毛大軍

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

1 液氮洗分子篩系統(tǒng)及軌道球閥簡況

1.1 液氮洗分子篩系統(tǒng)工藝流程

在合成氨裝置中，液氮洗過程需在-182℃以下進(jìn)行，粗氫氣（經(jīng)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(tǒng)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(huì)凍結(jié)而堵塞管道，因此需通過2臺(tái)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(chǎn)中1臺(tái)分子篩吸附器運(yùn)行、1臺(tái)分子篩吸附器再生，輪流切換），以滿足液氮洗系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)由2臺(tái)分子篩吸附器與多臺(tái)氣動(dòng)開關(guān)／調(diào)節(jié)閥組成，其中關(guān)鍵的8臺(tái)閥門為ORBIT軌道球閥，如圖1。

圖1 液氮洗分子篩系統(tǒng)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(tǒng)共有8臺(tái)ORBIT軌道球閥，有10＂和14＂兩種規(guī)格，壓力等級(jí)／密封面均為600LB／RF，密封形式均為金屬硬密封，泄漏等級(jí)均為ASNI ClassVI，涉及的工藝介質(zhì)主要有（粗）氫氣、凈化氣、氮?dú)?。軌道球閥關(guān)閉時(shí)的壓差較大，操作溫度范圍較大，每個(gè)開關(guān)行程都要?dú)v經(jīng)-60～200℃的溫度變化。軌道球閥的設(shè)計(jì)工藝參數(shù)見表1，其所處工況分析如下。

表1 軌道球閥的設(shè)計(jì)工藝參數(shù)

一旦上述軌道球閥在全關(guān)時(shí)發(fā)生內(nèi)漏，會(huì)導(dǎo)致粗氫氣或合格的凈化氣漏入正在復(fù)熱的分子篩中，或粗氫氣漏入低壓氮?dú)夤芫€，直接導(dǎo)致凈化氣氣量降低，系統(tǒng)能耗增大，影響氨合成系統(tǒng)的負(fù)荷，因而對(duì)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(tǒng)停車檢修時(shí)打壓測試等手段判斷軌道球閥關(guān)閉狀態(tài)下的密封性能。

2 軌道球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

卡麥?。–AMERON）公司生產(chǎn)的ORBIT軌道球閥，為頂部開啟、閥桿提升式固定座切斷閥，其內(nèi)件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)球閥有本質(zhì)的區(qū)別，它綜合了閘閥、球閥、截止閥的優(yōu)點(diǎn)。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(dú)特形式的閥門廣泛應(yīng)用于化工裝置中存在易燃、易爆、易揮發(fā)介質(zhì)的場合。ORBIT軌道球閥開關(guān)無摩擦，無高速流體的局部沖刷；固定式單閥座設(shè)計(jì)，通過機(jī)械的楔緊力強(qiáng)迫閥球壓緊閥座以實(shí)現(xiàn)密封，硬質(zhì)合金堆焊閥球表面，并且其彈性的三片式閥座結(jié)構(gòu)在溫差大、壓差大、介質(zhì)中有粉塵、閥門開關(guān)頻繁的情況下仍能確保長期的零泄漏。

2.1 軌道球閥的構(gòu)成

ORBIT軌道球閥主要由閥體部件和氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由空氣過濾減壓閥、電磁閥、閥位反饋開關(guān)、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(jié)構(gòu)

ORBIT軌道球閥閥桿由執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿和軌道閥桿兩部分組成，兩者通過螺紋加銷釘?shù)姆绞竭B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(guān)閉位置，閥球受閥桿下部楔形面的機(jī)械施壓作用緊壓在閥座上。閥門開啟時(shí)，閥桿在導(dǎo)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(xù)打開，閥桿在導(dǎo)銷作用下沿螺旋軌道驅(qū)動(dòng)閥球轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到全開位置。閥門關(guān)閉時(shí)，閥桿帶動(dòng)閥球在不接觸閥座的情況下先轉(zhuǎn)動(dòng)，之后閥桿繼續(xù)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(huì)受到損傷，增強(qiáng)了閥球與閥座間的密封性能。

2.3 閥體結(jié)構(gòu)

液氮洗分子篩軌道球閥使用的是全通徑單孔實(shí)心球，內(nèi)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(shí)通過底部的圓弧形閥軸平緩滾動(dòng)，消除了閥球密封弧面與閥座密封面在離開時(shí)的摩擦力，而且，閥球與閥座靠近時(shí)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(duì)銷釘，一對(duì)閥球銷釘，一對(duì)支撐銷釘。兩個(gè)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(jìn)行精加工和拋光處理，摩擦力小，有效地保護(hù)了閥桿和閥球銷釘，延長其使用壽命。兩個(gè)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(yùn)動(dòng)自如；當(dāng)介質(zhì)溫度升高造成閥球受熱膨脹、尺寸變化時(shí)，垂直支撐銷釘提供閥球整體尺寸限位，不會(huì)出現(xiàn)閥球整體卡死的現(xiàn)象，且垂直支撐銷釘提供的限位可保證閥門垂直安裝時(shí)不會(huì)出現(xiàn)閥球位置的移動(dòng)及密封失效。

