国外PDS阀门性能分析研究

刘琰钾

(中韩(武汉)石油化工有限公司，湖北 武汉 430076)

国外PDS阀门性能分析研究

刘琰钾

(中韩(武汉)石油化工有限公司，湖北 武汉 430076)

针对聚烯烃装置中PDS阀门的应用情况，聚烯烃粉末易在阀腔内集聚，阀门的设计、制造及材料使用存在问题，使用一定程度后阀门运行不顺畅、卡滞、最终抱死的情况时有发生，造成装置停车。通过现场对PDS阀门的拆检、维修、测绘，总结其故障原因，并综合对比各品牌阀门的使用情况，从而促使PDS阀门的结构优化，为推动该类阀门的国产化奠定基础。

聚烯烃 PDS阀门 高频 国产化

近年来，石化产业呈快速发展趋势，随着各种新技术开发和工艺技术进步，聚丙烯和聚乙烯等聚烯烃装置的单套产能越来越大。生产装置的长周期运行不仅能降低生产成本和提高企业的竞争能力，更能保证装置的安全和稳定运行。所以选用合适的阀门，对于保证装置的长期运行十分重要。

中国某大型石化企业引进了2条UNIVATION工艺的生产线，1条线生产低密度聚乙烯，1条线生产高密度聚乙烯，投产不到2个月，高密度装置的PDS阀先后出现问题，主要是阀门卡死和泄漏，堵塞PDS系统罐和阀管道，每次都需要装置停车才能进行清理。平均每个月，装置停车2次，运行1a以来，高密度装置的平均负荷率仅40%，且装置能耗特别高。因此，新建装置在PDS阀门的选用时，需要十分慎重并做好调研，选用可靠的品牌。笔者结合实际使用情况，对各品牌PDS阀门使用情况及优缺点进行了研究，供同行参考。

1 ARGUS的PDS阀门

1.1 使用情况

1) 第三代气相聚合法工艺聚丙烯装置(JPP)。阀门内漏严重，阀门拆解后，发现阀杆损伤严重。由于该类球阀高频开关，每5min开关1次，每次动作时间不超过8s，阀杆与滑动轴承摩擦频繁，造成表面磨损严重。

2) 线性低密度聚乙烯装置(LLDPE)。气动执行机构内漏严重，由于该类PDS阀门开关频次较高，执行机构已达到使用寿命，O型圈断裂，密封失效；此外阀门执行机构内部润滑脂老化变质，密封组件磨损严重，造成执行机构内漏。

通过检修阀门，发现经过1个检修周期之后，阀球与阀座基本完好，但表面有轻微刮伤，不影响密封性能。另外阀杆结构存在一些问题，经常出现阀杆抱死情况。ARGUS的PDS阀门扇形执行机构大多能保证1个周期的正常使用，但是齿条齿杆的执行机构O型圈容易断裂，密封组件磨损严重，不能满足工艺需要。

1.2 优点

1) ARGUS的PDS阀门全部采用锻造工艺，能够保证阀门在高频次动作下有更好的强度。阀体的材料选用LF2，能够在-45℃极端工况下使用，满足了工艺要求。

2) 分析检测换修的阀门，其阀门中腔较小，介质不会大量堆积。此外阀座采用特有专利的燕尾型刮刀式设计，使阀门在开关时无法将大量聚合物颗粒带入密封面内，从而达到自清洁的功能。同时，软阀座采用专利技术的LYTON材料，它是一种改性的PEEK材料，具有接近普通金属的硬度，并且具有良好的耐磨性和自润滑性能，大幅延长了使用寿命。

3) 金属阀座和阀球的表面硬化处理，采用专利的ARGULOG硬化处理技术，即高温等离子喷涂和热熔处理技术，使阀座和阀球的表面硬度达到68HRC，63HRC，硬化层厚度达到500mm以上，并且硬化层与基材通过形成的过渡层有机结合成一体，避免了长周期运行中的硬化层脱层。这种精密的加工与研磨技术，确保阀门的密封等级在VI级以上。阀座结构如图1所示。

4) ARGUS的专利结构的扇型气缸，具有输出扭矩大、组装方便、结构紧凑、工作寿命长等优点，它的动作寿命达到4×106次以上，能够满足聚烯烃装置长周期运行的需要。

图1 ARGUS的PDS阀阀座结构示意

1.3 局限性

1) 阀门的球体表面及阀座密封面为镍基涂层，虽存在一定硬度差，但涂层还属同类材料，不可避免长时间使用及介质作用下产生金属磨损粘结问题。金属粘结使球体及阀座密封面“亚光”磨损，不能达到镜面效果，自聚性介质粘结密封面，高频开关作用下损坏密封面。

2) 阀杆结构过于复杂，阀杆与其他金属部件接触过多，长时间的高频次开关会使阀杆与金属接触部分磨损严重，一方面使阀杆扭矩增大，另一方面导致阀门传动链中心偏移，最终使阀杆“咬”死。

