液氮洗分子筛轨道球阀维修及装配实践

毛大军

（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021506）

1 液氮洗分子筛系统及轨道球阀简况

1.1 液氮洗分子筛系统工艺流程

在合成氨装置中，液氮洗过程需在-182℃以下进行，粗氢气（经净化后得到的净化气）要通过净化气冷却器冷却至-182℃，由于上游低温甲醇洗系统来的粗氢气中含有约10μL／L的CO2和60μL／L的甲醇，粗氢气中的CO2和甲醇在冷却过程中会冻结而堵塞管道，因此需通过2台切换使用的分子筛吸附器 （V04205 和V04206）吸附脱除粗氢气（净化气）中的甲醇与CO2（生产中1台分子筛吸附器运行、1台分子筛吸附器再生，轮流切换），以满足液氮洗系统对原料气的要求。呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）液氮洗分子筛系统由2台分子筛吸附器与多台气动开关／调节阀组成，其中关键的8台阀门为ORBIT轨道球阀，如图1。

图1 液氮洗分子筛系统工艺流程简图

1.2 轨道球阀所处工况

金新化工500kt／a合成氨装置液氮洗分子筛系统共有8台ORBIT轨道球阀，有10＂和14＂两种规格，压力等级／密封面均为600LB／RF，密封形式均为金属硬密封，泄漏等级均为ASNI ClassVI，涉及的工艺介质主要有（粗）氢气、净化气、氮气。轨道球阀关闭时的压差较大，操作温度范围较大，每个开关行程都要历经-60～200℃的温度变化。轨道球阀的设计工艺参数见表1，其所处工况分析如下。

表1 轨道球阀的设计工艺参数

一旦上述轨道球阀在全关时发生内漏，会导致粗氢气或合格的净化气漏入正在复热的分子筛中，或粗氢气漏入低压氮气管线，直接导致净化气气量降低，系统能耗增大，影响氨合成系统的负荷，因而对其密封要求很高。一般地，主要通过轨道球阀前后的温度变化、中化人员取样分析氢气含量以及系统停车检修时打压测试等手段判断轨道球阀关闭状态下的密封性能。

2 轨道球阀结构特点

卡麦隆（CAMERON）公司生产的ORBIT轨道球阀，为顶部开启、阀杆提升式固定座切断阀，其内件结构与传统球阀有本质的区别，它综合了闸阀、球阀、截止阀的优点。ORBIT轨道球阀在开启的过程中，其阀球类似于闸阀，阀球和阀座的密封接触过程类似于截止阀，而阀门的启闭和流通通道类似于球阀，这种独特形式的阀门广泛应用于化工装置中存在易燃、易爆、易挥发介质的场合。ORBIT轨道球阀开关无摩擦，无高速流体的局部冲刷；固定式单阀座设计，通过机械的楔紧力强迫阀球压紧阀座以实现密封，硬质合金堆焊阀球表面，并且其弹性的三片式阀座结构在温差大、压差大、介质中有粉尘、阀门开关频繁的情况下仍能确保长期的零泄漏。

2.1 轨道球阀的构成

ORBIT轨道球阀主要由阀体部件和气动活塞式执行机构组成。执行机构主要由空气过滤减压阀、电磁阀、阀位反馈开关、气控阀、蓄油罐等组成；阀体部件主要由阀腔、阀球、阀座、阀杆、阀球轴套等组成。

2.2 阀杆结构

ORBIT轨道球阀阀杆由执行机构阀杆和轨道阀杆两部分组成，两者通过螺纹加销钉的方式连接，轨道阀杆上部分为垂直轨道，其余部分为螺旋轨道。在阀门关闭位置，阀球受阀杆下部楔形面的机械施压作用紧压在阀座上。阀门开启时，阀杆在导销作用下首先沿垂直轨道提升，其底部的楔形平面使阀球与阀座脱离接触，阀门继续打开，阀杆在导销作用下沿螺旋轨道驱动阀球转动达到全开位置。阀门关闭时，阀杆带动阀球在不接触阀座的情况下先转动，之后阀杆继续下降压迫阀球压紧在阀座上，消除了阀球和阀座之间的摩擦，理论上密封面在操作过程中不会受到损伤，增强了阀球与阀座间的密封性能。

2.3 阀体结构

液氮洗分子筛轨道球阀使用的是全通径单孔实心球，内嵌阀球销钉与支撑销钉，阀球前端为半球形密封面，阀球底部的圆弧形阀轴与阀球密封面为同一弧面。阀球与阀座在脱离接触和接触密封时通过底部的圆弧形阀轴平缓滚动，消除了阀球密封弧面与阀座密封面在离开时的摩擦力，而且，阀球与阀座靠近时紧紧地贴合在一起，有效地保证了阀座与阀球之间的密封。

ORBIT轨道球阀有两对销钉，一对阀球销钉，一对支撑销钉。两个阀球销钉与阀杆下部平行斜面为平面式接触，接触表面均进行精加工和抛光处理，摩擦力小，有效地保护了阀杆和阀球销钉，延长其使用寿命。两个支撑销钉用于控制阀球顶部与阀盖衬套底部的空间尺寸，保证阀球运动自如；当介质温度升高造成阀球受热膨胀、尺寸变化时，垂直支撑销钉提供阀球整体尺寸限位，不会出现阀球整体卡死的现象，且垂直支撑销钉提供的限位可保证阀门垂直安装时不会出现阀球位置的移动及密封失效。

ORBIT球阀支撑销钉和阀球表面采用硬质合金堆焊，阀球密封面部分有不少于0.8mm厚的硬质合金堆焊面，以保证密封面的长久寿命，因此，即使在高压差、频繁开关和介质中带有颗粒杂质的苛刻工况下，也可以确保阀球与阀座的紧密接触。

