于 軍 李鵬飛 陳利軍

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

在石油化工領(lǐng)域，工業(yè)色譜儀作為在線檢測(cè)工藝裝置運(yùn)行狀態(tài)和質(zhì)量的重要在線分析儀表，目前已廣泛應(yīng)用，并且發(fā)揮著越來越重要的作用。石油化工等領(lǐng)域的原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品成分復(fù)雜，具有沸點(diǎn)和泡點(diǎn)、溫度和壓力范圍寬的特點(diǎn)，而工業(yè)色譜儀要求待檢查分析的樣品必須潔凈、相態(tài)單一且不失真。由于微量極性分子在樣品切換、轉(zhuǎn)移過程中易被吸附，因此容易導(dǎo)致工業(yè)色譜儀檢測(cè)分析結(jié)果失真。設(shè)計(jì)多流路樣品無污染色譜進(jìn)樣/切換閥可提升工業(yè)色譜儀的適用性和可靠性，擴(kuò)大工業(yè)在線色譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域，提升石油化工領(lǐng)域的在線監(jiān)測(cè)和計(jì)量水平。

1 多流路色譜分析樣品無污染切換設(shè)計(jì)思路

多流路色譜分析樣品是指從石油化工等工藝裝置的不同取樣點(diǎn)采取的成分和含量相似、可以用一臺(tái)工業(yè)色譜儀的一套色譜柱和檢測(cè)器周期性地循環(huán)檢測(cè)分析的多路樣品，流路數(shù)量根據(jù)需要最多可達(dá)32路。

用一臺(tái)工業(yè)色譜儀分析多流路樣品中的每個(gè)流路，需要單獨(dú)對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行采樣、傳輸、過濾、減壓、控溫、保持單一相態(tài)及通過快速回路縮短響應(yīng)時(shí)間等樣品預(yù)處理后，接入色譜進(jìn)樣/切換閥，按工業(yè)色譜儀的預(yù)設(shè)時(shí)序?qū)Χ鄠€(gè)流路依次進(jìn)行選擇和進(jìn)樣切換檢測(cè)分析。

為了保證工業(yè)色譜儀對(duì)每個(gè)流路檢測(cè)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在流路樣品切換過程中，防止不同流路樣品的交叉污染極為重要。在設(shè)計(jì)色譜進(jìn)樣/切換閥時(shí)，除了考慮盡可能減小閥內(nèi)部流通孔徑、容積和硅涂層處理外，還要考慮切換閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將相鄰流路之間的切換死體積減到最小，同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)每個(gè)流路取樣前一個(gè)分析周期內(nèi)，通過工業(yè)色譜儀程序控制該閥，用待分析流路樣品吹掃色譜定量管，以達(dá)到多流路樣品無污染切換的目的。

2 多流路色譜進(jìn)樣/切換閥設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)色譜儀對(duì)多流路切換進(jìn)樣分析的實(shí)際需求，針對(duì)具體的應(yīng)用領(lǐng)域、范圍和條件，先論證并確定技術(shù)方案、技術(shù)路線、技術(shù)指標(biāo)，再進(jìn)行多流路樣品色譜進(jìn)樣/切換閥的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2.1 技術(shù)方案

色譜進(jìn)樣/切換閥的每個(gè)流路用兩個(gè)常閉閥控制其開啟或關(guān)閉（即采用雙通雙阻塞方案），兩個(gè)常閉閥之間引出放空流路，用一個(gè)常開閥控制開啟或關(guān)閉。每個(gè)流路的兩個(gè)雙通雙阻塞常閉閥和放空常開閥由一路驅(qū)動(dòng)氣控制。

多個(gè)樣品流路同時(shí)進(jìn)入色譜進(jìn)樣/切換閥，但只有一個(gè)樣品流路流出到色譜儀入口。具體哪個(gè)流路流出到色譜儀入口，根據(jù)分析需要，由色譜儀運(yùn)行程序通過自動(dòng)啟動(dòng)色譜電磁閥的儀表空氣驅(qū)動(dòng)色譜進(jìn)樣/切換閥上對(duì)應(yīng)流路的驅(qū)動(dòng)口實(shí)現(xiàn)。

以2流路切換方案為例，色譜進(jìn)樣/切換閥的技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 2流路色譜進(jìn)樣/切換閥的技術(shù)方案

