PDS高頻球閥設(shè)計(jì)優(yōu)化

崔國(guó)彪，王一民，張緒文，周愛(ài)輝，羅元明，李宏偉

（1.中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司，四川 彭州 611930；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

聚烯烴的產(chǎn)量占合成樹脂總量較大比重，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活水平密切相關(guān)。聚烯烴是聚乙烯、聚丙烯和聚1-丁烯及其他烯烴類聚合物的總稱，是現(xiàn)代石化工業(yè)最重要的產(chǎn)物之一[1]。以聚丙烯為例，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)聚丙烯總量居世界能源消費(fèi)總量第一的位置。各種新技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝進(jìn)步，聚丙烯等聚烯烴裝置的單套產(chǎn)能越來(lái)越大，要求生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，保證裝置的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。生產(chǎn)聚丙烯的關(guān)鍵裝置大部分是國(guó)外進(jìn)口的，特別是產(chǎn)品卸料系統(tǒng)PDS是聚丙烯生產(chǎn)工藝中的核心部件，其配置的高頻球閥要求快速動(dòng)作，高頻開(kāi)關(guān)，使用壽命要求達(dá)到100萬(wàn)次。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在使用的PDS高頻球閥主要是進(jìn)口品牌產(chǎn)品如ARGUS、Metso、KTM等，國(guó)內(nèi)有極少數(shù)閥門廠家也已經(jīng)在研發(fā)生產(chǎn)此類產(chǎn)品。

1 聚丙烯產(chǎn)品卸料系統(tǒng)工藝特點(diǎn)

從采用催化劑首次合成結(jié)晶聚丙烯開(kāi)始，聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了60多年。目前，聚丙烯主要專利商包括Basell、UCC、BASF、三井化學(xué)和BP-Amoco等，以氣相法、本體法和本體—?dú)庀嘟M合法為主，包括Spheripol、Bostar、Hypol、Novolen、Unipol等生產(chǎn)工藝技術(shù)。

表1 PDS高頻球閥中E閥參數(shù)Table 1 E Valve parameters in PDS high frequency device

以氣相流化床反應(yīng)器Unipol聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)為例，其工藝流程包括原料供應(yīng)和精制，丙烯精制，聚合反應(yīng)系統(tǒng)，樹脂脫氣，放空氣回收，PP粉料及添加劑加入工段成套，擠壓造粒工段，產(chǎn)品貯存、均化，種子床工段，公用工程，火炬緩沖系統(tǒng)和廢水預(yù)處理。從聚丙烯粉料離開(kāi)聚合反應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)PC罐和PBT罐排出的這段工序，稱為產(chǎn)品卸料系統(tǒng)。每個(gè)聚丙烯反應(yīng)器共有4套產(chǎn)品卸料系統(tǒng)，60臺(tái)氣動(dòng)PDS高頻球閥，閥門公稱壓力為Class300，最大公稱通徑為DN300。PDS高頻球閥按公稱尺寸DN分類屬于中小口徑閥門，按公稱壓力PN分類屬于中低壓閥，按介質(zhì)工作溫度分類屬于中常溫閥[2]。從規(guī)格上來(lái)講，PDS高頻球閥并不特殊，但由于其介質(zhì)工況較為嚴(yán)苛，介質(zhì)氣固雙相、壓差高并有自聚性，同時(shí)閥門動(dòng)作開(kāi)關(guān)頻繁使用周期長(zhǎng)，導(dǎo)致PDS高頻球閥易出現(xiàn)卡、冒、漏等問(wèn)題。PDS高頻球閥要求具備耐磨損、使用壽命長(zhǎng)、泄漏等級(jí)高等性能，中國(guó)聚丙烯生產(chǎn)裝置上的高頻球閥主要以進(jìn)口品牌德國(guó)ARGUS為主。ARGUS是一個(gè)專業(yè)從事特種耐磨球閥生產(chǎn)的企業(yè)，它在1980年開(kāi)始開(kāi)發(fā)PDS高頻球閥，其卓越的性能和優(yōu)異的品質(zhì)贏得了市場(chǎng)和廣大用戶的認(rèn)可[3]。

以Unipol聚丙烯生產(chǎn)工藝產(chǎn)品卸料系統(tǒng)PDS高頻球閥中E閥為例，E閥在產(chǎn)品卸料系統(tǒng)裝置中用于聚丙烯產(chǎn)品物料吹出反應(yīng)釜時(shí)切斷，閥門口徑相對(duì)較大、位置關(guān)鍵，具體使用參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 閥桿軸承間隙堆積大量粉料Fig.1 Large amount of powder accumulated in the clearance of valve stem beaning

圖2 一種閥桿防塵結(jié)構(gòu)Fig.2 A dust-proof structure of valve stem

2 PDS高頻球閥設(shè)計(jì)優(yōu)化的建議

2.1 閥桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

PDS高頻球閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率高、速度快、次數(shù)多，同時(shí)會(huì)配置較大輸出力矩的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以滿足閥門長(zhǎng)時(shí)間使用后啟閉力矩增大的需求。因此，PDS高頻球閥閥桿材質(zhì)需要較好的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，通常選擇17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼。閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要增大最小截面積以提高其承載能力，同時(shí)還需要考慮防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免粉料在軸承和閥桿之間的縫隙堆積，以及控制閥桿和閥蓋的最小間隙，避免閥桿與閥蓋表面拉傷。

