PDS高频球阀设计优化

崔国彪，王一民，张绪文，周爱辉，罗元明，李宏伟

（1.中国石油四川石化有限责任公司，四川 彭州 611930；2.重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707）

0 引言

聚烯烃的产量占合成树脂总量较大比重，与国民经济和人民生活水平密切相关。聚烯烃是聚乙烯、聚丙烯和聚1-丁烯及其他烯烃类聚合物的总称，是现代石化工业最重要的产物之一[1]。以聚丙烯为例，随着中国经济快速发展，中国聚丙烯总量居世界能源消费总量第一的位置。各种新技术开发和工艺进步，聚丙烯等聚烯烃装置的单套产能越来越大，要求生产装置长周期运行，进而降低生产成本和提高企业的竞争能力，保证装置的安全和稳定运行。生产聚丙烯的关键装置大部分是国外进口的，特别是产品卸料系统PDS是聚丙烯生产工艺中的核心部件，其配置的高频球阀要求快速动作，高频开关，使用寿命要求达到100万次。目前，国内现在使用的PDS高频球阀主要是进口品牌产品如ARGUS、Metso、KTM等，国内有极少数阀门厂家也已经在研发生产此类产品。

1 聚丙烯产品卸料系统工艺特点

从采用催化剂首次合成结晶聚丙烯开始，聚丙烯生产工艺技术已经发展了60多年。目前，聚丙烯主要专利商包括Basell、UCC、BASF、三井化学和BP-Amoco等，以气相法、本体法和本体—气相组合法为主，包括Spheripol、Bostar、Hypol、Novolen、Unipol等生产工艺技术。

表1 PDS高频球阀中E阀参数Table 1 E Valve parameters in PDS high frequency device

以气相流化床反应器Unipol聚丙烯生产工艺技术为例，其工艺流程包括原料供应和精制，丙烯精制，聚合反应系统，树脂脱气，放空气回收，PP粉料及添加剂加入工段成套，挤压造粒工段，产品贮存、均化，种子床工段，公用工程，火炬缓冲系统和废水预处理。从聚丙烯粉料离开聚合反应系统开始，经过PC罐和PBT罐排出的这段工序，称为产品卸料系统。每个聚丙烯反应器共有4套产品卸料系统，60台气动PDS高频球阀，阀门公称压力为Class300，最大公称通径为DN300。PDS高频球阀按公称尺寸DN分类属于中小口径阀门，按公称压力PN分类属于中低压阀，按介质工作温度分类属于中常温阀[2]。从规格上来讲，PDS高频球阀并不特殊，但由于其介质工况较为严苛，介质气固双相、压差高并有自聚性，同时阀门动作开关频繁使用周期长，导致PDS高频球阀易出现卡、冒、漏等问题。PDS高频球阀要求具备耐磨损、使用寿命长、泄漏等级高等性能，中国聚丙烯生产装置上的高频球阀主要以进口品牌德国ARGUS为主。ARGUS是一个专业从事特种耐磨球阀生产的企业，它在1980年开始开发PDS高频球阀，其卓越的性能和优异的品质赢得了市场和广大用户的认可[3]。

以Unipol聚丙烯生产工艺产品卸料系统PDS高频球阀中E阀为例，E阀在产品卸料系统装置中用于聚丙烯产品物料吹出反应釜时切断，阀门口径相对较大、位置关键，具体使用参数见表1。

图1 阀杆轴承间隙堆积大量粉料Fig.1 Large amount of powder accumulated in the clearance of valve stem beaning

图2 一种阀杆防尘结构Fig.2 A dust-proof structure of valve stem

2 PDS高频球阀设计优化的建议

2.1 阀杆的优化设计

PDS高频球阀开关动作频率高、速度快、次数多，同时会配置较大输出力矩的气动执行机构以满足阀门长时间使用后启闭力矩增大的需求。因此，PDS高频球阀阀杆材质需要较好的抗拉强度和疲劳强度，通常选择17-4PH马氏体沉淀硬化型不锈钢。阀杆的结构设计需要增大最小截面积以提高其承载能力，同时还需要考虑防尘结构设计避免粉料在轴承和阀杆之间的缝隙堆积，以及控制阀杆和阀盖的最小间隙，避免阀杆与阀盖表面拉伤。

