PDS控制阀在聚丙烯装置中的应用

邱悦

[摘    要]在聚丙烯装置中，PDS控制阀有着关键作用，具有密封性能好、动作频次高、抗冲刷耐磨水平强、开关时间快的特点，以PDS控制阀作为选型依据，意义重大。一般情况下，工艺包专利商会推荐几个供应商，如ARGUS、KTM、METSO等。这一球阀双阀座、固定球、全通径，无论是阀座、阀球、还是阀体均使用锻造技术，对阀球表面和阀座开展硬化处理，使PDS控制阀抗拉强度和抗冲击韧性得到有效保证，而执行机构使用KINETROL扇形气动执行器，确保其满足PDS控制阀耐磨损、高频次技术要求，对其特点、结构、设计展开研究十分重要。

[关键词]聚丙烯装置;操作应用;控制阀

[中图分类号]TQ325.14 [文献标志码]A [文章编号]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

某企业聚丙烯装置使用Unipol工艺技术，聚丙烯产品出料系统将树脂经过间歇方式，在产品净化仓里，送入反应器里的均聚物或是无规共聚物，在第二反应器中间转移系统，输送抗冲共聚产品。通过调查可以看到，PDS控制阀用于聚丙烯装置反应器产品出料系统的控制，这一装置有8条下料线和IRTS传输系统共147台，手动控制阀8台，自动控制阀139台，其运行好坏直接影响着的装置是否稳定运行，所以设计人员必须充分考虑阀门结构、选型等问题，确保抗冲刷、耐磨损、高频次技术要求能够得到满足。

1 PDS的制作工艺与流程

在聚丙烯制作过程中，要注意控制好设备的温度及压力的情况下，将催化剂与气态丙烯加入流化床反应器内，通过一系列反应生成粉末状聚丙烯，在聚丙烯粉末到达一定量后自动从感应器中排至产品仓。聚丙烯在产品仓中通过循环气将粉料进行气固分离，被分离后的聚丙烯会被送至脱气仓或转送过滤器中，最终形成成品。这一过程称为PDS制作工艺。

制作聚丙烯粉的反应器通常有2对共4套PDS，在日常工作中2对PDS会交替完成卸料工作，同时每对PDS既可以同时工作，也可以单独运行，而这一特点可有效避免因反应器压力故障而带来的影响。

2 PDS控制阀选型

执行机构和阀体是PDS的两大组成部分，在PDS控制阀选型时，应注意以下三点：

（1）想要确保聚丙烯工艺专利商设计技术要求及性能考核，PDS控制阀应选择专利商指定或推荐的阀门厂家。阀体一般会选择ARGUS、KTM、METSO这三家的球阀，ARGUS球阀为4英寸以上為固定球、双向金属密封、全通径、双阀座，材料使用316不锈钢和ASTMA350LF2锻造低温碳钢两种材料，阀座、阀体均为锻造双相钢。KTM、METSO球阀、阀座和阀体均采用铸造工艺，其他方面无区别。这三种球阀都能确保工艺专利商工艺要求得到满足，经过多方努力，共同试验出的特种阀门，符合国际工业标准。

（2）想要确保阀门寿命时长和高频次动作要求，ARGUS配套执行机构为KINETROL扇形气动执行器，KTM配套执行机构为KTM AW Series系列拨叉式气动执行器、METSO配套的执行机构为Metso B Series系列拨叉式气动执行器。阀体和执行机构安装时，要充分按照供应商的建议严格对齐中心，避免阀杆中心和执行器由于没有对齐中心，导致填料侧向磨损和阀杆变形的情况，尽最努力提高其使用寿命，确保高频次动作长周期运行的需求得到满足。

3 PDS控制阀结构设计

（1）阀座、阀球、阀体建议采用锻造设计，在设计锻造时，必须确保阀门抗拉强度、抗冲击韧性、阀门抗冲击韧性等指标得到满足，确保PDS控制阀高频次动作，符合长周期的运行需要。锻造的阀球表面和金属阀座要使用专利商表面硬化工艺，也就是等离子热熔焊和热喷涂技术，在研磨后，阀座表面硬度要大于63 HRC，硬化层厚度不能低于500 μm，阀球表面硬度大于67 HRC。通过将基材和硬化层之间形成有机过渡层，避免发生硬化层脱落的情况，确保阀门抗拉强度和抗冲击韧性，满足抗冲刷、耐磨损、高频次技术要求，延长维护周期，使锻件阀体的致密性得到保证，提高阀体的使用寿命和整体强度。

（2）阀杆与阀体重型结构设计的目的，是为了消解管线应力、提高阀体强度，按照ASNI标准对阀体中法兰螺栓数量进行冗余设计，确保阀门能够适用催化剂固体颗粒冲刷，符合高频次开启要求，确保长维护周期运行的整体要求。

（3）阀座后面适用蝶形弹簧加载。通过使用蝶型镍基高合金弹簧，能够有效避免弹簧被聚合物堵塞卡死的情况，导致阀门内漏、扭矩变大、密封失效，通过在碟形弹簧的两侧使用防尘圈保护，可以有效避免碟形弹簧腔体内进入脏物和杂质，进一步强化密封作用。即使在小压差工况下，也可以确保密封性。阀球承受的介质压力，也不在阀座上作用。阀座不必承担支撑阀球的作用，从而令阀座寿命得以延长，减少阀门安装的方式对阀座产生的影响。碟形彈簧设计耐腐蚀强、推力均匀，可以确保阀腔超压释放。