3) ARGUS阀门因为其专利原因设计为内固定球阀结构。分析其内固定结构，在上定位块和下定位块处设计有PEEK轴承，该设计目的是为了减少球体的摩擦，减轻阀门的扭矩。虽然该种结构可解决下固定轴的内漏点，但是由于工况介质具有自聚特性，在缝隙中自聚越来越大，严重影响阀球在定位块中转动，最终可能导致阀门抱死。

2 KITZ的PDS阀门

2.1 使用情况

第二代环管法聚丙烯装置(STPP)。阀门内漏严重，阀门拆解后，阀球、阀座磨损严重，划痕深度已经超过喷涂层厚度。由于该类球阀开关频次较高，达到1次/min，每次动作时间不超过3s。阀球与阀座在高频开关下产生金属粘接，造成密封面磨损，乃至喷涂层剥落。

通过检修KITZ阀门，发现经过1个检修周期之后，阀球与阀座磨损十分严重，导致密封面失效。该类阀门已无法修复，需要更换阀球和阀座，不能满足装置长周期运行的需求。

2.2 优点

1) 相比ARGUS阀门，KITZ阀门的阀球表面使用镍基涂层，阀座表面使用碳化钨涂层，阀座和阀球有一定硬度差，相对有效地解决金属粘结问题，并且碳化钨涂层硬度达到72HRC，具有很好的耐冲刷、耐磨损性能。

2) 阀杆结构设计2处PEEK轴承套，上下轴承对阀杆套起到定位导向作用，在高频开关下，能够有效地减少阀的杆偏移量，使执行机构传动扭矩平稳。另外PEEK材料对金属阀的摩擦非常小，摩擦系数f=0.05，十分有效地减轻了阀门扭矩。其结构如图2所示。

图2 KITZ的PDS阀阀杆结构示意

3) KITZ阀门的设计原则是减少阀座处的金属摩擦，从而减轻阀门扭矩。该结构利用板簧提供阀座预紧力，能够起到补偿作用，达到很好的密封效果。此外KITZ阀门的中腔设计不存在定位块，减少了中腔空隙，进而减少物料堆积。

2.3 局限性

1) 阀门采用定向磨球工艺。定向配磨阀球喷涂层不均匀，在高频率开关下，对阀门密封面有很大磨损，造成阀门泄漏。

2) ARGUS阀门及KITZ阀门的支架安装于填料函上，这样的支架连接结构在高频开关下，会对整个扭矩传导链产生偏移，导致阀杆“咬”死。此外KITZ阀门的执行机构为拨叉式执行机构，开关次数不能满足工艺需要。

3 TYCO KTM的PDS阀门

3.1 使用情况

高密度聚乙烯装置(HDPE)。阀门抱死无法开关，该阀门开关频次较高，30s开关一次，开关时间不超过3s，按8000h/a计算，每年开关次数达到1×106次。阀门拆解后，发现阀球、阀座密封面拉伤，阀座密封面宽度仅有3mm；阀腔内集聚聚烯烃粉末，弹簧腔堵塞，此外阀杆与阀杆轴套间也自聚大量聚烯烃粉末，并且有结焦情况。

通过检修阀门，发现该阀门大多为软密封球阀，经过一个检修周期之后，阀球与阀座磨损十分严重，导致阀球、阀座密封面严重失效。该类阀门在长周期高频开关下，存在一定问题，软阀座经磨损之后，其使用寿命大幅降低。

3.2 优点

1) 阀杆与PEEK材质的滑动轴承及特殊橡胶材质的滑动轴承配合，有效地减小了摩擦阻力，从而降低了扭矩；此外阀座为PEEK材质和增强聚四氟乙烯材质，降低了摩擦系数，使阀杆开关顺畅，无卡阻。

2) 相比ARGUS阀门和KITZ阀门，TYCO KTM阀门经济性较好，在满足工况长周期运行的情况下，性价比较高。

3.3 局限性

1) 该类阀门大多为软密封球阀，阀球没有喷涂层，在高频开关下，阀座密封面与阀球表面直接接触，在没有喷涂层的保护下，阀球本体极易磨损，从而密封失效。

2) 与ARGUS等阀门相比，该类阀门密封面宽度太窄。在同种口径、压力下，该类阀门的密封面宽度仅为其他厂家阀门密封面的50%，不能够保证密封可靠。

4 结束语

随着新工艺、新技术快速发展，PDS阀门技术也应快速发展，以适应和满足工艺技术的要求，从而为聚烯烃装置长周期安全运行保驾护航。通过此次大检修，分析总结PDS阀门故障原因，并综合对比各品牌阀门的使用情况，找出各种阀门的优缺点，吸取各品牌阀门的长处，选择合适的阀门结构，进而完成PDS阀门的结构优化，为推动该类阀门的国产化奠定坚实的基础。

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刘琰钾(1984—)，男，辽宁辽阳人，2008年毕业沈阳工业大学自动化专业，现工作于中韩(武汉)石油化工有限公司物资流通部，任助理工程师。

TP214

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1007-7324(2017)02-0068-03

稿件收到日期： 2016-12-09，修改稿收到日期： 2017-01-15。