淺析聚丙烯裝置特殊儀表及閥門的設計及應用

張 峰，汪 璟

（中國寰球工程公司 北京分公司，北京 100012）

自聚丙烯生產工業化以來，聚丙烯生產工藝不斷發展。目前，根據介質相態不同，聚丙烯工藝主要有以下3 類：

漿液法工藝：20 世紀90 年代后已基本不再使用，目前主要用來生產特殊牌號產品。

液相本體法工藝：液相本體法工藝是在反應體系中不加任何溶劑，將催化劑直接分散在液相丙烯中，進行液相本體聚合反應。聚合物在液相丙烯中析出，以細顆粒狀懸浮在液相丙烯中，隨著時間增加，聚合物濃度不斷提高。當丙烯轉換率達到一定程度時，經過閃蒸回收丙烯單體，隨后即得到粉料聚丙烯產品。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

聚丙烯裝置的介質種類多（丙烯、乙烯、丁烯、氫氣、三乙基鋁、催化劑），相態雜（氣相、液相、漿料、粉料、粒料），其特點決定了相應儀表閥門選型的特殊性及復雜性。針對目前主流的聚丙烯專利，本文通過對氣相法的INEOS 專利及液相本體法的BASEL SPHERIPOL/SPHERIZONE 專利的特殊儀表閥門設計及應用情況進行總結,選取具有代表性的放射性料位計、氣相色譜分析儀、PDS 閥、偏心旋轉閥、微小流量調節閥分類介紹。

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

表2 不同使用場所對檢測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

1.1.1 設置目的及應用

聚丙烯裝置在正常生產過程中，需要對反應器、氣鎖器、袋濾器、脫氣倉等多個關鍵設備的料位進行測量控制。設備內的介質往往是氣相丙烯中夾帶聚丙烯粉末，一些設備還帶有攪拌器，使用常規料位測量儀表往往精度太差，難以實現精確測量。因此，采用非接觸式的放射性料位計往往是此種工況的首選。

1.1.2 放射性料位計構成

放射性料位計一般由放射源、檢測器和變送器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，主要用于設備壁厚較小的工況，比Co-60 更好的測量效果，屏蔽容易，成為目前聚丙烯裝置中最常用的同位素。Co-60 具有相對高的能量，主要用于設備壁厚較大的工況。

放射源需配置防護容器，同時根據現場操作安裝的實際需要，可將放射源做成點源、多點源、棒狀源等。放射源的強度則需要考慮設備尺寸、壁厚、材質、伴熱護套/盤管、設備是否帶有攪拌器等因素，同時應考慮在一定距離內，人體所吸收的放射源射線劑量是否滿足國家標準規范GBZ125-2009《含密封源儀表的放射衛生防護要求》的具體要求[2]，詳見表2。

2）檢測器：檢測器的種類有電離式型、GM 計數管型、閃爍晶體型、柔性光纖型。電離式型由于價格貴、體積大等劣勢應用較少，主要用于現場溫度、振動較為惡劣的場合；GM 計數管型體積小、價格低，但易受溫度、振動影響；閃爍晶體型靈敏度高，但對振動很敏感；柔性光纖型的特點是柔性材質，適用于復雜外形的設備，便于現場安裝[3]。各類檢測器的特點比較詳見表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、補償電路和轉換單元。由于檢測器輸出電流非常小，需要脈沖放大器轉換為標準的4mA ～20mA 輸出信號。隨著儀表技術的發展，目前市場上主流的放射性料位計已經把檢測器和變送器集成一體化。

1.1.3 需要注意的問題

放射性料位計在料位測量的過程中，會受到多種因素的影響，造成測量誤差，進而影響裝置生產的可靠性和安全性。主要包括以下幾個方面：

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器布置方位，會造成射線的相互干擾，造成檢測器的虛假信號。對于這種輻射干擾，一方面在設計階段要充分考慮合理布置檢測器的位置；另一方面可以考慮在兩臺設備之間增加鉛板隔離，從物理上隔絕射線干擾。

表3 各類檢測器特點比較Table 3 Comparison of various detector characteristics

2）氣相介質密度變化的影響：在INEOS 的聚丙烯工藝中，液相丙烯進入反應器吸熱后汽化，氣相密度隨溫度壓力的變化而變化。一般情況下，氣相介質密度變化不大，對放射性料位計的影響忽略不計。但當這種變化達到一定程度時，會造成脈沖強度的衰減，使料位測量的準確性降低。在實際應用中可以考慮增加一臺密度計，將密度信號引入DCS 系統進行補償計算。

