液氮洗分子篩軌道球閥維修及裝配實踐

毛大軍

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021506）

1 液氮洗分子篩系統及軌道球閥簡況

1.1 液氮洗分子篩系統工藝流程

在合成氨裝置中，液氮洗過程需在-182℃以下進行，粗氫氣（經凈化后得到的凈化氣）要通過凈化氣冷卻器冷卻至-182℃，由于上游低溫甲醇洗系統來的粗氫氣中含有約10μL／L的CO2和60μL／L的甲醇，粗氫氣中的CO2和甲醇在冷卻過程中會凍結而堵塞管道，因此需通過2臺切換使用的分子篩吸附器 （V04205 和V04206）吸附脫除粗氫氣（凈化氣）中的甲醇與CO2（生產中1臺分子篩吸附器運行、1臺分子篩吸附器再生，輪流切換），以滿足液氮洗系統對原料氣的要求。呼倫貝爾金新化工有限公司（簡稱金新化工）液氮洗分子篩系統由2臺分子篩吸附器與多臺氣動開關／調節閥組成，其中關鍵的8臺閥門為ORBIT軌道球閥，如圖1。

圖1 液氮洗分子篩系統工藝流程簡圖

1.2 軌道球閥所處工況

金新化工500kt／a合成氨裝置液氮洗分子篩系統共有8臺ORBIT軌道球閥，有10＂和14＂兩種規格，壓力等級／密封面均為600LB／RF，密封形式均為金屬硬密封，泄漏等級均為ASNI ClassVI，涉及的工藝介質主要有（粗）氫氣、凈化氣、氮氣。軌道球閥關閉時的壓差較大，操作溫度范圍較大，每個開關行程都要歷經-60～200℃的溫度變化。軌道球閥的設計工藝參數見表1，其所處工況分析如下。

表1 軌道球閥的設計工藝參數

一旦上述軌道球閥在全關時發生內漏，會導致粗氫氣或合格的凈化氣漏入正在復熱的分子篩中，或粗氫氣漏入低壓氮氣管線，直接導致凈化氣氣量降低，系統能耗增大，影響氨合成系統的負荷，因而對其密封要求很高。一般地，主要通過軌道球閥前后的溫度變化、中化人員取樣分析氫氣含量以及系統停車檢修時打壓測試等手段判斷軌道球閥關閉狀態下的密封性能。

2 軌道球閥結構特點

卡麥隆（CAMERON）公司生產的ORBIT軌道球閥，為頂部開啟、閥桿提升式固定座切斷閥，其內件結構與傳統球閥有本質的區別，它綜合了閘閥、球閥、截止閥的優點。ORBIT軌道球閥在開啟的過程中，其閥球類似于閘閥，閥球和閥座的密封接觸過程類似于截止閥，而閥門的啟閉和流通通道類似于球閥，這種獨特形式的閥門廣泛應用于化工裝置中存在易燃、易爆、易揮發介質的場合。ORBIT軌道球閥開關無摩擦，無高速流體的局部沖刷；固定式單閥座設計，通過機械的楔緊力強迫閥球壓緊閥座以實現密封，硬質合金堆焊閥球表面，并且其彈性的三片式閥座結構在溫差大、壓差大、介質中有粉塵、閥門開關頻繁的情況下仍能確保長期的零泄漏。

2.1 軌道球閥的構成

ORBIT軌道球閥主要由閥體部件和氣動活塞式執行機構組成。執行機構主要由空氣過濾減壓閥、電磁閥、閥位反饋開關、氣控閥、蓄油罐等組成；閥體部件主要由閥腔、閥球、閥座、閥桿、閥球軸套等組成。