2.2 技術(shù)路線

需要切換的多個(gè)流路獨(dú)立進(jìn)入色譜進(jìn)樣/切換閥，每個(gè)流路用獨(dú)立的空氣驅(qū)動(dòng)，為滿足工業(yè)色譜儀的需要，在多個(gè)待切換流路中，任何時(shí)刻只有一個(gè)流路可以被驅(qū)動(dòng)流通，其他流路則處于關(guān)閉狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)流路切換時(shí)的可靠性，確定為雙通雙阻塞方案，并減小切換時(shí)內(nèi)部的死體積，切換關(guān)閉后的死體積空間對(duì)空到大氣，減少交叉污染。為實(shí)現(xiàn)此目的，將每個(gè)流路的兩個(gè)雙通雙阻塞閥門和死體積放空閥門用同一路驅(qū)動(dòng)氣控制。

確定本體和密封材料，保證在石油化工工藝樣品條件下無泄漏，在色譜驅(qū)動(dòng)氣的控制下，實(shí)現(xiàn)多流路樣品的無污染切換。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)詳列如下：

閥體材料 316L（根據(jù)特殊樣品應(yīng)用，也可選擇Monel、Hastelloy C）

閥座材料 316L

孔徑 2.8mm

額定流量系數(shù)Cv0.15

內(nèi)部容積 0.74mL

泄漏量 1×10-5mL/s

最小啟動(dòng)壓力 0.25MPa

操作壓力 0～5MPa

操作溫度 -40～200℃

3 設(shè)計(jì)

色譜進(jìn)樣/切換閥由閥蓋、閥座、膜片、活塞桿、閥體及底座等部分組成，如圖2所示。

閥蓋用于保護(hù)閥內(nèi)部件和閥體維護(hù)，材料為316L。

圖2 色譜進(jìn)樣/切換閥

膜片隨流路的切換而不斷動(dòng)作，且與樣品直接接觸，所以對(duì)材料的要求極高。經(jīng)反復(fù)對(duì)比，最終選擇埃爾吉洛伊非磁性合金［2］（Elgiloy）材料。埃爾吉洛伊非磁性合金屬鎳鉬合金，是一種耐腐蝕游絲合金，具有高強(qiáng)度、高可塑性和較好的機(jī)械性能。在許多環(huán)境下具有抗腐蝕性強(qiáng)、抗疲勞壽命長(zhǎng)和抗磁化的特點(diǎn)。使用溫度可達(dá)650～1 000℃。

活塞桿是色譜驅(qū)動(dòng)氣對(duì)流路進(jìn)行切換時(shí)的驅(qū)動(dòng)部件，是色譜進(jìn)樣/切換閥的關(guān)鍵部件，也采用聚醚醚酮（PEEK）材料制作。

閥體的作用是進(jìn)行流路的驅(qū)動(dòng)和樣品切換，材料為316L。

閥底座的作用是進(jìn)樣和支撐閥體，其材料也采用316L。

色譜進(jìn)樣/切換閥實(shí)物和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 色譜進(jìn)樣/切換閥實(shí)物和結(jié)構(gòu)

4 多流路色譜進(jìn)樣/切換閥設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證要求

色譜進(jìn)樣/切換閥為雙通道切換閥組，每個(gè)通道需要承受5MPa壓力和200℃的液體或氣體樣品介質(zhì)而不發(fā)生泄漏，而且在0.25～0.50MPa驅(qū)動(dòng)氣（儀表空氣）的作用下兩通道可獨(dú)立運(yùn)行。

4.2 驗(yàn)證方案

向色譜進(jìn)樣/切換閥兩通道中分別通入5MPa、200℃的測(cè)試介質(zhì)，在閥的出口檢測(cè)泄漏量，按照J(rèn)B/T 6378—2008的規(guī)定“1～8mm通徑閥內(nèi)泄漏量不大于10cm3/min”，若滿足此標(biāo)準(zhǔn)，即證明閥件耐溫耐壓指標(biāo)合格。

采用0.25～0.50MPa的儀表空氣分別驅(qū)動(dòng)切換閥的兩個(gè)通道，通過觀察出口端壓力表是否有示值驗(yàn)證切換閥的功能。

對(duì)相應(yīng)的研究過程進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，結(jié)果顯示符合構(gòu)建模型的要求，此外，利用A-MOS17.0將理論轉(zhuǎn)化為具體的結(jié)構(gòu)模型。通過該種方式進(jìn)行產(chǎn)業(yè)扶貧影響的探究，看扶貧參與人員是否對(duì)產(chǎn)業(yè)扶貧有間接的影響。

