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        PDS 高頻球閥故障分析與優(yōu)化

        2022-02-15 10:07:24
        化工自動化及儀表 2022年1期
        關(guān)鍵詞:閥門設(shè)計

        朱 健

        (中國石油化工股份有限公司揚子石化公司)

        聚丙烯和聚乙烯生產(chǎn)工藝的核心是產(chǎn)品排料系統(tǒng)(Product Discharge System,PDS)。 PDS 裝置能否長周期、安全穩(wěn)定地運行將直接影響聚烯烴裝置的產(chǎn)能[1~3]。

        由于PDS 裝置采用的是聯(lián)鎖順控系統(tǒng),一旦系統(tǒng)中閥門動作時序不對或者配合不當,粉料就可能發(fā)生自聚,輕則堵塞管道,重則導(dǎo)致系統(tǒng)停車,因此對參與順控操作的閥門動作的可靠性要求極高。

        為了實現(xiàn)高效生產(chǎn),目前國內(nèi)大部分PDS 裝置中采用的都是國外進口品牌的PDS 閥門,國產(chǎn)閥門在PDS 裝置中應(yīng)用很少。雖然采用的是進口產(chǎn)品,但根據(jù)多年實際使用情況來看,進口閥門使用壽命短的只有4~6 個月,不能滿足系統(tǒng)長周期、穩(wěn)定運行的要求。 因此筆者研究PDS 閥門工況的特點,分析PDS 閥門故障的原因,探索國產(chǎn)化高品質(zhì)PDS 閥門的開發(fā)應(yīng)用,這對打破國外品牌壟斷,實現(xiàn)PDS 閥門國產(chǎn)化以及提升裝置長周期運行效果有重要意義。

        1 PDS 閥門的工況條件特點

        氣相聚乙烯/聚丙烯在流化床反應(yīng)器中反應(yīng)生成固體聚乙烯/聚丙烯顆粒, 并通過PDS 排料系統(tǒng)將固體聚烯烴顆粒從反應(yīng)器最終分離排入產(chǎn)品出料罐中[4]。

        結(jié)合工藝技術(shù)的特點和要求,分析PDS 閥門的工況條件特點[5,6]如下:

        a. PDS 裝置中閥門的開關(guān)頻率極高。PDS 閥門年開關(guān)次數(shù)為10 萬到50 萬次,過于頻繁的開關(guān)動作要求閥門及其氣控部件具有極高的安全可靠性。

        b. PDS 閥門介質(zhì)為固體聚合顆粒粉末。 聚烯烴生產(chǎn)裝置中反應(yīng)生成的粉狀顆粒產(chǎn)品,在催化劑的作用下硬度變高且具有自聚性。 顆粒粉末介質(zhì)在閥門高頻次的開關(guān)動作時會進入球座密封面,對球體和閥座的密封面產(chǎn)生嚴重磨損,如圖1所示。 由于介質(zhì)的自聚性,聚合顆粒會停留在閥內(nèi)縫隙中,并自聚得越來越大,會影響閥門的開關(guān),嚴重時會導(dǎo)致閥門抱死,同時會損害氣缸等氣控元件。

        圖1 球體密封面劃傷

        c. 密封等級要求高。PDS 裝置中的硬密封球閥的泄漏等級一般要達到Ⅵ密封。

        d. 高壓差造成閥門沖刷現(xiàn)象。 由于PDS 系統(tǒng)排料時的高壓差,固體聚烯烴顆粒會對閥門造成嚴重的沖刷現(xiàn)象。

        e. 聚合反應(yīng)的溫差變化大。聚烯烴生產(chǎn)裝置在緊急事故情況下, 介質(zhì)在高壓時會形成低溫,這要求PDS 閥門要達到低溫到-45 ℃的設(shè)計要求。

        f. 閥門開關(guān)速度要快。 PDS 系統(tǒng)對閥門的開關(guān)速度要求極高,對于口徑小于6 英寸(1 英寸=25.4 毫米)的閥門,開關(guān)時間要求在1.5 s 以內(nèi),6英寸及以上的閥門開關(guān)時間要求在2.5 s 內(nèi)。

        2 PDS 閥門故障與分析

        過去聚烯烴裝置上采用的PDS 切斷閥主要為進口產(chǎn)品,雖然是國際知名品牌PDS 閥門生產(chǎn)商的產(chǎn)品,但是它們的PDS 閥門也不盡完美。 筆者對某進口品牌PDS 閥門從其結(jié)構(gòu)與材料兩個方面對常見故障進行分析。

