聚乙烯裝置高壓調節閥損傷原因分析*

白麗莉，湯曉鋒，王 剛，胡紅祥，張亞明，鄭玉貴

（1.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京100029；2.中國石化國際事業有限公司北京公司，北京100010；3.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽110016）

聚乙烯裝置高壓調節閥損傷原因分析*

白麗莉1，湯曉鋒2，王 剛1，胡紅祥3，張亞明3，鄭玉貴3

（1.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京100029；2.中國石化國際事業有限公司北京公司，北京100010；3.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽110016）

某高壓聚乙烯裝置在轉產乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）后，聚合反應器出口處高壓調節閥出現嚴重損傷。通過熒光光譜分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）分析、能譜分析（EDS）和流場數值模擬等分析手段對材料的組織結構、成分和形貌進行了分析，結合閥門運行工況，認為造成高壓閥門損傷的原因主要為空蝕。浸泡法和電化學方法分析表明，醋酸乙烯的腐蝕性較小；針對失效原因，在試驗室內對候選材料和工藝進行了抗空蝕性和抗沖蝕性試驗評價，通過與母材的性能對比，最終優選出抑制閥門損傷最佳的候選材料和工藝。

聚乙烯 高壓調節閥 空蝕 損傷分析

某高壓聚乙烯裝置采用管式法生產工藝，以乙烯為原料在高溫高壓條件下發生聚合反應生成聚乙烯。其反應壓力為300 MPa左右，反應器出口溫度約250℃。裝置的高壓控制閥PV1159位于反應器出口處，于2007年開始使用，在2014年9月裝置停車檢查時，發現該閥腐蝕損壞。裝置2007年開始一直生產高壓聚乙烯，2011年轉產乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）。在轉產EVA前對該閥進行檢查時未見明顯腐蝕問題，但轉產EVA后出現了嚴重的腐蝕損壞［1］。

高壓控制閥 PV1159主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿和閥籠等幾個部分組成，在裝置轉產EVA后，該閥接觸的介質為乙烯、醋酸乙烯和EVA等有機混合物，閥前后壓力分別為280和30 MPa，操作溫度為270～280℃，控制閥的服役環境苛刻，閥門失效將帶來巨大安全隱患。分析閥門損傷原因，提出改進建議和措施，延長閥門使用壽命，對保證生產安全有重大意義。

硬度檢測。采用顯微硬度儀測試閥門各部件的表面膜及基體材料硬度。

腐蝕形貌分析。采用掃描電鏡（SEM）觀察閥門的表面損傷形貌，包括閥門各部件、各損傷位置處的SEM微觀形貌觀測、典型位置處的能譜分析（EDS）、腐蝕或磨損區附近線掃描或面掃描元素分布分析等。

金相組織觀察。對閥門進行切割，取金相樣品，經過預磨、拋光和腐刻后，觀察其金相組織。

試驗室數值模擬方法。對閥門在不同開度下各截面的壓力場分布、速度和跡線分析及氣相分布云進行模擬分析。

介質腐蝕性驗證試驗。分別從PV1159閥的閥籠、閥芯截取10 mm×20 mm×5 mm試樣，采用蒸餾水、醋酸乙烯（VA）原料作為浸泡介質，并選用Q235鋼和304不銹鋼作為橫向對比材料，做腐蝕質量損失對比試驗。

1 試驗部分

閥門成分分析。在閥籠、閥芯上分別取塊狀樣品，依據國標GB／T 16597—1996《冶金產品分析方法X射線熒光光譜法通則》進行材質成分分析。

2 高壓控制閥失效分析

2.1 成分分析及硬度檢測

（1）成分分析。使用熒光光譜儀對閥門的閥芯、閥籠的材質進行成分分析，并與相關標準對比，分析結果見表1。閥門材料成分達標，閥門損傷與材料質量無關。

表1 高壓閥門 PV1159材質分析 w，%

（2）硬度檢測。采用顯微硬度儀測試硬度閥門各部件的表面膜及基體材料，檢測結果顯示，閥芯表面同芯部硬度基本相同，維氏硬度平均值約為611.4 HV，洛氏硬度為55.5～56.0 HRC，高于閥籠硬度（419.8 HV，44.5～45.0 HRC）。閥籠內表面硬度略高于芯部硬度，但差別很小。

