濮冬生

(德希尼布化學(xué)工程(天津)有限公司，上海 200030)

聚酰胺裝置縮聚反應(yīng)對(duì)介質(zhì)溫度要求非常嚴(yán)苛，要求反應(yīng)溫度為270～290 ℃。導(dǎo)熱油具有抗熱裂化和化學(xué)氧化的性能，傳熱效率好、升溫快、熱穩(wěn)定性好，常被用來(lái)做傳熱介質(zhì)。導(dǎo)熱油控制閥合理選型是控制縮聚反應(yīng)溫度的前提，也是縮聚反應(yīng)能否安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。本文將總結(jié)導(dǎo)熱油控制閥在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，并結(jié)合相關(guān)理論分析探討導(dǎo)熱油控制閥的設(shè)計(jì)選型。

1 導(dǎo)熱油特性及應(yīng)用工況簡(jiǎn)介

高溫導(dǎo)熱油的滲透性很強(qiáng)(約是蒸汽的50倍)，過(guò)量的吸入會(huì)引起頭昏眩暈、惡心嘔吐、恍惚嗜睡，嚴(yán)重的甚至?xí)粑щy或喪失意識(shí)。參照GBZ 230—2010 《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》[1]中規(guī)定，高溫導(dǎo)熱油的危害等級(jí)為中度危害(Ⅲ級(jí))。

典型縮聚反應(yīng)工藝流程如圖1所示。熱油經(jīng)過(guò)入口氣動(dòng)開關(guān)閥(XV-01)通過(guò)縮聚反應(yīng)器熱油泵輸送至換熱器，經(jīng)調(diào)溫后再送至縮聚反應(yīng)器，一部分熱油通過(guò)縮聚反應(yīng)器回流至縮聚反應(yīng)器熱油泵。縮聚反應(yīng)器熱油進(jìn)口管線溫度變送器TT-02和熱油管線氣動(dòng)控制閥TV-02A/B組成分程控制系統(tǒng)，精確調(diào)節(jié)熱油溫度。

2 導(dǎo)熱油控制閥應(yīng)用中的常見問(wèn)題

導(dǎo)熱油控制閥在應(yīng)用中的常見問(wèn)題如下：

1)氣動(dòng)開關(guān)閥類型選擇錯(cuò)誤。導(dǎo)熱油介質(zhì)具有高溫下滲透性強(qiáng)及中等毒性的特點(diǎn)，選用氣動(dòng)球閥不能滿足閥桿處的密封等級(jí)，會(huì)產(chǎn)生外漏，導(dǎo)致熱油浪費(fèi)，并對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生危害。

圖1 典型縮聚反應(yīng)工藝流程示意

2)非波紋管密封控制閥填料易造成泄漏。閥門填料用于閥桿與閥蓋之間的密封，若不采用波紋管密封控制閥，易產(chǎn)生泄漏，泄漏原因主要有： 閥桿與推桿不同軸導(dǎo)致填料變形引起的泄漏，閥桿強(qiáng)度不夠?qū)е麻y桿發(fā)生彎曲引起的泄漏。

3)對(duì)波紋管的循環(huán)壽命無(wú)要求。波紋管循環(huán)壽命指在循環(huán)壽命內(nèi)波紋管不允許出現(xiàn)疲勞、失效、損壞等現(xiàn)象。波紋管選型時(shí)除對(duì)閥桿處的密封等級(jí)及材質(zhì)有要求外，還需對(duì)波紋管的循環(huán)壽命有較高要求。

4)波紋管密封開關(guān)閥角行程限位開關(guān)無(wú)反應(yīng)。閥門限位開關(guān)是檢測(cè)閥門狀態(tài)的一種現(xiàn)場(chǎng)儀表，Globe開關(guān)閥選用角行程限位開關(guān)和直行程轉(zhuǎn)角行程安裝附件，短時(shí)間內(nèi)能正常運(yùn)行，但在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下，直行程轉(zhuǎn)角行程安裝附件產(chǎn)生形變，導(dǎo)致角行程限位開關(guān)無(wú)反應(yīng)。

5)波紋管密封控制閥內(nèi)漏超標(biāo)。閥座密封環(huán)通常采用填料進(jìn)行壓緊，當(dāng)閥座密封環(huán)受到介質(zhì)持續(xù)沖刷，易造成填料松動(dòng)，或采用石墨密封圈時(shí)在高溫下發(fā)生蠕變均會(huì)導(dǎo)致密封失效，致使閥門不能全關(guān)到位造成內(nèi)漏。

3 導(dǎo)熱油控制閥設(shè)計(jì)選型

3.1 控制閥型式選擇

根據(jù)導(dǎo)熱油的中度毒性危害，工藝專業(yè)要求導(dǎo)熱油閥門的閥桿處的密封等級(jí)需滿足GB/T 26481—2011《閥門的逸散性試驗(yàn)》[2]規(guī)定的B級(jí)要求(密封試驗(yàn)氣體為氦氣)。柔性石墨填料閥桿處的密封等級(jí)只能達(dá)到C級(jí)要求，若選擇石墨填料結(jié)構(gòu)的閥門就不滿足工藝專業(yè)要求的閥桿處的密封等級(jí)，因此只能采用聚四氟乙烯(PTFE)填料結(jié)構(gòu)或波紋管密封結(jié)構(gòu)的閥門。

