PDS控制閥在聚丙烯裝置中的應用

邱悅

[摘 ? ?要]在聚丙烯裝置中，PDS控制閥有著關鍵作用，具有密封性能好、動作頻次高、抗沖刷耐磨水平強、開關時間快的特點，以PDS控制閥作為選型依據，意義重大。一般情況下，工藝包專利商會推薦幾個供應商，如ARGUS、KTM、METSO等。這一球閥雙閥座、固定球、全通徑，無論是閥座、閥球、還是閥體均使用鍛造技術，對閥球表面和閥座開展硬化處理，使PDS控制閥抗拉強度和抗沖擊韌性得到有效保證，而執行機構使用KINETROL扇形氣動執行器，確保其滿足PDS控制閥耐磨損、高頻次技術要求，對其特點、結構、設計展開研究十分重要。

[關鍵詞]聚丙烯裝置;操作應用;控制閥

[中圖分類號]TQ325.14 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]In polypropylene plant， PDS control valve plays a key role. It is of great significance to take PDS control valve as the selection basis for its good sealing performance， high action frequency， strong erosion resistance and wear resistance， and fast switching time. In general， the process package patent chamber recommends several suppliers， such as ARGUS， KTM， METSC， etc. The ball valve has double seat， fixed ball and full bore. No matter the seat， ball or valve body is forged， the surface and seat of the ball and valve seat are hardened to ensure the tensile strength and impact toughness of PDS control valve. The actuator uses kinetrol fan-shaped pneumatic actuator to ensure that it meets the technical requirements of filling， wear resistance and high frequency of PDS control valve， It is very important to study its characteristics， structure and design.

[Keywords]polypropylene plant; operation and application; control valve

某企業聚丙烯裝置使用Unipol工藝技術，聚丙烯產品出料系統將樹脂經過間歇方式，在產品凈化倉里，送入反應器里的均聚物或是無規共聚物，在第二反應器中間轉移系統，輸送抗沖共聚產品。通過調查可以看到，PDS控制閥用于聚丙烯裝置反應器產品出料系統的控制，這一裝置有8條下料線和IRTS傳輸系統共147臺，手動控制閥8臺，自動控制閥139臺，其運行好壞直接影響著的裝置是否穩定運行，所以設計人員必須充分考慮閥門結構、選型等問題，確保抗沖刷、耐磨損、高頻次技術要求能夠得到滿足。

1 PDS的制作工藝與流程

在聚丙烯制作過程中，要注意控制好設備的溫度及壓力的情況下，將催化劑與氣態丙烯加入流化床反應器內，通過一系列反應生成粉末狀聚丙烯，在聚丙烯粉末到達一定量后自動從感應器中排至產品倉。聚丙烯在產品倉中通過循環氣將粉料進行氣固分離，被分離后的聚丙烯會被送至脫氣倉或轉送過濾器中，最終形成成品。這一過程稱為PDS制作工藝。

制作聚丙烯粉的反應器通常有2對共4套PDS，在日常工作中2對PDS會交替完成卸料工作，同時每對PDS既可以同時工作，也可以單獨運行，而這一特點可有效避免因反應器壓力故障而帶來的影響。

2 PDS控制閥選型

執行機構和閥體是PDS的兩大組成部分，在PDS控制閥選型時，應注意以下三點：

（1）想要確保聚丙烯工藝專利商設計技術要求及性能考核，PDS控制閥應選擇專利商指定或推薦的閥門廠家。閥體一般會選擇ARGUS、KTM、METSO這三家的球閥，ARGUS球閥為4英寸以上為固定球、雙向金屬密封、全通徑、雙閥座，材料使用316不銹鋼和ASTMA350LF2鍛造低溫碳鋼兩種材料，閥座、閥體均為鍛造雙相鋼。KTM、METSO球閥、閥座和閥體均采用鑄造工藝，其他方面無區別。這三種球閥都能確保工藝專利商工藝要求得到滿足，經過多方努力，共同試驗出的特種閥門，符合國際工業標準。

（2）想要確保閥門壽命時長和高頻次動作要求，ARGUS配套執行機構為KINETROL扇形氣動執行器，KTM配套執行機構為KTM AW Series系列撥叉式氣動執行器、METSO配套的執行機構為Metso B Series系列撥叉式氣動執行器。閥體和執行機構安裝時，要充分按照供應商的建議嚴格對齊中心，避免閥桿中心和執行器由于沒有對齊中心，導致填料側向磨損和閥桿變形的情況，盡最努力提高其使用壽命，確保高頻次動作長周期運行的需求得到滿足。