2.2 閥桿結構

ORBIT軌道球閥閥桿由執行機構閥桿和軌道閥桿兩部分組成，兩者通過螺紋加銷釘的方式連接，軌道閥桿上部分為垂直軌道，其余部分為螺旋軌道。在閥門關閉位置，閥球受閥桿下部楔形面的機械施壓作用緊壓在閥座上。閥門開啟時，閥桿在導銷作用下首先沿垂直軌道提升，其底部的楔形平面使閥球與閥座脫離接觸，閥門繼續打開，閥桿在導銷作用下沿螺旋軌道驅動閥球轉動達到全開位置。閥門關閉時，閥桿帶動閥球在不接觸閥座的情況下先轉動，之后閥桿繼續下降壓迫閥球壓緊在閥座上，消除了閥球和閥座之間的摩擦，理論上密封面在操作過程中不會受到損傷，增強了閥球與閥座間的密封性能。

2.3 閥體結構

液氮洗分子篩軌道球閥使用的是全通徑單孔實心球，內嵌閥球銷釘與支撐銷釘，閥球前端為半球形密封面，閥球底部的圓弧形閥軸與閥球密封面為同一弧面。閥球與閥座在脫離接觸和接觸密封時通過底部的圓弧形閥軸平緩滾動，消除了閥球密封弧面與閥座密封面在離開時的摩擦力，而且，閥球與閥座靠近時緊緊地貼合在一起，有效地保證了閥座與閥球之間的密封。

ORBIT軌道球閥有兩對銷釘，一對閥球銷釘，一對支撐銷釘。兩個閥球銷釘與閥桿下部平行斜面為平面式接觸，接觸表面均進行精加工和拋光處理，摩擦力小，有效地保護了閥桿和閥球銷釘，延長其使用壽命。兩個支撐銷釘用于控制閥球頂部與閥蓋襯套底部的空間尺寸，保證閥球運動自如；當介質溫度升高造成閥球受熱膨脹、尺寸變化時，垂直支撐銷釘提供閥球整體尺寸限位，不會出現閥球整體卡死的現象，且垂直支撐銷釘提供的限位可保證閥門垂直安裝時不會出現閥球位置的移動及密封失效。

ORBIT球閥支撐銷釘和閥球表面采用硬質合金堆焊，閥球密封面部分有不少于0.8mm厚的硬質合金堆焊面，以保證密封面的長久壽命，因此，即使在高壓差、頻繁開關和介質中帶有顆粒雜質的苛刻工況下，也可以確保閥球與閥座的緊密接觸。

液氮洗分子篩軌道球閥采用金屬硬密封閥座，使用機械過盈冷壓的方式嵌入閥體，閥座為固定結構設計，閥座背后無傳統球閥的預緊彈簧，采用三片式結構，由金屬內環、金屬外環和內嵌密封件組成，具有兩線一面三道密封。內嵌密封件根據不同工況的需要選擇不同的材料（如聚四氟乙烯、不銹鋼），內、外金屬環靠壓力過盈緊密結合在一起，并將中間內嵌密封件包住，防止被沖出閥座。閥座內、外金屬環不是一體的，具有一定的彈性，在機械楔力的作用下可與閥球緊密接觸，達到金屬（閥座密封面）對金屬（閥球密封面）的良好密封效果。

3 維修措施

在合成氨裝置開車初期，部分焊渣、鐵屑等堅硬物質還殘留在設備、管道內，隨著系統的長期運行，這些堅硬物質會隨工藝氣進入液氮洗分子篩軌道球閥閥腔，閥球在關閉時產生摩擦劃痕，損傷了閥球與閥座的密封面，導致閥門內漏。目前，采購1臺14＂的ORBIT軌道球閥需要100多萬元，價格昂貴，且ORBIT軌道球閥的維修成本較高（軌道球閥閥球設計獨特，原廠閥球價格昂貴，舊球可以在國內外委維修，每次的維修價格約為原廠新球價格的1／10）、裝配難度較大，國內ORBIT指定的服務單位裝配1臺10＂及以上的ORBIT軌道球閥，僅內件安裝服務費用就需要數萬元，裝配周期在3d左右。因此，若能改變閥座的設計形式（原閥座制作加工精度高，目前國內沒有此設計），自行重新加工閥座，將極大地降低維修成本。

