袁德喜，劉 婷，許云民

（重慶川儀自動化工程檢修服務有限公司，重慶 401121）

0 引言

聚丙烯（PP）裝置采用美國陶氏化學UNIPOL聚丙烯生產工藝。工藝采用氣相流化床反應器系統(tǒng)，用兩臺串聯(lián)的反應器系統(tǒng)能夠靈活生產全范圍的聚丙烯產品。PDS控制閥具有開關頻次高，每年開關20萬次～80萬次；耐磨損；密封等級要求高，需達到ASME B16.104 CLASS VI；介質有氣相、顆粒狀固相粉料；閥門的開關時間短，DN200以下口徑的閥門單次開關時間小于1.5s，DN200及以上口徑的閥門單次開關時間小于2.5s。根據(jù)工藝包的不同，PDS控制閥主要選用ARGUS、KTM、METSO等品牌的金屬硬密封球閥。PDS控制閥是整個PP裝置的關鍵部位，它的可靠性直接關系到PP裝置的運行。充分了解PDS控制閥的損壞情況，對PP裝置日常運維有重要意義。

1 PDS控制閥的主要故障特點

1）聚丙烯介質中的顆粒粉料易堆積在閥座腔或者是附著在球體表面，造成閥球、閥座密封面損傷，導致閥門開關扭矩逐漸增大，從而造成閥門卡澀、泄漏。

2）超細聚丙烯粉料容易在閥桿腔、軸承腔、閥座腔等位置堆積，造成閥門扭矩增大，閥門卡澀、泄漏等故障。

圖1 ARGUS高頻閥結構Fig.1 Structure of ARGUS high frequency valve

3）閥門的高頻開關和高速動作容易造成金屬密封副的粘結，從而導致金屬密封面出現(xiàn)拉傷等故障。

4）閥門長期高頻啟閉，對閥桿和填料造成嚴重磨損，容易導致閥門產生外漏。

5）氣動執(zhí)行器在長期高頻啟閉過程中，性能下降，導致執(zhí)行器密封件磨損及缸體內壁拉傷，造成氣缸性能失效。

2 PDS控制閥主要品牌閥門的特點

2.1 ARGUS高頻閥的主要特點

ARGUS高頻閥閥體采用主副體結構，NPS6及以上采用固定球、雙向金屬密封、全通徑、雙閥座寬弧面設計。閥體材質采用ASTM A182 F316和ASTM A350 LF2鍛件材質。球體基體采用ASTM A240 2205材質，表面硬質合金采用熱噴涂技術，球體表面硬度大于HRC67，硬化層厚度不低于0.5mm。閥座基體采用ASTM A240 2205材質，密封面硬質合金采用熱噴涂技術，閥座密封面硬度大于HRC63，硬化層厚度不低于0.5mm。耐磨軸承采用PEEK高分子材質，預緊彈簧采用蝶形彈簧。

ARGUS高頻閥優(yōu)點主要體現(xiàn)在采用內支撐板固定式結構設計，能夠有效地減少一個閥門泄漏點，能更好地實現(xiàn)密封。但其缺點在于內固定設計存在上下兩個支撐板，支撐板直接影響到閥腔空間大小，在粉狀介質工況下，介質很容易進入閥腔堆積，從而導致閥門抱死，無法啟閉。

ARGUS高頻閥閥座預緊彈簧采用碟簧，碟簧比柱簧和盤簧的伸縮量大，碟簧所提供的預緊力對閥座四周均勻，更好地保證了閥門的密封性能。閥座采用彈簧的結構保證閥門在高頻的情況下能夠正常啟閉，并且達到正常的使用密封等級。

圖2 KTM高頻閥結構Fig.2 KTM High frequency valve structure

ARGUS配備KINETROL扇形氣動執(zhí)行器，其體積小，結構簡單，安裝空間緊湊，耗氣量少，動作迅速，壽命長，價格昂貴。

2.2 KTM高頻閥的主要特點

KTM高頻閥閥體采用主副體結構，NPS4及以上采用固定球、雙向金屬密封、全通徑、雙閥座寬弧面設計。閥體材質采用ASTM A216 WCB鑄件材質；球體基體采用ASTM A182 F316材質，表面硬質合金采用熱噴涂技術，球體表面硬度大于HRC65，硬化層厚度不低于0.8mm；閥座基體采用ASTM A182 F316材質，密封面硬質合金采用熱噴涂技術，閥座密封面硬度大于HRC62，硬化層厚度不低于0.8mm；耐磨軸承采用316金屬材質；預緊彈簧采用圓柱彈簧。