4.3 驗(yàn)證介質(zhì)

考慮到N2是較穩(wěn)定的氣體，容易獲取，且其分子直徑比多數(shù)有機(jī)分子要小，因此測(cè)試介質(zhì)選用N2具有較好的參考性。

4.4 驗(yàn)證模型

驗(yàn)證模型如圖4所示。

4.5 驗(yàn)證評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

密封性驗(yàn)證評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：密封性能參考JB/T 6378—2008的規(guī)定，本切換閥設(shè)計(jì)的通徑規(guī)格為1～8mm，閥內(nèi)泄漏量不大于10cm3/min。

密封性測(cè)試過程中，若Fp+Fn≤10cm3/min（其中，F(xiàn)p為切換閥排放口流量，F(xiàn)n為切換閥樣品出口流量），則可判定密封性能合格。

圖4 驗(yàn)證模型

功能性驗(yàn)證評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：

a.當(dāng)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)口與儀表空氣接通，F(xiàn)p≤10cm3/min且Fn≥10cm3/min；

b.當(dāng)驅(qū)動(dòng)口不接入儀表空氣時(shí)，F(xiàn)p+Fn≤10cm3/min。

同時(shí)滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)a、b，即可判定色譜進(jìn)樣/切換閥功能完好。

4.6 驗(yàn)證結(jié)果

完成以上設(shè)計(jì)后，在流路1和流路2的驅(qū)動(dòng)口分別接入0.30MPa儀表空氣時(shí)，切換閥排放口流量Fp為2cm3/min，切換閥樣品出口流量Fn為100cm3/min；在驅(qū)動(dòng)口不接入儀表空氣時(shí)，F(xiàn)p+Fn=0cm3/min。

驗(yàn)證結(jié)果表明，色譜進(jìn)樣/切換閥同時(shí)滿足功能性驗(yàn)證評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)a、b，判定色譜進(jìn)樣/切換閥功能完好。

5 多流路色譜進(jìn)樣/切換閥應(yīng)用

多流路色譜進(jìn)樣/切換閥應(yīng)用于工業(yè)色譜儀進(jìn)樣口的前級(jí)，由工業(yè)色譜儀驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)控制切換，用于對(duì)具有相似樣品成分和相近成分含量的2～32路不同石油化工裝置工藝樣品的工業(yè)色譜儀切換分析。

色譜進(jìn)樣/切換閥在中韓石化2流路裂解氣工業(yè)色譜分析中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，采用工業(yè)色譜儀通過2流路色譜進(jìn)樣/切換閥對(duì)成分相同但含量不同的兩瓶標(biāo)氣進(jìn)行測(cè)量。色譜檢測(cè)分析結(jié)果與標(biāo)氣含量相同，滿足現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)色譜儀多流路檢測(cè)分析的要求。

多流路色譜進(jìn)樣/切換閥一方面采用雙通雙阻塞技術(shù)，每個(gè)流路設(shè)計(jì)兩個(gè)常閉閥控制該流路的通斷，增強(qiáng)了多流路長(zhǎng)期頻繁切換時(shí)的可靠性。另一方面采用防切換污染技術(shù)，為防止切換時(shí)內(nèi)部死體積造成的污染，切換關(guān)閉后的死體積空間對(duì)空到大氣中，減少了交叉污染。每個(gè)流路的兩個(gè)雙通雙阻塞常閉閥和放空排污常開閥由一路色譜驅(qū)動(dòng)氣控制?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，多流路色譜進(jìn)樣/切換閥頻繁切換過程可靠、流路切換時(shí)將內(nèi)部的死體積減至最小，無流路切換污染，適用于5MPa、200℃的樣品條件。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于工業(yè)色譜儀需求量大且價(jià)格昂貴，在滿足對(duì)工藝裝置樣品檢測(cè)分析周期的前提下，一臺(tái)工業(yè)色譜儀交替分析多流路樣品是在線分析領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。色譜進(jìn)樣/切換閥在我國(guó)現(xiàn)階段石油化工領(lǐng)域的多流路工業(yè)色譜儀檢測(cè)分析中具有重要而廣泛的作用，研發(fā)和設(shè)計(jì)應(yīng)用屬于我國(guó)自己的色譜進(jìn)樣/切換閥，對(duì)于突破“卡脖子”技術(shù)瓶頸具有重要的意義。