氣動(dòng)控制閥常規(guī)閥體為截止閥。導(dǎo)熱油介質(zhì)溫度達(dá)到280 ℃左右，PTFE填料結(jié)構(gòu)不滿足介質(zhì)溫度要求，因此導(dǎo)熱油介質(zhì)氣動(dòng)控制閥選用波紋管密封結(jié)構(gòu)截止閥。

氣動(dòng)開關(guān)閥常規(guī)閥體為球閥， PTFE填料結(jié)構(gòu)球閥不滿足280 ℃的介質(zhì)溫度要求，波紋管密封結(jié)構(gòu)球閥從結(jié)構(gòu)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。常規(guī)波紋管密封結(jié)構(gòu)的閥門為截止閥和閘閥，因此對(duì)于導(dǎo)熱油介質(zhì)氣動(dòng)開關(guān)閥選用波紋管密封截止閥。

3.2 控制閥的波紋管選型

波紋管的主要作用就是密封，防止管道中導(dǎo)熱油介質(zhì)(氣體)流過(guò)閥門時(shí)，從閥門中順著閥桿泄漏。

3.2.1 波紋管材質(zhì)選擇

波紋管材質(zhì)有316不銹鋼、316Ti不銹鋼和合金625等。選擇波紋管材質(zhì)時(shí)應(yīng)參考廠家常規(guī)波紋管材質(zhì)，并對(duì)照ASME B16.34： 17[3]內(nèi)各類材質(zhì)的壓力-溫度額定值。

3.2.2 波紋管循環(huán)壽命

波紋管的一個(gè)循環(huán)周期被定義為閥門完全打開至完全關(guān)閉再至完全打開。波紋管循環(huán)壽命設(shè)計(jì)應(yīng)按照波紋管循環(huán)壽命等級(jí)[4]進(jìn)行合格測(cè)試，見表1所列。導(dǎo)熱油介質(zhì)波紋管循環(huán)壽命要求為1×104次，應(yīng)選擇C級(jí)。

表1 波紋管循環(huán)壽命等級(jí)

3.2.3 波紋管外漏測(cè)試

波紋管密封控制閥的測(cè)試和認(rèn)證應(yīng)經(jīng)第三方認(rèn)證確認(rèn)并符合 GB/T 26481—2011， ISO 15848-2或同等規(guī)范的要求。

3.3 控制閥閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇

控制閥材質(zhì)的選擇應(yīng)根據(jù)管道材質(zhì)，導(dǎo)熱油介質(zhì)的溫度、壓力，滲透性以及材料造價(jià)等因素綜合考慮。針對(duì)導(dǎo)熱油介質(zhì)特性并結(jié)合工況特點(diǎn)，建議閥門主體材料優(yōu)選與管道同材質(zhì)的鍛件，常見的有WCB。

控制閥內(nèi)件材質(zhì)選擇時(shí)需要考慮導(dǎo)向部件的熱強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)、閥芯及閥座材質(zhì)的硬度和熱膨脹系數(shù)、材質(zhì)的焊接和堆焊工藝等。同時(shí)查閱文獻(xiàn)[3]中各類材質(zhì)的溫度、壓力使用范圍，避免因選材不合理導(dǎo)致的內(nèi)件擦傷和卡死現(xiàn)象。導(dǎo)熱油控制閥閥芯和閥座應(yīng)考慮堆焊硬質(zhì)合金，如閥座堆焊Stellited 合金。

3.4 控制閥口徑選擇

導(dǎo)熱油介質(zhì)氣動(dòng)波紋管密封控制閥采用等百分比流量特性計(jì)算流量系數(shù)CV值，氣動(dòng)波紋管密封開關(guān)閥(截止閥)選擇當(dāng)前管道管徑下的最大CV值。以下介紹氣動(dòng)波紋管密封控制閥的CV計(jì)算，國(guó)內(nèi)一般用KV表示，國(guó)際上用CV表示。

3.4.1KV的計(jì)算公式

導(dǎo)熱油介質(zhì)為不可壓縮流體，根據(jù)伯努利方程[5]推導(dǎo)出流量系數(shù)KV如式(1)所示。

(1)