液氮洗分子筛轨道球阀采用金属硬密封阀座，使用机械过盈冷压的方式嵌入阀体，阀座为固定结构设计，阀座背后无传统球阀的预紧弹簧，采用三片式结构，由金属内环、金属外环和内嵌密封件组成，具有两线一面三道密封。内嵌密封件根据不同工况的需要选择不同的材料（如聚四氟乙烯、不锈钢），内、外金属环靠压力过盈紧密结合在一起，并将中间内嵌密封件包住，防止被冲出阀座。阀座内、外金属环不是一体的，具有一定的弹性，在机械楔力的作用下可与阀球紧密接触，达到金属（阀座密封面）对金属（阀球密封面）的良好密封效果。

3 维修措施

在合成氨装置开车初期，部分焊渣、铁屑等坚硬物质还残留在设备、管道内，随着系统的长期运行，这些坚硬物质会随工艺气进入液氮洗分子筛轨道球阀阀腔，阀球在关闭时产生摩擦划痕，损伤了阀球与阀座的密封面，导致阀门内漏。目前，采购1台14＂的ORBIT轨道球阀需要100多万元，价格昂贵，且ORBIT轨道球阀的维修成本较高（轨道球阀阀球设计独特，原厂阀球价格昂贵，旧球可以在国内外委维修，每次的维修价格约为原厂新球价格的1／10）、装配难度较大，国内ORBIT指定的服务单位装配1台10＂及以上的ORBIT轨道球阀，仅内件安装服务费用就需要数万元，装配周期在3d左右。因此，若能改变阀座的设计形式（原阀座制作加工精度高，目前国内没有此设计），自行重新加工阀座，将极大地降低维修成本。

3.1 改进阀座并更换

液氮洗分子筛系统涉及的工艺介质主要是氮气、氢气等较为洁净的气体，经分析，将轨道球阀的金属阀座改为软阀座，既能满足工况要求，又能起到良好的密封作用。液氮洗分子筛系统运行时的温度范围是-60～200℃，聚四氟乙烯材料具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性，以及良好的抗老化能力，能在-180～250℃的温度范围内长期工作。因此，可将损坏的阀座密封面由金属硬密封改为软密封，即阀座采用316LSS不锈钢＋四氟密封。轨道球阀新阀座设计加工示意图见图2。

图2 轨道球阀新阀座设计加工示意图

金新化工自行加工完成的轨道球阀阀座（金新化工有车床，但开槽、压制四氟密封等需外协单位完成，制作软阀座的总费用大幅降低），阀座上四氟密封凸出金属密封面0.8mm，可保证良好的密封效果。

将拆卸阀座的专用工具安装至阀腔内，取出原阀座，由于阀座使用机械过盈冷压的方式嵌入阀体，因此需提前将新阀座置于液氮中冷却1h，再使用专用工具回装新阀座。

3.2 试装阀球

球体在原厂生产时，受加工精度的影响，每一台球体的尺寸都不完全相同，且每套轨道球阀内件的装配要求都非常高，因此，每套轨道球阀内件在装配时都必须进行多次试装。装配完后，连接执行机构气源，将阀门处于关闭位置，检查阀球与阀座密封面间的间隙，然后断开执行机构气源，再次确认密封面间的间隙情况，确保执行机构气源接通或断开时阀座与阀球间的密封位置不会变化。用0.1mm厚的A4打印纸剪成3mm宽的小纸条，测试阀球密封面与阀座间的间隙，当各个方向的间隙都比较均匀且纸条已经无法塞入时，再进行打压测试。表2是金新化工自行装配首台14＂轨道球阀（位号KV42012）时的部分记录。

表2 首台14＂轨道球阀的部分试装记录表

由表2可以看到，在3d的时间里，累计试装30次，最终试压合格，满足工艺要求。随着检修经验的不断积累，现每台轨道球阀的装配时间已缩短至1d左右，极大地提升了检修进度。

3.2.1 调整执行机构阀杆长度

将轨道球阀全开，松开阀盖与气缸间的连接螺栓，松开填料紧固螺钉，顺时针旋转执行机构，可以延长阀杆的长度；反之，逆时针旋转执行机构可以缩短阀杆的长度。通过旋转执行机构，调整阀杆长度，可以改变阀座与阀球间的密封位置及密封性能。

3.2.2 调整阀球的高度

轨道球阀试装时，在阀球轴套中加入／减少不同规格的圆形垫铁，可以调整阀球的高度，从而改变阀座与阀球密封面间的位置及密封性能。阀球垫得过高，密封面下部容易泄漏；阀球垫得较低，密封面上部容易泄漏。球阀装配完，打压测试满足密封等级要求后，取出阀球，记录阀球轴套中垫铁数量、厚度，重新裁剪相同数量、相同厚度的垫铁，用液氮冷却阀球轴套后，取出阀球轴套，装入刚裁剪的垫铁，再将经液氮冷却后的阀球轴套装入阀体，如此操作，既能保证阀球的高度，又可防止垫铁被磨损。

4 结束语

轨道球阀内件的装配要有足够的耐心，需十分仔细、谨慎，不断地摸索、总结，找出规律，才能节省装配时间，既快又好地完成任务。针对液氮洗分子筛轨道球阀内漏问题，金新化工通过对阀内件进行改进——重新设计加工阀座，并自行装配阀球，在较短的时间内满足了轨道球阀的密封性能要求，2a来的运行实践也表明轨道球阀密封性能依旧良好。此举对类似阀门的检修具有一定的借鉴意义，不仅能充分利用企业自身的检修力量快速处理问题，而且可节约不少的维修费用，从而有效降低生产成本。