在以往使用和維修PDS高頻球閥過(guò)程中，由于閥桿原因?qū)е麻y門發(fā)生卡滯卡死情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生。如圖1所示，閥桿和軸承的配合間隙堆積了大量粉料，導(dǎo)致閥門操作力矩增大，閥門卡滯或抱死。與煤粉、硅粉等粉料相比，聚丙烯還具有自聚特性，所以閥桿采用防塵結(jié)構(gòu)尤為重要。閥桿防塵有多種結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)如圖2所示，在閥體上的溝槽中安裝O型橡膠圈或石墨密封環(huán)，基本能滿足工況的防塵要求。另外，閥桿和閥蓋的間隙如果設(shè)計(jì)過(guò)小，在尺寸鏈設(shè)計(jì)有誤或?qū)蚰p的情況下，會(huì)導(dǎo)致閥桿偏斜與閥蓋表面接觸拉傷（如圖3所示）造成閥門卡死。通常閥桿閥蓋的最小間隙設(shè)計(jì)0.5mm以上，可保證不發(fā)生拉傷情況。

圖3 閥桿表面大面積拉傷Fig.3 Large area scratches on the surface of valve stem

圖4 PDS高頻球閥管道堆積的粉塵Fig.4 Dust accumulated in PDS high frequency ball valve pipeline

圖5 閥座部位堆積的粉塵Fig.5 Dust accumulated at valve seat

圖6 一種閥座防塵結(jié)構(gòu)Fig.6 A dust-proof structure of valve seat

圖7 球芯表面磨損Fig.7 Surface wear of ball

圖8 閥座密封面磨損Fig.8 Wear of sealing surface of valve seat

2.2 閥座部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

PDS高頻球閥的閥座部件需要實(shí)現(xiàn)雙向密封，通常采用雙截?cái)嗯欧牛―BB）或雙隔離排放（DIB2）結(jié)構(gòu)。PDS高頻球閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率高、速度快、使用壽命長(zhǎng)，為了提高閥座的抗磨損能力可以適當(dāng)加寬閥座密封面寬度以降低密封副之間的比壓。閥座密封面采用刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有利于閥門密封。另外，PDS高頻球閥所輸送的介質(zhì)為聚丙烯粉料（如圖4所示），在以往維修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如果閥座部件沒(méi)有考慮防塵設(shè)計(jì)，閥座腔會(huì)填滿粉料介質(zhì)（如圖5所示）。粉料介質(zhì)進(jìn)入閥座腔內(nèi)部，有可能導(dǎo)致彈簧預(yù)緊力失效、破壞閥座密封環(huán)的密封能力或?qū)е麻y座無(wú)法微量移動(dòng)，最終發(fā)生閥門泄漏大或球芯閥座抱死等故障。閥座部件防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要結(jié)合閥座密封結(jié)構(gòu)一起考慮，圖6所示是一種閥座部件防塵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效保護(hù)閥座密封環(huán)和閥座彈簧不受介質(zhì)影響。

PDS高頻球閥的閥座預(yù)緊彈簧通常選用柱形彈簧或碟形彈簧，材質(zhì)一般選用Inconel X-750沉淀硬化鎳基高溫合金，固溶處理后再冷作時(shí)效處理，硬度HRC≤35。Inconel X-750具有良好的、全面的抗腐蝕能力，良好的蠕變斷裂強(qiáng)度和耐松弛性能。

2.3 球芯和閥座密封面硬化方式

PDS高頻球閥工況嚴(yán)苛閥門開(kāi)關(guān)頻率高，特別是在球芯開(kāi)啟或關(guān)閉瞬間，介質(zhì)壓差高、流速大，所以為了提高閥門使用壽命，球芯和閥座的密封面必須采用適當(dāng)?shù)谋砻嬗不牧虾凸に嚒D7和圖8所示是PDS高頻球閥長(zhǎng)時(shí)間使用后球芯和閥座表面的磨損情況。硬度是材料最根本的耐磨因素，提高密封面表面硬度可以有效提高閥門使用壽命，另外采用提高球芯表面粗糙度、提高球芯圓度和降低密封副比壓也有助于提高閥門使用壽命。

PDS高頻球閥球芯和閥座基體材質(zhì)一般采用F316奧氏體不銹鋼或F51雙相鋼，表面硬化合金材料和工藝各閥門廠家均有自己的方式。ARGUS采用鎳基的Cr、Co等硬質(zhì)合金成分和等離子熱熔工藝，球芯表面硬度可達(dá)到HRC69；KTM采用球芯噴焊鎳基合金，閥座堆焊司太立合金。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)高端儀器儀表國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)和國(guó)際經(jīng)貿(mào)形勢(shì)不確定性，PDS高頻球閥的維修、研發(fā)、制造市場(chǎng)需求越來(lái)越高。但由于PDS高頻球閥介質(zhì)工況較為嚴(yán)苛，閥門性能要求較高，為了避免閥門在使用過(guò)程中出現(xiàn)卡、冒、漏等問(wèn)題，閥門廠家應(yīng)結(jié)合PDS高頻球閥現(xiàn)場(chǎng)工藝要求、使用情況和維修情況，合理選擇閥門的材料和結(jié)構(gòu)，這對(duì)PDS高頻球閥的使用性能和壽命至關(guān)重要。