        2.1 球座密封面涂層拉傷

        球座表面硬化材料使用其本廠的特殊ARGLOY 合金,硬度值約HRC60,這種材料在正常情況下使用沒有問題,但其硬度值偏低,閥門長期高頻開關(guān)后,聚乙烯/聚丙烯顆粒介質(zhì)有時也會對球座密封面造成劃傷,如圖2 所示。

        圖2 球座密封面劃傷

        2.2 閥桿拉傷與變形

        閥桿與球體連接處采用4 個圓柱銷連接,此種設(shè)計能保證閥桿高頻率動作下嚴格對中,使閥門扭矩保持長期穩(wěn)定,但是這種連接方式也有缺陷:閥桿頭部易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,當閥門出現(xiàn)卡澀時, 閥桿頭部易出現(xiàn)變形甚至斷裂, 如圖3所示。

        圖3 銷連接閥桿斷裂

        閥桿處采用的是單片PEEK 材料的止推軸承,雖然該軸承可以有效減少摩擦阻力,降低閥門的開關(guān)扭矩,但由于閥門開關(guān)頻率較高,在開關(guān)一定次數(shù)后,PEEK 材料的止推軸承極易被磨損。 這就造成閥桿和閥體,閥桿和球體間的間隙變大,在高頻開關(guān)的工況,極易造成閥桿的拉傷,并且加劇閥桿頭部的變形,如圖4 所示。

        圖4 閥桿拉傷

        閥桿花鍵結(jié)構(gòu)造成氣缸損傷。 閥桿和聯(lián)軸器連接處采用花鍵連接,在氣缸拆裝過程中很容易造成花鍵毛糙,若在組裝時不注意,閥桿不能完全進入聯(lián)軸器花鍵孔中,導(dǎo)致氣缸軸上移,氣缸活塞基板和氣缸上端蓋釉面直接接觸,最終導(dǎo)致上端蓋被基板刮傷,造成氣缸的磨損(圖5)。在維修的閥門中,經(jīng)常會出現(xiàn)由于該原因造成的氣缸串氣漏氣甚至缸體拉傷,造成閥門開關(guān)不到位的現(xiàn)象。

        圖5 氣缸刮傷磨損

        2.3 碟簧底部物料堆積

        PDS 閥門的介質(zhì)為聚烯烴顆粒粉末,具有較強的自聚性,容易在碟簧與閥體閥帽之間的三角區(qū)域堆積大量的介質(zhì)顆粒粉末。 碟簧由于大量介質(zhì)顆粒粉末的堆積而變形量加大且無法復(fù)位(圖6),從而失去固有的彈性功能,處于卡死狀態(tài),進而引起球座之間的轉(zhuǎn)動扭矩增大,最終導(dǎo)致閥門出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

        圖6 碟簧底部物料堆積

        2.4 填料外漏

        填料外漏是PDS 閥門非常常見的故障,分析其填料結(jié)構(gòu)與材料主要有以下幾個原因:

        a. 采用單層填料,填料高度過短,不利于密封。 當發(fā)生填料外漏時,采用壓緊填料的方法,效果很差。

        b. 閥桿定位軸承只有一個, 且長度較短,容易造成閥桿傾斜,擠壓填料導(dǎo)致填料損壞。

        c. 填料為單純的柔性石墨材料,柔性石墨壓縮量不易控制,若壓縮量小,密封效果不好,若壓縮量大,填料和閥桿的摩擦力會變大,且在閥桿轉(zhuǎn)動過程中,石墨填料易被磨損。

        3 PDS 閥門優(yōu)化

        通過對進口PDS 閥門常見的故障原因進行分析,某國產(chǎn)品牌閥門制造商根據(jù)以往氣固兩相工況閥門的設(shè)計經(jīng)驗并結(jié)合PDS 工況環(huán)境特點,在密封面材料、 設(shè)計結(jié)構(gòu)及氣缸損傷等方面對PDS 高頻閥門做了針對性的優(yōu)化設(shè)計。

        3.1 密封面材料的選擇

        針對PDS 閥門高頻開關(guān)的特殊性,只有高度耐磨性材料才適合用作硬涂層材料,同時為了延長閥門的使用壽命,必須采用較低摩擦系數(shù)且不會發(fā)生金屬粘接的配對材料來盡可能地提高密封面的壽命。 通過大量的對比試驗后,選擇采用復(fù)合涂層,能較好地滿足這樣的要求,國產(chǎn)自主研發(fā)的FSLLOY30 硬質(zhì)合金較徹底地解決了固體粉料工況下球座密封面容易拉傷的難題,相比其他硬質(zhì)合金材料,無論在耐磨性能上還是使用壽命上都有很大提高。 經(jīng)干燥物料系統(tǒng)試驗證明,閥門開關(guān)200 萬次以上后,密封面涂層無損傷、密封效果良好(圖7),能較好地滿足PDS 閥門年動作百萬次的要求。