（4）使用全通径设计阀门。设计人员通过使用全通径设计，对介质无任何节流和流阻，使用特殊抗冲刷工艺制作介质和阀门的接触面，阀腔内与介质接触的流道，阀球、阀座经专用数控设备配对研磨，进行镜面抛光处理，聚合物料、聚丙烯颗粒，以及催化剂不会直接挂壁，能够有效降低阀门受到物料的冲刷，从而延长阀门使用寿命。

（5）使用刮刀式结构设计阀座密封面两侧。使用特殊刮刀式阀座设计，能够确保阀门动作时，有效刮擦阀球表面上黏结的颗粒物，阀座后部设计成开放式阀腔，在球阀动作时，通过利用流体特性，及时清除阀座后的聚合物和微量分离，保证阀门拥有自清洁功能。

4 PDS控制阀执行机构特点

4.1 KINETROL扇形气动执行机构

（1）单个移动部件，体积小，结构简单，安装空间紧凑。

（2）转轴和叶片整体铸造，没有空城、齿条、曲柄、齿杆，没有碰撞力和动力损失，易损件少，便于维修维护。

（3）耗气量少，动作迅速，工作压力保持在0.14～1.00 MPa。

（4）使用聚氨酯制作密封材料，其耐磨能力几十倍于普通橡胶密封材料，使用寿命长。

（5）采购及后期维持成本较高。

4.2 KTM AW Series、Metso B Series气动执行器特点

（1）真正意义上的模块化设计。弹簧模块、压力模块、扭矩模块，均为独立模块。

（2）压力模块。一般来说，执行机构缸体工作压力在0.28～1.00 MPa，气缸尺寸设计和相关密封按照国际标准设定，实现模块化目标，便于采购，并为全部活塞配有双层碳填充PTFE方柱型密封圈和耐磨条，镀铬处理和气缸内壁抛光实现耐磨损目标。

（3）弹簧单元。合理设计通信弹簧组，拉式压缩弹簧设计，弹簧腔端盖更易于安装液压式和螺旋式手轮，实现弹簧腔模块标准化。

（4）活塞缸耗气量大，要求更高的空气流速来满足阀门的开关扭矩及时间要求。

（5）性价比较高。两种不同的执行机构也是PDS阀选型的最重要的考虑的问题。

5 PDS顺控与联锁逻辑的设计

（1）PDS控制系统的顺控步骤

一套正常的PDS控制系统的顺控分为6个步骤，PDS控制系统在发起每步的动作前都会对允许条件进行常规检查，以确保其符合允许的条件。

（2）PDS控制系统顺控时间的设定

PDS控制系统顺控中有A、B、C、D四个计时器，其是根据工艺包给定值进行简单设立，再根据现场的实际情况，同时结合产品仓与卸料罐上的核料位计、压力变送器及控制阀的动作时间进行详细设定，但是在时间设定值不应超过一定范围，如：①A计时器可调节时间为T1，0～100 s;②B计时器可调节时间为T2，0～60 s;③C计时器可调节时间为T3，0～120 s;④D计时器可调节时间为T4，0～30 s。要想保持PDS控制系统的正常运行，除了对计时器的设定以外，还要专业工程师以阀门动作完成的时间作为依据，并结合下料时间要求对顺控及联锁逻辑进行调整。

6 PDS控制系统顺控终止与连锁保护动作

PDS控制系统分为“自动”与“单步”两种工作模式，其在每完成一项工作进行下一步操作时，都会对其进行判断，一般会在3～5 s内完成，如果在判断过程中超出时限制则需要立即停止该套PDS顺控的运行，此时系统会及时发出警报，通知工作人员解决。但是，如果是一对PDS中的某一套PDS系统发生故障时，应先将此套PDS系统的B阀和G阀关闭，同时将A、C、GP阀打开，再将W阀关闭并调制手动关闭位置，达到脱离连锁顺控的控制，最后在用L阀替代W阀实施顺控。此操作可以通过L阀来平衡产品仓与反应器间的压力。当运行过程中出现连锁事故时，则需要通过反应终止系统将聚合反应停止。在出现此情况时，需要停止所有的PDS控制的顺控，并将PDS系统的A、B、C、G阀关闭，以达到切断反应器与产品仓之间的工作。

7 结语

PDS高频球阀广泛应用于聚丙烯等装置上，而我国聚丙烯消费总量占世界消费总量第一位，但国内聚丙烯装置上的关键PDS高频球阀大部分是国外进口的，特别是聚丙烯卸料系统PDS是聚丙烯生产工艺中的核心部件，其配置的球阀要求快速动作，使用寿命要求达到100万次。只有按照相关专利商要求，严格把控PDS控制阀各个方面，确保阀门在正常使用情况下，寿命大于20 a，确保阀门整体无故障状态下运行5 a，执行机构在正常操作维护状态下，实现不低于100万次无故障运行，实现抗冲刷、耐磨损、高频次技术要求，确保其安全性、可靠性，为后期工作的顺利开销奠定坚实基础。相关工作人员要在实践中不断积累工作经验、吸取教训，推动PDS控制阀建设工作迈上新台阶。

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