PDS高頻球閥設(shè)計優(yōu)化

崔國彪，王一民，張緒文，周愛輝，羅元明，李宏偉

（1.中國石油四川石化有限責任公司，四川 彭州 611930；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

聚烯烴的產(chǎn)量占合成樹脂總量較大比重，與國民經(jīng)濟和人民生活水平密切相關(guān)。聚烯烴是聚乙烯、聚丙烯和聚1-丁烯及其他烯烴類聚合物的總稱，是現(xiàn)代石化工業(yè)最重要的產(chǎn)物之一[1]。以聚丙烯為例，隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展，中國聚丙烯總量居世界能源消費總量第一的位置。各種新技術(shù)開發(fā)和工藝進步，聚丙烯等聚烯烴裝置的單套產(chǎn)能越來越大，要求生產(chǎn)裝置長周期運行，進而降低生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的競爭能力，保證裝置的安全和穩(wěn)定運行。生產(chǎn)聚丙烯的關(guān)鍵裝置大部分是國外進口的，特別是產(chǎn)品卸料系統(tǒng)PDS是聚丙烯生產(chǎn)工藝中的核心部件，其配置的高頻球閥要求快速動作，高頻開關(guān)，使用壽命要求達到100萬次。目前，國內(nèi)現(xiàn)在使用的PDS高頻球閥主要是進口品牌產(chǎn)品如ARGUS、Metso、KTM等，國內(nèi)有極少數(shù)閥門廠家也已經(jīng)在研發(fā)生產(chǎn)此類產(chǎn)品。

1 聚丙烯產(chǎn)品卸料系統(tǒng)工藝特點

從采用催化劑首次合成結(jié)晶聚丙烯開始，聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了60多年。目前，聚丙烯主要專利商包括Basell、UCC、BASF、三井化學和BP-Amoco等，以氣相法、本體法和本體—氣相組合法為主，包括Spheripol、Bostar、Hypol、Novolen、Unipol等生產(chǎn)工藝技術(shù)。

表1 PDS高頻球閥中E閥參數(shù)Table 1 E Valve parameters in PDS high frequency device

以氣相流化床反應(yīng)器Unipol聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)為例，其工藝流程包括原料供應(yīng)和精制，丙烯精制，聚合反應(yīng)系統(tǒng)，樹脂脫氣，放空氣回收，PP粉料及添加劑加入工段成套，擠壓造粒工段，產(chǎn)品貯存、均化，種子床工段，公用工程，火炬緩沖系統(tǒng)和廢水預(yù)處理。從聚丙烯粉料離開聚合反應(yīng)系統(tǒng)開始，經(jīng)過PC罐和PBT罐排出的這段工序，稱為產(chǎn)品卸料系統(tǒng)。每個聚丙烯反應(yīng)器共有4套產(chǎn)品卸料系統(tǒng)，60臺氣動PDS高頻球閥，閥門公稱壓力為Class300，最大公稱通徑為DN300。PDS高頻球閥按公稱尺寸DN分類屬于中小口徑閥門，按公稱壓力PN分類屬于中低壓閥，按介質(zhì)工作溫度分類屬于中常溫閥[2]。從規(guī)格上來講，PDS高頻球閥并不特殊，但由于其介質(zhì)工況較為嚴苛，介質(zhì)氣固雙相、壓差高并有自聚性，同時閥門動作開關(guān)頻繁使用周期長，導致PDS高頻球閥易出現(xiàn)卡、冒、漏等問題。PDS高頻球閥要求具備耐磨損、使用壽命長、泄漏等級高等性能，中國聚丙烯生產(chǎn)裝置上的高頻球閥主要以進口品牌德國ARGUS為主。ARGUS是一個專業(yè)從事特種耐磨球閥生產(chǎn)的企業(yè)，它在1980年開始開發(fā)PDS高頻球閥，其卓越的性能和優(yōu)異的品質(zhì)贏得了市場和廣大用戶的認可[3]。

以Unipol聚丙烯生產(chǎn)工藝產(chǎn)品卸料系統(tǒng)PDS高頻球閥中E閥為例，E閥在產(chǎn)品卸料系統(tǒng)裝置中用于聚丙烯產(chǎn)品物料吹出反應(yīng)釜時切斷，閥門口徑相對較大、位置關(guān)鍵，具體使用參數(shù)見表1。

圖1 閥桿軸承間隙堆積大量粉料Fig.1 Large amount of powder accumulated in the clearance of valve stem beaning

圖2 一種閥桿防塵結(jié)構(gòu)Fig.2 A dust-proof structure of valve stem

2 PDS高頻球閥設(shè)計優(yōu)化的建議

2.1 閥桿的優(yōu)化設(shè)計

PDS高頻球閥開關(guān)動作頻率高、速度快、次數(shù)多，同時會配置較大輸出力矩的氣動執(zhí)行機構(gòu)以滿足閥門長時間使用后啟閉力矩增大的需求。因此，PDS高頻球閥閥桿材質(zhì)需要較好的抗拉強度和疲勞強度，通常選擇17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼。閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要增大最小截面積以提高其承載能力，同時還需要考慮防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計避免粉料在軸承和閥桿之間的縫隙堆積，以及控制閥桿和閥蓋的最小間隙，避免閥桿與閥蓋表面拉傷。