1.2 氣相色譜分析儀

1.2.1 應用工況

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控及H2的注入流量控制，要求相對簡單。然而在氣相法工藝中，反應器頂部氣相色譜的分析結果所得的H2/C3=,C2=/C3=比例，直接串級控制H2及乙烯的進料控制閥，用于精確控制反應器各組分進料量，對數據的時效性和精確性提出了很高的要求。整個分析回路的循環時間要求小于3min，需要對取樣點及分析小屋的布置。

1.2.2 需要注意的問題

1）取樣點及分析小屋的布置：由于對循環時間的要求，分析小屋要靠近取樣點布置，同時也需要兼顧兩臺反應器，一般需要放置在兩臺反應器之間的鋼結構平臺上。

2）過濾器的設置：在取樣過程中，介質仍在繼續反應，不斷生成聚丙烯粉末，所以需要在整個回路中設置多級過濾，防止取樣回路堵塞。常用配置是在前處理箱中設置一用一備旋風分離過濾器和一用一備金屬燒結過濾器。在預處理箱進口設置一個金屬燒結過濾器，在色譜分析儀入口設置一個金屬燒結過濾器。

1.3 高頻開關閥（PDS閥）

1.3.1 應用工況

在INEOS 工藝中，產品下料系統以間歇方式將聚丙烯粉末從第一反應器經氣鎖器后送入第二反應器，再由第二反應器送入袋式過濾器。整套系統由順控邏輯控制，由PDS 閥門實現。PDS 閥門運行的好壞，直接影響裝置的穩定運行。

由于工藝的技術特點和要求，PDS 閥面臨非常嚴苛的條件：極高的動作頻率和循環次數；大量聚丙烯粉末對密封面的極度磨損；高壓差、沖刷嚴重；閥門的快速動作，嚴格的密封等級要求。因此，須對閥門的選型、結構設計等方面進行充分地考慮，以滿足各種技術要求。

1.3.2 PDS閥特點

1）閥體、閥球、閥座等部件均采用鍛造設計，提高閥體強度；同時閥門內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，延長了免維護周期。

2）閥桿設計有兩層軸套，保證閥桿嚴密對中，執行機構扭矩平穩；同時采用摩擦系數較小的PEEK 材料，減小閥門扭矩。

3）閥座后采用蝶形合金彈簧助力，在彈簧兩側采用防塵圈保護，確保密封性的同時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入顆粒后發生推力不均勻，造成閥門泄漏。

4）閥座密封面兩側采用刮刀式結構設計，可將閥門空隙中的粉末及時清除，滿足自清潔功能。

5）閥體重型設計。閥體中法蘭的螺栓數量是ANSI 標準數量的兩倍，增加閥門強度。

6）采用扇形執行機構。扇形執行機構體積小，便于在現場密集管線中安裝，結構簡單，密封材料耐磨性高，滿足高頻開關的要求。

1.3.3 需要注意的問題

閥門選型時建議選擇硬密封及選用扇形執行機構。早期的PDS 閥產品很多采用的是軟密封和齒輪齒條結構的執行機構，軟密封無法抵抗聚丙烯粉末長期沖刷，齒輪齒條執行機構無法應對高頻開關工況，均會造成閥門故障，無法滿足長周期正常生產。

2 現狀與思考

從目前國內大型聚丙烯裝置儀表閥門的實際使用情況來看，現有國內中低檔儀表閥門大部分可替代進口產品，但上文中提到的4 種關鍵儀表閥門的進口品牌使用率仍在90%以上，價格十分高昂。從近期中美貿易戰和華為事件可以看出，關鍵核心設備的自主可控至關重要，國產儀表替代方案迫在眉睫。作為儀器儀表行業從業者，擴大國產儀表閥門使用率是我們義不容辭的責任。給那些優秀的國產自主產品使用的機會，使國產儀表閥門企業形成創新—研發—銷售的閉環，逐漸完善產品，形成廠家的產品越用越好，業主用起來越好越用的良性循環。

3 結束語

聚丙烯裝置一般作為全廠的產品裝置，是否平穩運行對整個工廠的經濟效益至關重要。放射性料位計、氣相色譜分析儀、PDS 閥以及偏心旋轉閥均是聚丙烯裝置的核心監測控制點，是聚丙烯裝置儀表設計的重點和難點。本文通過對各類特殊儀表閥門的工況需求、儀表自身特點，及設計過程中需要注意的問題進行分析，為今后類似裝置提供設計依據。