在以往使用和维修PDS高频球阀过程中，由于阀杆原因导致阀门发生卡滞卡死情况经常会发生。如图1所示，阀杆和轴承的配合间隙堆积了大量粉料，导致阀门操作力矩增大，阀门卡滞或抱死。与煤粉、硅粉等粉料相比，聚丙烯还具有自聚特性，所以阀杆采用防尘结构尤为重要。阀杆防尘有多种结构，最常见的一种结构如图2所示，在阀体上的沟槽中安装O型橡胶圈或石墨密封环，基本能满足工况的防尘要求。另外，阀杆和阀盖的间隙如果设计过小，在尺寸链设计有误或导向磨损的情况下，会导致阀杆偏斜与阀盖表面接触拉伤（如图3所示）造成阀门卡死。通常阀杆阀盖的最小间隙设计0.5mm以上，可保证不发生拉伤情况。

图3 阀杆表面大面积拉伤Fig.3 Large area scratches on the surface of valve stem

图4 PDS高频球阀管道堆积的粉尘Fig.4 Dust accumulated in PDS high frequency ball valve pipeline

图5 阀座部位堆积的粉尘Fig.5 Dust accumulated at valve seat

图6 一种阀座防尘结构Fig.6 A dust-proof structure of valve seat

图7 球芯表面磨损Fig.7 Surface wear of ball

图8 阀座密封面磨损Fig.8 Wear of sealing surface of valve seat

2.2 阀座部件的优化设计

PDS高频球阀的阀座部件需要实现双向密封，通常采用双截断排放（DBB）或双隔离排放（DIB2）结构。PDS高频球阀开关动作频率高、速度快、使用寿命长，为了提高阀座的抗磨损能力可以适当加宽阀座密封面宽度以降低密封副之间的比压。阀座密封面采用刮刀结构设计也有利于阀门密封。另外，PDS高频球阀所输送的介质为聚丙烯粉料（如图4所示），在以往维修过程中发现如果阀座部件没有考虑防尘设计，阀座腔会填满粉料介质（如图5所示）。粉料介质进入阀座腔内部，有可能导致弹簧预紧力失效、破坏阀座密封环的密封能力或导致阀座无法微量移动，最终发生阀门泄漏大或球芯阀座抱死等故障。阀座部件防尘结构设计要结合阀座密封结构一起考虑，图6所示是一种阀座部件防尘结构，该结构可有效保护阀座密封环和阀座弹簧不受介质影响。

PDS高频球阀的阀座预紧弹簧通常选用柱形弹簧或碟形弹簧，材质一般选用Inconel X-750沉淀硬化镍基高温合金，固溶处理后再冷作时效处理，硬度HRC≤35。Inconel X-750具有良好的、全面的抗腐蚀能力，良好的蠕变断裂强度和耐松弛性能。

2.3 球芯和阀座密封面硬化方式

PDS高频球阀工况严苛阀门开关频率高，特别是在球芯开启或关闭瞬间，介质压差高、流速大，所以为了提高阀门使用寿命，球芯和阀座的密封面必须采用适当的表面硬化材料和工艺。图7和图8所示是PDS高频球阀长时间使用后球芯和阀座表面的磨损情况。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阀门使用寿命，另外采用提高球芯表面粗糙度、提高球芯圆度和降低密封副比压也有助于提高阀门使用寿命。

PDS高频球阀球芯和阀座基体材质一般采用F316奥氏体不锈钢或F51双相钢，表面硬化合金材料和工艺各阀门厂家均有自己的方式。ARGUS采用镍基的Cr、Co等硬质合金成分和等离子热熔工艺，球芯表面硬度可达到HRC69；KTM采用球芯喷焊镍基合金，阀座堆焊司太立合金。

3 结束语

随着中国高端仪器仪表国产化进程不断推进和国际经贸形势不确定性，PDS高频球阀的维修、研发、制造市场需求越来越高。但由于PDS高频球阀介质工况较为严苛，阀门性能要求较高，为了避免阀门在使用过程中出现卡、冒、漏等问题，阀门厂家应结合PDS高频球阀现场工艺要求、使用情况和维修情况，合理选择阀门的材料和结构，这对PDS高频球阀的使用性能和寿命至关重要。