的涂層的基礎(chǔ)研究和試驗。

3）PDS閥閥球和閥座的耐沖刷和耐磨損設(shè)計，硬質(zhì)合金耐磨材料和硬化工藝技術(shù)研究。

4）超細自聚粉料工況下閥座部件防粉料結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5）PDS閥的密封填料的防泄漏設(shè)計，在高頻工況下選用低逸散填料+碟簧動載補償。

4.3 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)特點

1）閥體：采用主副體式結(jié)構(gòu)，鍛造形式。其材料和壁厚參考ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)的壓力-溫度額定值設(shè)計，最小壁厚滿足ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)要求，同時經(jīng)過CAE軟件對溫度和介質(zhì)壓力負載的仿真分析，使零件的應(yīng)力和變形量滿足閥門所需的承載能力。

2）球芯球體直徑根據(jù)閥門設(shè)計手冊校核公式進行仿真分析，并通過CAE有限元模擬分析驗證球芯整體強度及應(yīng)力分布情況。球芯采用上下軸柄定位固定球結(jié)構(gòu)，通過定位板保證其裝配后處于準(zhǔn)確地配合位置。定位固定式結(jié)構(gòu)提高了球芯定位精度和軸承耐磨性，降低閥門力矩，保證閥門在高頻動作下的使用壽命。

3）閥桿進行表面硬化和光整處理，提高耐磨性，降低摩擦系數(shù)，并且閥桿采用整體式防飛出結(jié)構(gòu)，在內(nèi)壓條件下拆卸執(zhí)行機構(gòu)時閥桿不飛出，保證了安全性。閥桿采用高強度不銹鋼材料和較大設(shè)計安全系數(shù)，閥桿承載能力強，避免發(fā)生扭曲和斷裂[6]。

4）閥座采用雙閥座360°旋轉(zhuǎn)研配，提高閥座與球芯配合精度，不再分A、B面，完全達到閥座互換的性能。

5）高頻耐磨球閥鍛件鍛造時，為了保證質(zhì)量要求和ASME標(biāo)準(zhǔn)檢驗要求，避免澆注后夾渣及氣孔不易上浮，減少產(chǎn)生縮松、夾渣、氣孔等缺陷，合理優(yōu)化鍛造工藝，嚴格控制型砂、熔煉澆注及熱處理等工藝參數(shù)，制定氣孔、掉砂、夾渣及粘砂缺陷的預(yù)防和補焊措施。

4.4 主要成果

1）閥體采用鍛造結(jié)構(gòu)：鍛造閥體具有更好的強度，保證閥門在高頻率、快速開關(guān)動作下，避免閥門本身形變影響、管道應(yīng)力變化影響、溫度影響及震動影響等因素，從而影響閥門的密封等級及使用壽命。

2）閥體的內(nèi)腔采用鏡面級拋光加工工藝，確保閥內(nèi)腔不留任何死區(qū)，避免聚烯烴粉料的自聚。

3）刮刀型閥座設(shè)計，使閥門在開關(guān)時將大部分的聚烯烴粉料從閥球表面清除掉，避免帶入縫隙自聚，引起卡澀，并降低閥座及球體磨損和拉傷。

4）閥座區(qū)域防粉料、防堵結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效阻擋顆粒介質(zhì)進入間隙腔，造成介質(zhì)囤積，確保閥座軸向微量移動扭矩的恒定性，延長PDS閥的使用壽命。

5）球體和閥座采用專用耐磨合金，具有優(yōu)良的耐磨、抗粘結(jié)、抗氧化和導(dǎo)熱導(dǎo)電特性，并進行高精度磨削，避免在高頻開關(guān)過程中球與座之間的粘接現(xiàn)象。

6）雙向閥座密封結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)閥門雙向高密封性能，保證閥門泄漏等級達到ANSI VI （TSO）要求。

7）內(nèi)固定支承板結(jié)構(gòu)，提高閥的定位精度，保證閥桿在高頻動作下嚴格對中性，閥力矩保持長時間使用后無明顯增加。

8）全金屬耐磨軸承結(jié)構(gòu)，提高軸承耐磨性及降低轉(zhuǎn)動面之間的摩擦系數(shù)，有效地減小了摩擦阻力，從而降低閥門的操作扭矩。

9）閥桿加粗加厚設(shè)計，填料部位表面進行硬化和光整處理，提高耐磨性及降低摩擦系數(shù)及磨損速度。

10）動載補償填料密封結(jié)構(gòu)，對填料提供動載補償磨損量，填料密封長期滿足TA-Luft低逸散泄漏要求，防止工藝介質(zhì)外泄漏。

11）氣動執(zhí)行機構(gòu)選擇：由于閥門開關(guān)動作頻繁，屬于高頻閥，因而對氣缸的穩(wěn)定性要求苛刻，采用對稱雙撥叉式氣缸或扇形缸，從而保證閥門的動作時間和動作頻率及使用壽命。

12）閥門附件：電磁閥ASCO或NORGREN、限位開關(guān)TOPWORX或WESTLOCK、過濾減壓閥SMC或NORGREN、氣控閥SMC或NORGREN、儀表管閥件Swagelok或Parker，以確保PDS高頻耐磨球閥的穩(wěn)定可靠運行。

5 PDS閥國產(chǎn)化的應(yīng)用

本公司于2021年1月已陸續(xù)使用4臺國產(chǎn)PDS閥（10"、8"、4"、3"），目前運行情況良好，無內(nèi)漏和外漏現(xiàn)象發(fā)生，后續(xù)將繼續(xù)觀察試驗。

隨著國內(nèi)閥門制造和加工技術(shù)不斷創(chuàng)新和完善，與國外閥門制造技術(shù)的差距逐漸縮小，目前已具備PDS閥的國產(chǎn)化設(shè)計和研發(fā)能力及制造加工技術(shù)。PDS閥國產(chǎn)化與國外產(chǎn)品相比，貨期短，價格便宜，服務(wù)及時，不受國際局勢的影響。PDS閥國產(chǎn)化是在充分分析國外產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上進行局部創(chuàng)新，并形成自主知識產(chǎn)權(quán)。因此，技術(shù)上有很強的競爭優(yōu)勢。

PDS閥國產(chǎn)化的工業(yè)應(yīng)用，不僅可以擺脫對國外產(chǎn)品的依賴，大量縮短閥門的供貨時間，并且會推動閥門制造業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)及工藝提升，對聚烯烴裝置的安全長期平穩(wěn)運行及社會效益影響深遠。

6 結(jié)論

聚烯烴裝置PDS的國產(chǎn)化改造還有許多需要注意和改進的地方，只有認真研究工藝流程和工況，選用合理的設(shè)計，才能達到預(yù)計的效果和目的。筆者結(jié)合本單位過去幾年多個項目中積累的使用經(jīng)驗，對聚烯烴裝置PDS閥國產(chǎn)化的技術(shù)等各個方面進行了簡要論述和分析，希望通過本文的相關(guān)闡述，能給聚烯烴裝置的儀表工程師及維護人員提供參考，通過大家的努力，使聚烯烴裝置能更好地長周期穩(wěn)定運行。