3 PDS控制閥結構設計

（1）閥座、閥球、閥體建議采用鍛造設計，在設計鍛造時，必須確保閥門抗拉強度、抗沖擊韌性、閥門抗沖擊韌性等指標得到滿足，確保PDS控制閥高頻次動作，符合長周期的運行需要。鍛造的閥球表面和金屬閥座要使用專利商表面硬化工藝，也就是等離子熱熔焊和熱噴涂技術，在研磨后，閥座表面硬度要大于63 HRC，硬化層厚度不能低于500 μm，閥球表面硬度大于67 HRC。通過將基材和硬化層之間形成有機過渡層，避免發生硬化層脫落的情況，確保閥門抗拉強度和抗沖擊韌性，滿足抗沖刷、耐磨損、高頻次技術要求，延長維護周期，使鍛件閥體的致密性得到保證，提高閥體的使用壽命和整體強度。

（2）閥桿與閥體重型結構設計的目的，是為了消解管線應力、提高閥體強度，按照ASNI標準對閥體中法蘭螺栓數量進行冗余設計，確保閥門能夠適用催化劑固體顆粒沖刷，符合高頻次開啟要求，確保長維護周期運行的整體要求。

（3）閥座后面適用蝶形彈簧加載。通過使用蝶型鎳基高合金彈簧，能夠有效避免彈簧被聚合物堵塞卡死的情況，導致閥門內漏、扭矩變大、密封失效，通過在碟形彈簧的兩側使用防塵圈保護，可以有效避免碟形彈簧腔體內進入臟物和雜質，進一步強化密封作用。即使在小壓差工況下，也可以確保密封性。閥球承受的介質壓力，也不在閥座上作用。閥座不必承擔支撐閥球的作用，從而令閥座壽命得以延長，減少閥門安裝的方式對閥座產生的影響。碟形彈簧設計耐腐蝕強、推力均勻，可以確保閥腔超壓釋放。

（4）使用全通徑設計閥門。設計人員通過使用全通徑設計，對介質無任何節流和流阻，使用特殊抗沖刷工藝制作介質和閥門的接觸面，閥腔內與介質接觸的流道，閥球、閥座經專用數控設備配對研磨，進行鏡面拋光處理，聚合物料、聚丙烯顆粒，以及催化劑不會直接掛壁，能夠有效降低閥門受到物料的沖刷，從而延長閥門使用壽命。

（5）使用刮刀式結構設計閥座密封面兩側。使用特殊刮刀式閥座設計，能夠確保閥門動作時，有效刮擦閥球表面上黏結的顆粒物，閥座后部設計成開放式閥腔，在球閥動作時，通過利用流體特性，及時清除閥座后的聚合物和微量分離，保證閥門擁有自清潔功能。

4 PDS控制閥執行機構特點

4.1 KINETROL扇形氣動執行機構

（1）單個移動部件，體積小，結構簡單，安裝空間緊湊。

（2）轉軸和葉片整體鑄造，沒有空城、齒條、曲柄、齒桿，沒有碰撞力和動力損失，易損件少，便于維修維護。

（3）耗氣量少，動作迅速，工作壓力保持在0.14～1.00 MPa。

（4）使用聚氨酯制作密封材料，其耐磨能力幾十倍于普通橡膠密封材料，使用壽命長。

（5）采購及后期維持成本較高。

4.2 KTM AW Series、Metso B Series氣動執行器特點

（1）真正意義上的模塊化設計。彈簧模塊、壓力模塊、扭矩模塊，均為獨立模塊。

（2）壓力模塊。一般來說，執行機構缸體工作壓力在0.28～1.00 MPa，氣缸尺寸設計和相關密封按照國際標準設定，實現模塊化目標，便于采購，并為全部活塞配有雙層碳填充PTFE方柱型密封圈和耐磨條，鍍鉻處理和氣缸內壁拋光實現耐磨損目標。