ORBIT球閥支撐銷釘和閥球表面采用硬質(zhì)合金堆焊，閥球密封面部分有不少于0.8mm厚的硬質(zhì)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(guān)和介質(zhì)中帶有顆粒雜質(zhì)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(jī)械過盈冷壓的方式嵌入閥體，閥座為固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥座背后無傳統(tǒng)球閥的預(yù)緊彈簧，采用三片式結(jié)構(gòu)，由金屬內(nèi)環(huán)、金屬外環(huán)和內(nèi)嵌密封件組成，具有兩線一面三道密封。內(nèi)嵌密封件根據(jù)不同工況的需要選擇不同的材料（如聚四氟乙烯、不銹鋼），內(nèi)、外金屬環(huán)靠壓力過盈緊密結(jié)合在一起，并將中間內(nèi)嵌密封件包住，防止被沖出閥座。閥座內(nèi)、外金屬環(huán)不是一體的，具有一定的彈性，在機(jī)械楔力的作用下可與閥球緊密接觸，達(dá)到金屬（閥座密封面）對(duì)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(jiān)硬物質(zhì)還殘留在設(shè)備、管道內(nèi)，隨著系統(tǒng)的長期運(yùn)行，這些堅(jiān)硬物質(zhì)會(huì)隨工藝氣進(jìn)入液氮洗分子篩軌道球閥閥腔，閥球在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生摩擦劃痕，損傷了閥球與閥座的密封面，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏。目前，采購1臺(tái)14＂的ORBIT軌道球閥需要100多萬元，價(jià)格昂貴，且ORBIT軌道球閥的維修成本較高（軌道球閥閥球設(shè)計(jì)獨(dú)特，原廠閥球價(jià)格昂貴，舊球可以在國內(nèi)外委維修，每次的維修價(jià)格約為原廠新球價(jià)格的1／10）、裝配難度較大，國內(nèi)ORBIT指定的服務(wù)單位裝配1臺(tái)10＂及以上的ORBIT軌道球閥，僅內(nèi)件安裝服務(wù)費(fèi)用就需要數(shù)萬元，裝配周期在3d左右。因此，若能改變閥座的設(shè)計(jì)形式（原閥座制作加工精度高，目前國內(nèi)沒有此設(shè)計(jì)），自行重新加工閥座，將極大地降低維修成本。

3.1 改進(jìn)閥座并更換

液氮洗分子篩系統(tǒng)涉及的工藝介質(zhì)主要是氮?dú)?、氫氣等較為潔凈的氣體，經(jīng)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(tǒng)運(yùn)行時(shí)的溫度范圍是-60～200℃，聚四氟乙烯材料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)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(nèi)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(shè)計(jì)加工示意圖見圖2。

圖2 軌道球閥新閥座設(shè)計(jì)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(xié)單位完成，制作軟閥座的總費(fèi)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(nèi)，取出原閥座，由于閥座使用機(jī)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(chǎn)時(shí)，受加工精度的影響，每一臺(tái)球體的尺寸都不完全相同，且每套軌道球閥內(nèi)件的裝配要求都非常高，因此，每套軌道球閥內(nèi)件在裝配時(shí)都必須進(jìn)行多次試裝。裝配完后，連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源，將閥門處于關(guān)閉位置，檢查閥球與閥座密封面間的間隙，然后斷開執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源，再次確認(rèn)密封面間的間隙情況，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源接通或斷開時(shí)閥座與閥球間的密封位置不會(huì)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(dāng)各個(gè)方向的間隙都比較均勻且紙條已經(jīng)無法塞入時(shí)，再進(jìn)行打壓測試。表2是金新化工自行裝配首臺(tái)14＂軌道球閥（位號(hào)KV42012）時(shí)的部分記錄。

表2 首臺(tái)14＂軌道球閥的部分試裝記錄表

由表2可以看到，在3d的時(shí)間里，累計(jì)試裝30次，最終試壓合格，滿足工藝要求。隨著檢修經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，現(xiàn)每臺(tái)軌道球閥的裝配時(shí)間已縮短至1d左右，極大地提升了檢修進(jìn)度。

3.2.1 調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shí)針旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以延長閥桿的長度；反之，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以縮短閥桿的長度。通過旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)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(diào)整閥球的高度

軌道球閥試裝時(shí)，在閥球軸套中加入／減少不同規(guī)格的圓形墊鐵，可以調(diào)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(jí)要求后，取出閥球，記錄閥球軸套中墊鐵數(shù)量、厚度，重新裁剪相同數(shù)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(jīng)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(jié)束語

軌道球閥內(nèi)件的裝配要有足夠的耐心，需十分仔細(xì)、謹(jǐn)慎，不斷地摸索、總結(jié)，找出規(guī)律，才能節(jié)省裝配時(shí)間，既快又好地完成任務(wù)。針對(duì)液氮洗分子篩軌道球閥內(nèi)漏問題，金新化工通過對(duì)閥內(nèi)件進(jìn)行改進(jìn)——重新設(shè)計(jì)加工閥座，并自行裝配閥球，在較短的時(shí)間內(nèi)滿足了軌道球閥的密封性能要求，2a來的運(yùn)行實(shí)踐也表明軌道球閥密封性能依舊良好。此舉對(duì)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(yè)自身的檢修力量快速處理問題，而且可節(jié)約不少的維修費(fèi)用，從而有效降低生產(chǎn)成本。