3.1 改進閥座并更換

液氮洗分子篩系統涉及的工藝介質主要是氮氣、氫氣等較為潔凈的氣體，經分析，將軌道球閥的金屬閥座改為軟閥座，既能滿足工況要求，又能起到良好的密封作用。液氮洗分子篩系統運行時的溫度范圍是-60～200℃，聚四氟乙烯材料具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性，以及良好的抗老化能力，能在-180～250℃的溫度范圍內長期工作。因此，可將損壞的閥座密封面由金屬硬密封改為軟密封，即閥座采用316LSS不銹鋼＋四氟密封。軌道球閥新閥座設計加工示意圖見圖2。

圖2 軌道球閥新閥座設計加工示意圖

金新化工自行加工完成的軌道球閥閥座（金新化工有車床，但開槽、壓制四氟密封等需外協單位完成，制作軟閥座的總費用大幅降低），閥座上四氟密封凸出金屬密封面0.8mm，可保證良好的密封效果。

將拆卸閥座的專用工具安裝至閥腔內，取出原閥座，由于閥座使用機械過盈冷壓的方式嵌入閥體，因此需提前將新閥座置于液氮中冷卻1h，再使用專用工具回裝新閥座。

3.2 試裝閥球

球體在原廠生產時，受加工精度的影響，每一臺球體的尺寸都不完全相同，且每套軌道球閥內件的裝配要求都非常高，因此，每套軌道球閥內件在裝配時都必須進行多次試裝。裝配完后，連接執行機構氣源，將閥門處于關閉位置，檢查閥球與閥座密封面間的間隙，然后斷開執行機構氣源，再次確認密封面間的間隙情況，確保執行機構氣源接通或斷開時閥座與閥球間的密封位置不會變化。用0.1mm厚的A4打印紙剪成3mm寬的小紙條，測試閥球密封面與閥座間的間隙，當各個方向的間隙都比較均勻且紙條已經無法塞入時，再進行打壓測試。表2是金新化工自行裝配首臺14＂軌道球閥（位號KV42012）時的部分記錄。

表2 首臺14＂軌道球閥的部分試裝記錄表

由表2可以看到，在3d的時間里，累計試裝30次，最終試壓合格，滿足工藝要求。隨著檢修經驗的不斷積累，現每臺軌道球閥的裝配時間已縮短至1d左右，極大地提升了檢修進度。

3.2.1 調整執行機構閥桿長度

將軌道球閥全開，松開閥蓋與氣缸間的連接螺栓，松開填料緊固螺釘，順時針旋轉執行機構，可以延長閥桿的長度；反之，逆時針旋轉執行機構可以縮短閥桿的長度。通過旋轉執行機構，調整閥桿長度，可以改變閥座與閥球間的密封位置及密封性能。

3.2.2 調整閥球的高度

軌道球閥試裝時，在閥球軸套中加入／減少不同規格的圓形墊鐵，可以調整閥球的高度，從而改變閥座與閥球密封面間的位置及密封性能。閥球墊得過高，密封面下部容易泄漏；閥球墊得較低，密封面上部容易泄漏。球閥裝配完，打壓測試滿足密封等級要求后，取出閥球，記錄閥球軸套中墊鐵數量、厚度，重新裁剪相同數量、相同厚度的墊鐵，用液氮冷卻閥球軸套后，取出閥球軸套，裝入剛裁剪的墊鐵，再將經液氮冷卻后的閥球軸套裝入閥體，如此操作，既能保證閥球的高度，又可防止墊鐵被磨損。

4 結束語

軌道球閥內件的裝配要有足夠的耐心，需十分仔細、謹慎，不斷地摸索、總結，找出規律，才能節省裝配時間，既快又好地完成任務。針對液氮洗分子篩軌道球閥內漏問題，金新化工通過對閥內件進行改進——重新設計加工閥座，并自行裝配閥球，在較短的時間內滿足了軌道球閥的密封性能要求，2a來的運行實踐也表明軌道球閥密封性能依舊良好。此舉對類似閥門的檢修具有一定的借鑒意義，不僅能充分利用企業自身的檢修力量快速處理問題，而且可節約不少的維修費用，從而有效降低生產成本。