2.2 損傷部位形貌分析

（1）宏觀及低倍形貌。閥門損傷形貌分析表明，閥芯損傷部位在錐體頭部與閥籠接觸線上及附近，該處流體介質流速最高，閥芯表面受到了沖刷，留有沖蝕痕跡；在閥芯圓形體的中部和尾部，閥芯表面形成了大量圓形蝕坑，表現為空蝕破壞的特征［2-3］。閥籠損傷部位與閥芯上的損傷部位是對應的，在閥籠的頭部內壁表面有流體沖刷的痕跡，之后存在嚴重的空蝕區，大量圓形蝕坑的集中出現，使得閥籠壁厚嚴重減薄，見圖1和圖2。

圖1 閥芯的損傷形貌

（2）金相分析及硬度測試。對閥芯、閥籠進行切割，取樣品，經預磨、拋光和腐刻后，觀察其金相組織，見圖3和圖4。結果表明，閥芯和閥籠金相組織分別為回火馬氏體和回火索氏體，組織均勻，未見明顯的組織結構缺陷。

（3）閥芯和閥籠SEM分析。取閥芯頭部錐體及閥籠內壁頭部試樣進行SEM觀察分析，SEM形貌見圖5和圖6，EDS結果見表2。

圖2 閥籠的損傷形貌

圖3 閥芯橫向截面回火馬氏體組織

圖4 閥籠縱向截面回火索氏體組織

圖5 閥芯頭部錐體SEM形貌

圖6 閥籠內壁蝕坑的SEM形貌

表2 EDS分析結果

從圖6可以看出，閥門閥芯錐體頭部損傷成犁溝狀，為沖刷磨損所致，流體介質的沖刷作用造成閥芯頭部錐體表面留有流體沖刷的痕跡，蝕坑呈現馬蹄形，蝕坑內仍殘存有閥內反應產物（白色物質）；從表2可知，其產物構成以C和O等元素為主，是輸送介質的殘余物，不是腐蝕產物。閥籠損傷最嚴重區域集中在閥籠頭部的內壁，該部位形成一個環向的蝕坑區；觀察發現，在進入蝕坑區之前，閥籠內壁表面可見流體沖刷痕跡；在蝕坑區內，蝕坑密布，無明顯的方向性，呈空蝕彈坑狀形貌；當流體離開蝕坑區域時，閥籠內壁表面又可見流體沖刷的痕跡。

2.3 醋酸乙烯的腐蝕性分析

裝置轉產前高壓控制閥PV1159的介質是高壓聚乙烯（PE）和未反應的乙烯，轉產后為EVA、乙烯、醋酸乙烯三種有機體的混合物。為評價介質對閥門腐蝕程度，采用浸泡法和電化學測量技術綜合評定介質腐蝕性。

（1）浸泡試驗。分別從PV1159閥的閥籠、閥芯截取10 mm×20 mm×5 mm的試樣，分別放在現場采集的醋酸乙烯溶劑中和蒸餾水中進行浸泡腐蝕試驗。

將試樣浸泡在現場采集的醋酸乙烯溶劑中，常溫下密封靜置85 d，所有試樣表面呈現出原有的金屬光澤，未見明顯的變色及銹蝕，目測試驗溶液，清澈透明如初，未見明顯的鐵離子和亞鐵離子溶解在溶液中；稱質量對比，質量損失很小。將浸泡試驗的溫度升至50℃，將試樣掛在介質中浸泡40 h，試樣表面仍保持原有的金屬光澤，稱質量對比結果顯示，質量損失很小。試驗結果證明，醋酸乙烯溶液腐蝕性極低，隨著溫度的升高腐蝕無明顯提高。