（3）彈簧單元。合理設計通信彈簧組，拉式壓縮彈簧設計，彈簧腔端蓋更易于安裝液壓式和螺旋式手輪，實現彈簧腔模塊標準化。

（4）活塞缸耗氣量大，要求更高的空氣流速來滿足閥門的開關扭矩及時間要求。

（5）性價比較高。兩種不同的執行機構也是PDS閥選型的最重要的考慮的問題。

5 PDS順控與聯鎖邏輯的設計

（1）PDS控制系統的順控步驟

一套正常的PDS控制系統的順控分為6個步驟，PDS控制系統在發起每步的動作前都會對允許條件進行常規檢查，以確保其符合允許的條件。

（2）PDS控制系統順控時間的設定

PDS控制系統順控中有A、B、C、D四個計時器，其是根據工藝包給定值進行簡單設立，再根據現場的實際情況，同時結合產品倉與卸料罐上的核料位計、壓力變送器及控制閥的動作時間進行詳細設定，但是在時間設定值不應超過一定范圍，如：①A計時器可調節時間為T1，0～100 s;②B計時器可調節時間為T2，0～60 s;③C計時器可調節時間為T3，0～120 s;④D計時器可調節時間為T4，0～30 s。要想保持PDS控制系統的正常運行，除了對計時器的設定以外，還要專業工程師以閥門動作完成的時間作為依據，并結合下料時間要求對順控及聯鎖邏輯進行調整。

6 PDS控制系統順控終止與連鎖保護動作

PDS控制系統分為“自動”與“單步”兩種工作模式，其在每完成一項工作進行下一步操作時，都會對其進行判斷，一般會在3～5 s內完成，如果在判斷過程中超出時限制則需要立即停止該套PDS順控的運行，此時系統會及時發出警報，通知工作人員解決。但是，如果是一對PDS中的某一套PDS系統發生故障時，應先將此套PDS系統的B閥和G閥關閉，同時將A、C、GP閥打開，再將W閥關閉并調制手動關閉位置，達到脫離連鎖順控的控制，最后在用L閥替代W閥實施順控。此操作可以通過L閥來平衡產品倉與反應器間的壓力。當運行過程中出現連鎖事故時，則需要通過反應終止系統將聚合反應停止。在出現此情況時，需要停止所有的PDS控制的順控，并將PDS系統的A、B、C、G閥關閉，以達到切斷反應器與產品倉之間的工作。

7 結語

PDS高頻球閥廣泛應用于聚丙烯等裝置上，而我國聚丙烯消費總量占世界消費總量第一位，但國內聚丙烯裝置上的關鍵PDS高頻球閥大部分是國外進口的，特別是聚丙烯卸料系統PDS是聚丙烯生產工藝中的核心部件，其配置的球閥要求快速動作，使用壽命要求達到100萬次。只有按照相關專利商要求，嚴格把控PDS控制閥各個方面，確保閥門在正常使用情況下，壽命大于20 a，確保閥門整體無故障狀態下運行5 a，執行機構在正常操作維護狀態下，實現不低于100萬次無故障運行，實現抗沖刷、耐磨損、高頻次技術要求，確保其安全性、可靠性，為后期工作的順利開銷奠定堅實基礎。相關工作人員要在實踐中不斷積累工作經驗、吸取教訓，推動PDS控制閥建設工作邁上新臺階。

參考文獻

[1] 張峰，汪璟.淺析聚丙烯裝置特殊儀表及閥門的設計及應用[J].儀器儀表用戶，2020，27（1）：101-104.

[2] 楊冰心.控制優化與參數整定技術在茂名石化1#聚丙烯裝置的應用研究[J].科學與信息化，2019（14）：122-124.

[3] 張健.聚丙烯裝置開車運行問題分析及對策[J].石油化工，2020，49（4）：391-397.

[4] 段繼政.PDS控制閥在聚丙烯裝置中的應用[J].石油化工自動化2018（5）：1.

[5] 王瑞存，劉繼恩，高宇軒.PDS技術在化工裝置中的應用[J].石油設計，2019，2（13）：33-36.

[6] 張楚良，趙宏遠，徐大昌.論聚丙烯裝置中PDS控制閥的應用效果[J].石油設備技術，2019，38（21）：61-67.

[7] 馮純伯.自動化技術[M].南京：江蘇科學技術出版社，2017.

[8] 孫自強.PDS控制閥生產過程自動化研究[M].武漢：武漢工業大學出版社，2018.

[9] 侯志林.聚丙烯裝置控制[M].北京：機械工業出版社，2020.

[10] 張建鋼.PDS控制閥數控技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2018.