LLDPE裝置PDS高頻閥應用及改進措施

劉均

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430070)

近年來，石化產業呈快速發展趨勢，隨著各種新技術開發和工藝技術進步，聚乙烯等聚烯烴裝置的單套產能越來越大。生產裝置的長周期安全和穩定運行對降低生產成本、提高企業的競爭能力的影響很大。結構復雜、工藝要求高的關鍵設備的維護保養工作，對于保證裝置的長期穩定運行十分重要。

1 裝置工藝特點

某石化公司線性低密度聚乙烯裝置(LLDPE)采用GPE氣相流化床生產工藝，該工藝由反應器、循環氣壓縮機和循環氣冷卻器組成，樹脂產品由粉料出料系統(PDS)排出，然后進入后續工段擠壓造粒。

該LLDPE裝置的PDS由2套產品出料系統組成，每套PDS包括1個產品出料罐(PC罐)和1個產品吹出罐(PBT罐)，樹脂產品通過2套出料系統按順序交替模式間歇排出。當粉料達到設定料位5 s后就觸發出料，出料系統各閥門按順序動作將粉料排入產品出料罐，樹脂與夾帶的氣體分離，經過壓力平衡后，粉料樹脂進入產品吹出罐，再經過壓力平衡之后，粉料排至樹脂脫氣倉脫氣。正常操作時，2套排料系統是以“自動交叉”模式出料，以盡可能減少隨產品排放帶出的氣體，降低裝置物耗；當一套PDS出現故障導致出料不暢時，另一套PDS也可以單獨出料。

該裝置生產工藝的核心是PDS，工藝系統能否長周期、安全穩定運行將直接影響裝置的產能，PDS高頻閥則作為該裝置中的關鍵控制設備，是整個裝置中動作頻率最高的閥門，按照該裝置反應器滿負荷計算，平均每臺閥門的開關次數為19～23次/h。由于PDS采用順序控制聯鎖，一旦系統中某1臺閥門開關的時間達不到系統設置的時間，或者閥門完全不能正常動作，反應器將停止出料，粉料就可能發生自聚反應，使粉料結塊或者產生片狀形態。發生該種現象的時候，輕則堵塞工藝管道，重則導致系統停車，因此對參與順控操作的閥門動作的可靠性和穩定性要求非常高。

2 高頻閥介紹

2.1 技術參數

根據該裝置的工藝特點，PDS高頻閥選型及結構設計主要基于滿足高頻次動作、耐磨、耐沖刷等惡劣的使用工況。要求閥門密封等級達到Ⅵ級，開關頻率高，動作時間不超過2.5 s，閥門前后關閉壓差大，位號為KV-40701E的PDS高頻閥可達2.8 MPa。該裝置采用的是ARGUS公司的高頻閥，執行機構采用KINETROL扇形氣缸。整套裝置高頻閥共計38臺，公稱壓力等級全部為Class300，泄漏等級為ANSI CLASS Ⅵ，操作溫度為88 ℃。

2.2 執行機構的特點

高頻閥執行機構為扇形，氣缸使用壽命可達4×106次，結構如圖1所示，主要有以下特點：

1)質量輕、體積小，結構簡單，可利用的安裝空間大。

2)轉軸和葉片整體鑄造，沒有齒條、曲柄、齒桿，因此沒有碰撞力和動力損失，易損件少。

3)耗氣量少，動作迅速，工作壓力保持在0.25～1.0 MPa。

4)使用聚氨酯制作密封材料，耐磨能力是普通橡膠密封材料的幾十倍，使用壽命可達4×106次。

5)維修備件的采購費用較高，后期維護成本較高。

6)單作用執行機構內部彈簧結構復雜，拆解需要專用工具，因此不便于維修維護。

圖1 扇形執行機構結構示意

2.3 閥體部位的特點

閥體部分的閥球、閥座材質采用AISI316不銹鋼，閥球、閥座的外表面均采用超音速火焰噴涂工藝(HVOF)噴涂碳化鎢(WC-Co)涂層，該涂層的硬度達到HRC70，閥座結構設計為聚合物專用的、獨特的Polymer proof型結構。一方面，閥座的背壓彈性元件采用彈性石墨，并再輔助以一道石墨密封環，在給閥座提供足夠背壓的同時，有效防止聚合物顆粒及其他固體顆粒進入彈簧腔；另一方面，獨特的刮削結構設計能有效地刮除附著在閥球上的顆粒和污濁物質。WC-Co涂層不但使得閥座表面與閥球表面硬度提高，相互之間摩擦降低，相應聚烯烴粉料在閥球表面的附著變得困難，而經過嚴密加工后兩者緊密磨合，提供了一個獨特的寬帶密封。閥體部分結構如圖2所示。