        圖7 開關(guān)200 萬次后的FSLLOY30 涂層密封面

        3.2 雙刮刀設(shè)計

        由于PDS 閥門介質(zhì)是固體顆粒粉末,要求閥座具有自清潔功能。 采用閥座雙刮刀設(shè)計(圖8)可以在閥門開關(guān)時有效地阻止固體顆粒粉末進入球座密封面,從而減少球座密封面被介質(zhì)顆粒劃傷的可能,延長PDS 閥門的使用壽命。

        圖8 閥座雙刮刀設(shè)計

        3.3 泄灰槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

        針對碟簧底部物料堆積的問題,設(shè)計泄灰槽結(jié)構(gòu),在碟簧后設(shè)計花瓣形泄灰槽結(jié)構(gòu),當物料進入碟簧底部三角區(qū)域后,通過泄灰槽將碟簧后面的顆粒粉料排出。 碟簧不會被卡死,保證了閥座的靈活性,從而使該處扭矩很好地控制在設(shè)計范圍,保證了PDS 系統(tǒng)的正常運行。

        3.4 閥桿優(yōu)化

        閥桿多重軸套定位及優(yōu)化。 為防止閥桿偏斜,采用多重軸套進行定位,同時閥桿與軸套接觸面進行硬化處理,增加了閥桿和軸套的耐磨性能。 另外,在閥桿底部增加防塵圈,防止超細粉末進入軸承腔而導(dǎo)致閥門扭矩增大。

        雙止推軸承設(shè)計。 在閥桿處采用雙止推軸承設(shè)計,止推軸承采用整體燒結(jié)制成。 相對于單片PEEK 止推軸承, 整體燒結(jié)的雙止推軸承硬度較高且不易磨損,可以較好地避免PEEK 材料容易磨損的缺點,與此同時雙止推軸承結(jié)構(gòu)增加了一個摩擦副, 可以有效地降低閥門的摩擦扭矩,減少閥桿抱死扭傷的可能。

        雙重填料設(shè)計。 針對填料易外漏的現(xiàn)象,采用PTFE+柔性石墨的雙重填料設(shè)計。 雙重填料設(shè)計加大了填料高度,當填料松弛后,可通過再次調(diào)整壓縮量,實現(xiàn)填料處的再次密封。PTFE+柔性石墨的設(shè)計相較于單純的石墨填料具有更好的耐磨性,更適用于高頻率開關(guān)的閥門,填料不易損壞,從而延長了填料的使用壽命,保證了閥門的安全運行。

        閥桿方頭設(shè)計。 便于工人安裝操作。

        優(yōu)化后的閥桿結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

        圖9 優(yōu)化后的閥桿結(jié)構(gòu)

        3.5 提高氣缸扭矩安全系數(shù)

        由于PDS 高頻球閥的介質(zhì)均為固體粉末顆粒, 相較于氣體和液體介質(zhì)閥門開關(guān)扭矩增大。在高頻球閥氣缸選型時,應(yīng)同樣選用性能較為穩(wěn)定的KINETROL 氣缸。與此同時要提高氣缸輸出扭矩的安全系數(shù),氣缸輸出扭矩安全系數(shù)至少要大于2.0,這樣才可以保證閥門長期穩(wěn)定地開關(guān),還可以降低氣缸的損壞次數(shù)。

        4 優(yōu)化效果

        目前,此優(yōu)化后的PDS 高頻球閥已逐漸在多套PDS 裝置上成功使用(圖10),并取得了良好的效果反饋。 從開關(guān)頻率、密封效果及使用壽命等方面均優(yōu)于國外進口的PDS 閥門。

        圖10 優(yōu)化后的PDS 閥門在線安裝場景

        5 結(jié)束語

        隨著國內(nèi)各行各業(yè)對聚丙烯/聚乙烯需求的增加,未來聚烯烴生產(chǎn)裝置的產(chǎn)能和規(guī)模也會越來越大,這對PDS 閥門開關(guān)頻率、密封效果及使用壽命等方面將會提出新的要求。 分析研究PDS高頻球閥的故障原因, 提出國產(chǎn)化優(yōu)化解決方案, 對實現(xiàn)PDS 裝置閥門的國產(chǎn)化應(yīng)用、 提高PDS 長周期可靠運行具有重要意義。

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