取閥門、閥芯試片，并選用Q235鋼和304不銹鋼作為橫向對比材料，常溫下在蒸餾水中進行浸泡試驗，用于評價閥門材料的耐蝕性及溶液的腐蝕性。在蒸餾水中浸泡10 d后，試樣表面就出現了明顯的銹蝕痕跡，部分試樣完全被銹層包裹，溶液呈銹紅色，顯示腐蝕嚴重。取出試片進行稱質量對比，Q235碳鋼和閥門材料均出現明顯的腐蝕斑和點蝕孔，腐蝕質量損失相近。而304不銹鋼表面光潔如初，質量損失遠小于其他材料。

浸泡試驗說明，蒸餾水這種中性的低腐蝕性介質在短時間內對閥門材料造成嚴重腐蝕，表明閥門材料不耐蝕。該材料在醋酸乙烯中浸泡長達85 d后，表面仍不見明顯的腐蝕痕跡，證明醋酸乙烯溶液腐蝕性極低。

（2）電化學腐蝕性測量。為進一步證明醋酸乙烯溶液的腐蝕性，在醋酸乙烯溶液中對閥門材料的電化學腐蝕特性進行了檢測，電化學極化曲線見圖7。由圖7可知，閥芯與閥籠材料在醋酸乙烯溶液中的耐蝕性能接近，腐蝕電流密度非常低（約為3×10－9A／cm2），腐蝕電位約為 －0.1～－0.2 mV。從檢測結果可以看出，材料在介質中腐蝕過程較難發生，且腐蝕過程發生的速度較慢。結合浸泡試驗的結果，說明閥門材質本身并不耐蝕，耐蝕性較好主要是由于溶液本身導電性較低所致。驗證了醋酸乙烯溶液對閥門材料的腐蝕性微乎其微，不是造成閥門失效的主要原因。

圖7 閥門在醋酸乙烯中的極化曲線

2.4 閥門數值模擬分析

（1）壓力場分布、速度和跡線分析，氣相分布模擬。通過宏觀、微觀形貌分析，結合閥門的運行工況，綜合分析得出閥門損傷的主要原因為空蝕，局部存在沖蝕。為驗證分析結果，采用試驗室數值模擬的方法對閥門在不同開度下各截面的壓力場分布、速度和跡線分析及氣相分布云進行模擬分析。

通過試驗模擬閥門壓力場分布，結果顯示在閥芯錐體斜面處前端壓力梯度最大，閥芯末端周向壓力分布不均，局部出現高壓情況，極易導致傳遞到此處的空泡發生潰滅，造成空蝕損傷。在此處閥芯和閥籠間隙較小，因此在閥籠的相應位置上也會出現損傷。

速度和跡線分布模擬結果顯示，閥座及其出口附近流通速度最大，且隨著閥門開度增大流通速度增大。可以推斷出受沖刷腐蝕最嚴重的部位是閥芯尖端靠后的位置；同時在流體沖出閥籠后，在內壁背向出口側形成回流區，造成閥籠內側的沖刷磨損。

閥門在不同開度下氣液相分布的模擬結果顯示，閥門內部高壓狀態下大部分的區域為液相區，而在閥座出口附近及閥芯的尖端前后，由于流態突變導致壓力波動，出現了氣泡。閥門內部壓力遠高于溶液的蒸氣壓，氣泡產生后很快潰滅。在閥籠底部的內側周向，閥芯尖端的頸部附近位置是發生空蝕損傷的敏感部位。當閥門開度減小后，閥門內部壓力分布發生變化，空蝕區轉移到閥座出口和閥芯錐面與閥座口密封的位置［4-6］。