CV=1.156KV

式中：p1——閥前絕對(duì)壓力，kPa；p2——閥后絕對(duì)壓力,kPa；qV—體積流量,m3/h；ρ——流體密度,kg/m3。

3.4.2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥口徑選擇

根據(jù)式(1)計(jì)算出KV或者CV；再按所選氣動(dòng)波紋管密封控制閥廠家資料向上一檔選取選擇流量系數(shù)KVS或CVS；然后按照控制閥相對(duì)開度驗(yàn)算公式[7]驗(yàn)算開度。若最大流量開度驗(yàn)算大于90%，則應(yīng)取向上一檔CVS再驗(yàn)算開度，直至最大相對(duì)開度不大于90%。開度驗(yàn)算結(jié)果符合要求后，則選擇相應(yīng)的控制閥口徑。應(yīng)注意的是： 控制閥的口徑選擇不宜小于所在管道口徑的50%。相對(duì)開度驗(yàn)算公式如式(2)所示：

(2)

式中：I——等百分比控制閥相對(duì)開度，%；KVS——選擇流量系數(shù)；R——控制閥可調(diào)比，本文取50。

3.4.3 氣動(dòng)控制閥計(jì)算實(shí)例

導(dǎo)熱油介質(zhì)為液體，t=280 ℃，p1=300 kPa，p2=230 kPa，ρ=866 kg/m3，qVmax=21 m3/h，所在管道管徑為DN80，計(jì)算如下：

1)根據(jù)已知條件，代入式(1)，計(jì)算得KV≈23.358。

2)選定口徑：

a)根據(jù)廠家資料查出比23.358大一檔的KVS為25。

b)將KVS=25代入式(2)進(jìn)行開度驗(yàn)算得I≈98%>90%，則選擇再大一檔的KVS=40，再代入式(2)計(jì)算I≈86%<90%。即開度為86%滿足要求，查詢資料選擇對(duì)應(yīng)的閥門口徑DN50，DN50大于管道尺寸的50%。

3.5 氣動(dòng)開關(guān)閥限位開關(guān)選型

導(dǎo)熱油氣動(dòng)波紋管密封開關(guān)閥為直行程閥門，通常閥門廠家提供的限位開關(guān)一般由2個(gè)角行程限位開關(guān)集成在1個(gè)接線盒內(nèi)組成。

限位開關(guān)的類型分為感應(yīng)式和機(jī)械式，本文只介紹機(jī)械式限位開關(guān)。角行程機(jī)械式限位開關(guān)原理： 氣動(dòng)波紋管密封開關(guān)閥行程通過(guò)指針上的桿連接器和限位開關(guān)的連桿傳動(dòng)；閥門行程通過(guò)軸轉(zhuǎn)換成角行程；軸上帶2個(gè)開關(guān)盒，每個(gè)開關(guān)盒帶可調(diào)的凸輪盤；每個(gè)凸輪盤通過(guò)安裝到開關(guān)桿上的滾輪來(lái)操控雙擲開關(guān)；可通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲調(diào)整限位開關(guān)功能和限位值。角行程機(jī)械式限位開關(guān)原理如圖2所示。

圖2 角行程機(jī)械式限位開關(guān)原理示意

由圖2可以看出，角行程限位開關(guān)能否反映直行程閥門的位置取決于閥門行程連接桿、指針、軸和連接到閥桿上的桿連接器。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，導(dǎo)熱油氣動(dòng)波紋管開關(guān)閥的角行程限位開關(guān)在剛投入使用時(shí)可正常工作，但運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)閥門全開和全關(guān)限位開關(guān)無(wú)反應(yīng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)改造經(jīng)驗(yàn)，采用2個(gè)單獨(dú)的直行程限位開關(guān)直接監(jiān)測(cè)閥門位置較為合適。

3.6 其 他

氣動(dòng)波紋管密封控制閥減壓結(jié)構(gòu)形式在選擇時(shí)需考慮以下因素：

1)從現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的角度，閥體與閥座優(yōu)選分體式結(jié)構(gòu)，閥座與閥體優(yōu)選金屬密封環(huán)設(shè)計(jì)，以避免因石墨在高溫環(huán)境下的蠕變?cè)斐擅芊獾燃?jí)降低現(xiàn)象。

2)考慮到閥芯頻繁動(dòng)作導(dǎo)致的焊縫失效或銷釘剪斷帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，建議閥芯與閥桿連接優(yōu)選芯軸一體式結(jié)構(gòu)。

3)根據(jù)導(dǎo)熱油介質(zhì)特點(diǎn)，閥桿應(yīng)優(yōu)選強(qiáng)度高且膨脹系數(shù)與主體材料接近的材質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)熱油波紋管密封控制閥在縮聚反應(yīng)工況中起著關(guān)鍵作用。導(dǎo)熱油介質(zhì)在高溫下滲透性強(qiáng)和中等毒性的特點(diǎn)在控制閥設(shè)計(jì)選型中常會(huì)被忽略。本文從導(dǎo)熱油性質(zhì)出發(fā)，對(duì)導(dǎo)熱油控制閥在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析與總結(jié)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析探討了控制閥型式選擇、波紋管的選型、控制閥口徑選擇及限位開關(guān)的選型，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行導(dǎo)熱油控制閥設(shè)計(jì)選型有一定指導(dǎo)意義。