3 高頻閥常見故障分析

自2013年投產以來，該系列高頻閥的故障頻率較高，現象主要是閥門內漏、卡堵、執行機構故障串氣，在2016年和2020年全廠停工大檢修期間，該系列高頻閥全部下線檢查維修。根據閥門拆解情況后分析，故障現象集中于以下方面。

圖2 高頻閥閥體結構示意

3.1 執行機構

在長期使用的情況下，執行機構內部潤滑油干涸、凝固結塊，齒形葉片失去潤滑，導致執行機構內密封彈簧組件脫落并與干涸的結塊油漬、缸體內壁多次摩擦，導致扇形氣缸內壁產生不可修復的永久性損傷。出現了氣缸串氣、動作行程明顯變化等情況。

3.2 閥 體

引起閥門泄漏的原因主要是每次出料時閥芯不但承受很高的沖擊力，而且樹脂粘附在球體上長期與密封面摩擦，很容易使球面密封和閥桿密封磨損。拆解閥門后發現，閥桿和填料箱表面有較深的拉傷，造成閥芯內漏和閥桿外漏。

閥門拆解后，檢查分析引發卡堵的主要原因是在工藝生產過程中會有靜電荷的產生和積累，這些靜電荷聚集在聚乙烯粒子(尤其是細粉)上并在流化床內部形成靜電場導致粒子在反應器內結片或結塊，而反應器中一旦有結片或結塊，就會在高頻閥動作過程中表現出來。通過對閥門長期運行的觀察總結，主要現象為碟簧、閥座、閥桿腔內積塵嚴重。

在閥門拆解維修過程中，發現定位板內襯軸套非金屬PEEK材料磨損嚴重，導致與球體軸間隙超過0.45 mm，該數據遠大于閥門出廠時的標準。由于定位板與球軸間隙過大，在管道介質力作用下使球體發生偏移，導致閥桿受到徑向力作用，進而閥桿也發生偏移，閥桿偏移后與填料箱體小面積接觸，最終發生嚴重擦傷現象。

此外，由于彈簧腔積塵嚴重，使彈簧和閥座運動受阻，造成閥座受力不均現象，閥門扭矩增大，閥門在高頻啟閉下使球面和閥座密封面拉傷，這也是導致閥門內漏的一個重要原因。

4 改進措施

4.1 執行機構的改進

對執行機構做好運行數據臺賬分析，提前準備執行機構密封組件，在保養周期內對執行機構定期下線，更換密封組件進行維護保養，并詳細記錄氣缸軸密封部位磨損情況，評估執行機構運行穩定性，積極準備后續的維護保養策略。

根據執行機構的使用壽命以及在線動作次數，對現場使用時間達到2 a的執行機構做一次預防性解體檢修，同時保證每種規格尺寸的執行機構有1臺維修好的作為備用，對累積使用時間超過4 a的，強制做報廢處理。

4.2 閥體的改進

針對閥體存在的幾個主要問題進行了改進優化，針對閥門定位板采取加固和強化措施，如圖3所示。

圖3 閥體定位板加固示意

增加閥體與定位板接觸面，使定位板位置固定牢固，采用鍛件制作的定位板，增加強度和剛性。非金屬軸承面原則上不要超過3 MPa壓差，而現場實際工況壓差達到4 MPa，將非金屬接觸更改為硬質合金面軸承面，以提高抗磨損能力。通過以上改進，其目的是避免閥桿承受偏移力量。針對閥桿及填料箱結構的改進如圖4所示。

圖4 閥桿部位改造示意

使有可能接觸的金屬面如下填料箱內壁和定位套內壁采取強化硬化處理的措施，第一道填料密封增加蓄力式密封圈，增加2片強力彈簧補償填料預緊，增加閥桿防塵O型圈。通過以上改進，使閥桿密封更可靠，這樣閥門使用時，即使出現閥桿與填料箱內壁接觸，由于接觸面硬度的提高，提升了抗擦傷能力，擦傷的風險下降。閥座部位增加了封閉彈簧腔，如圖5所示。

圖5 閥座部位改造示意

閥座安裝位置和尺寸均保持不變，閥座腔密封原理不變，用O型圈密封；將彈簧裝在密封腔內，使粉塵無法進入彈簧腔。通過以上改進，進一步提升了閥座腔密封性，增加了閥座壽命。

5 結束語

優化改進后的高頻閥在裝置的使用時間已經超過3 a，運行情況良好，縮短了閥門維修周期、延長閥門運行周期，降低了維修成本，更重要的是降低了閥門本身的故障率，保證裝置長效穩定運行，為公司生產效益提升助力。