在以往使用和維修PDS高頻球閥過程中，由于閥桿原因?qū)е麻y門發(fā)生卡滯卡死情況經(jīng)常會發(fā)生。如圖1所示，閥桿和軸承的配合間隙堆積了大量粉料，導致閥門操作力矩增大，閥門卡滯或抱死。與煤粉、硅粉等粉料相比，聚丙烯還具有自聚特性，所以閥桿采用防塵結(jié)構(gòu)尤為重要。閥桿防塵有多種結(jié)構(gòu)，最常見的一種結(jié)構(gòu)如圖2所示，在閥體上的溝槽中安裝O型橡膠圈或石墨密封環(huán)，基本能滿足工況的防塵要求。另外，閥桿和閥蓋的間隙如果設(shè)計過小，在尺寸鏈設(shè)計有誤或?qū)蚰p的情況下，會導致閥桿偏斜與閥蓋表面接觸拉傷（如圖3所示）造成閥門卡死。通常閥桿閥蓋的最小間隙設(shè)計0.5mm以上，可保證不發(fā)生拉傷情況。

圖3 閥桿表面大面積拉傷Fig.3 Large area scratches on the surface of valve stem

圖4 PDS高頻球閥管道堆積的粉塵Fig.4 Dust accumulated in PDS high frequency ball valve pipeline

圖5 閥座部位堆積的粉塵Fig.5 Dust accumulated at valve seat

圖6 一種閥座防塵結(jié)構(gòu)Fig.6 A dust-proof structure of valve seat

圖7 球芯表面磨損Fig.7 Surface wear of ball

圖8 閥座密封面磨損Fig.8 Wear of sealing surface of valve seat

2.2 閥座部件的優(yōu)化設(shè)計

PDS高頻球閥的閥座部件需要實現(xiàn)雙向密封，通常采用雙截斷排放（DBB）或雙隔離排放（DIB2）結(jié)構(gòu)。PDS高頻球閥開關(guān)動作頻率高、速度快、使用壽命長，為了提高閥座的抗磨損能力可以適當加寬閥座密封面寬度以降低密封副之間的比壓。閥座密封面采用刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計也有利于閥門密封。另外，PDS高頻球閥所輸送的介質(zhì)為聚丙烯粉料（如圖4所示），在以往維修過程中發(fā)現(xiàn)如果閥座部件沒有考慮防塵設(shè)計，閥座腔會填滿粉料介質(zhì)（如圖5所示）。粉料介質(zhì)進入閥座腔內(nèi)部，有可能導致彈簧預(yù)緊力失效、破壞閥座密封環(huán)的密封能力或?qū)е麻y座無法微量移動，最終發(fā)生閥門泄漏大或球芯閥座抱死等故障。閥座部件防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計要結(jié)合閥座密封結(jié)構(gòu)一起考慮，圖6所示是一種閥座部件防塵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效保護閥座密封環(huán)和閥座彈簧不受介質(zhì)影響。

PDS高頻球閥的閥座預(yù)緊彈簧通常選用柱形彈簧或碟形彈簧，材質(zhì)一般選用Inconel X-750沉淀硬化鎳基高溫合金，固溶處理后再冷作時效處理，硬度HRC≤35。Inconel X-750具有良好的、全面的抗腐蝕能力，良好的蠕變斷裂強度和耐松弛性能。

2.3 球芯和閥座密封面硬化方式

PDS高頻球閥工況嚴苛閥門開關(guān)頻率高，特別是在球芯開啟或關(guān)閉瞬間，介質(zhì)壓差高、流速大，所以為了提高閥門使用壽命，球芯和閥座的密封面必須采用適當?shù)谋砻嬗不牧虾凸に嚒D7和圖8所示是PDS高頻球閥長時間使用后球芯和閥座表面的磨損情況。硬度是材料最根本的耐磨因素，提高密封面表面硬度可以有效提高閥門使用壽命，另外采用提高球芯表面粗糙度、提高球芯圓度和降低密封副比壓也有助于提高閥門使用壽命。

PDS高頻球閥球芯和閥座基體材質(zhì)一般采用F316奧氏體不銹鋼或F51雙相鋼，表面硬化合金材料和工藝各閥門廠家均有自己的方式。ARGUS采用鎳基的Cr、Co等硬質(zhì)合金成分和等離子熱熔工藝，球芯表面硬度可達到HRC69；KTM采用球芯噴焊鎳基合金，閥座堆焊司太立合金。

3 結(jié)束語

隨著中國高端儀器儀表國產(chǎn)化進程不斷推進和國際經(jīng)貿(mào)形勢不確定性，PDS高頻球閥的維修、研發(fā)、制造市場需求越來越高。但由于PDS高頻球閥介質(zhì)工況較為嚴苛，閥門性能要求較高，為了避免閥門在使用過程中出現(xiàn)卡、冒、漏等問題，閥門廠家應(yīng)結(jié)合PDS高頻球閥現(xiàn)場工藝要求、使用情況和維修情況，合理選擇閥門的材料和結(jié)構(gòu)，這對PDS高頻球閥的使用性能和壽命至關(guān)重要。