（2）模擬結果與實際損傷的對比分析。數值模擬的結果顯示，在閥座出口后方及閥芯錐體根部附近，出現明顯的氣相梯度區。而氣泡形成的位置并不是空蝕損傷的位置，當氣泡形成后會隨流體向下游移動，當下游壓力大于流體的飽和蒸氣壓時，氣泡就會爆破，對材料造成空蝕損傷。空蝕損傷區位于氣相梯度區下游位置，該區域存在渦流及氣相富集區，證明該部位為空蝕和沖蝕的敏感區，模擬結果同實際觀察的結果一致。數值模擬試驗驗證了空蝕是造成閥籠內壁靠近閥座處及閥芯錐體斜面后方位置處損傷的主要原因。

3 結論與建議

損傷閥門宏觀、微觀分析表明，閥門損傷為典型的空泡腐蝕損傷形貌。浸泡試驗和電化學試驗結果表明，醋酸乙烯的腐蝕性較小，不是造成閥門損傷的主要原因；通過數值模擬試驗驗證了分析結論。裝置在轉產后閥門損傷程度加重的原因是介質物性的改變間接導致了沖蝕、空蝕程度加重。基于損傷原因的分析結論，可以從壓力控制形式、閥門選材及修復工藝等方面進行改進。

（1）改變壓力調節方式。采用分段節流閥降低空蝕隱患；

（2）更換閥籠材質。選用 NiTi（質量分數50%的 Ni-質量分數 50%的 Ti）合金、CrNi和CrNiMo合金涂層、CoCrW激光熔覆層等抗空蝕、沖蝕能力較強的材料來取代閥籠材質；

（3）修復閥芯損傷。選用耐空蝕性和耐沖蝕性好的司太立合金等，采用激光熔敷、電火花沉積和超音速火餡噴涂等工藝對閥芯損傷部位進行修復。

［1］ 林曉.天然氣乙炔法醋酸乙烯裝置主要設備設計及優化［J］.石油化工設備技術，2014，35（4）：10-14.

［2］ 王勝雷，馮春宇.高壓節流閥內部流場對沖蝕形貌的影響［J］.內蒙古石油化工，2011（8）：97-100.

［3］ 彭鳳樣.閥門氣蝕研究［J］.閥門，1994（3）：11-16.

［4］ 劉清友，包凱，付玉坤.高壓節流閥節流特征及流固耦合失效分析［J］.流體機械，2014，42（6）：50-56.

［5］ 付玉坤.高壓井控楔形節流閥三維流場模擬及閥芯失效分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：5-8.

［6］ 尹平，朱紅鈞.輸氣管路節流閥不同開度時的流場模擬［J］.天然氣技術，2009，3（2）：64-70.

Damage Analysis of High-Pressure Regulating Valve in Polyethylene Plant

Bai Lili1，Tang Xiaofeng2，Wang Gang1，Hu Hongxiang3，Zhang Yaming3，Zheng Yugui3
（1.SINOPEC Beijing Yanshan Company，Beijing 100029，China；2.Beijing Company of SINOPEC International Co.，Ltd.，Beijing 100010，China；3.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Serious damage arose in high pressure regulating valve at the outlet of polymerization reactor after converting to produce ethylene vinyl acetate copolymer（EVA）.Combined with the operation of valve，main cause of the damage was found to be cavitation，depending on the analysis of microstructure，composition and morphology of materials with the means of fluorescence spectrum analysis，metallographic analysis，scanning electron microscopy，energy spectrum analysis and flow field numerical simulation.The corrosion of vinyl acetate was weak，which was proved by immersion method and electrochemical method.The cavitation resistance and erosion resistance of the candidate materials and processes were evaluated，and the optimal material and process were confirmed ultimately by comparing with the parent material.

polyethylene，high pressure regulating valve，cavitation，damage analysis

2017-09-08；修改稿收到日期：2017-09-15。

白麗莉（1982—），碩士，2009年畢業于北京化工大學材料學專業，現為該公司機械動力部防腐蝕業務主管。E-mail：baill.yssh＠sinopec.com

燕山石化公司二高壓PV1159閥失效分析及改進（YSBC150008）。

（編輯 寇岱清）