KTM高頻閥優(yōu)點主要體現(xiàn)在采用上下閥桿固定式結構設計，結構簡單，裝配容易。但其缺點是上、下閥桿加工精度要求高，上、下閥桿裝配不同心容易造成上、下閥桿磨損，導致摩擦力增大。

KTM高頻閥閥座預緊彈簧采用柱簧設計，其結構簡單。彈簧腔進塵后會導致圓柱彈簧高低不平，彈簧提供的預緊力不能均勻作用到閥座上，導致閥門開關卡澀甚至無法啟閉。

KTM配備KTM AW系列活塞式氣動執(zhí)行器，其特點是采用撥叉式結構，扭矩輸出大，壽命長，活塞缸耗氣量大，性價比高。

2.3 METSO高頻閥的主要特點

METSO高頻閥采用對稱式固定球（球軸一體）、雙向金屬密封、全通徑、雙閥座寬弧面設計。閥體材質采用ASTM A216 WCB鑄件材質；球體基體采用ASTM A182 F316材質，表面硬質合金采用熱噴涂技術，球體表面硬度大于HRC65，硬化層厚度不低于0.8mm；閥座基體采用ASTM A182 F316材質，密封面硬質合金采用熱噴涂技術，閥座密封面硬度大于HRC62，硬化層厚度不低于0.8mm；預緊彈簧采用盤形彈簧。

圖3 METSO高頻閥結構Fig.3 Structure of METSO high frequency valve

METSO高頻閥優(yōu)點是球軸一體式結構，確保大扭矩狀態(tài)下啟閉力矩的準確傳遞，保證球體位置不偏移，從而解決了因閥門開關不到位而造成高速介質對閥門沖蝕的嚴重問題，提高閥門運行可靠性。

METSO高頻閥閥座預緊彈簧采用盤形彈簧設計，其結構簡單。彈簧腔進塵后會導致盤形彈簧高低不平，彈簧提供的預緊力不能均勻作用到閥座上，導致閥門開關卡澀甚至無法啟閉。

METSO配備METSO B系列活塞式氣動執(zhí)行器，其特點是采用撥叉式結構，扭矩輸出大，壽命長，活塞缸耗氣量大，性價比高。

3 PDS控制閥拆解情況

3.1 ARGUS高頻閥的拆解情況

1）閥座腔進粉料嚴重。

2）球體密封面有拉傷。

3）閥座密封面有拉傷，閥座變形。

4）閥桿與填料函接觸部分磨損嚴重。

5）填料壓蓋內孔磨損嚴重。

6）上下支撐板內置PEEK耐磨套磨損。

7）其他密封件老化、損壞。

3.2 KTM高頻閥的拆解情況

1）閥座腔進粉料嚴重。

2）球體密封面有拉傷。

3）閥座密封面有拉傷，閥座變形。

4）閥桿與填料函接觸部分磨損嚴重。

5）填料壓蓋內孔磨損嚴重。

6）下閥桿磨損嚴重。

7）其他密封件老化、損壞。

3.3 METSO高頻閥的拆解情況

1）閥座腔進粉料嚴重。

2）球體密封面有拉傷嚴重。

3）閥座密封面有拉傷嚴重，閥座變形。

4）盤簧變形嚴重。

5）其他密封件老化、損壞。

4 PDS控制閥故障原因分析

4.1 ARGUS高頻閥的故障原因分析

1）閥門拆解后發(fā)現(xiàn)碟簧/閥座/閥桿腔積塵嚴重，閥桿和填料箱拉傷，其表面有較深的拉傷。

2）球體支撐板雖然未發(fā)現(xiàn)拉傷現(xiàn)象，但定位板內襯軸套PEEK磨損嚴重，導致與球體軸間隙達0.2mm～0.45mm。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(fā)生偏移，導致閥桿受到徑向力作用，閥桿發(fā)生偏移，閥桿偏移后與填料箱體小面積接觸，最終發(fā)生嚴重擦傷現(xiàn)象。

3）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(xiàn)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，最終導致閥門內漏。

4.2 KTM/METSO高頻閥的故障原因分析

閥體密封腔進塵，堵塞閥座腔，造成彈簧失效，失去柱簧原有預緊力，使得閥座不靈活，成為固定閥座。加之球體與閥座硬度不夠高，且硬度差較大，球面與閥座密封面吸附著介質，閥門開關頻率高，球體與閥座在此狀態(tài)時極易拉傷，造成閥門內漏和卡塞。

5 PDS控制閥維修方案

5.1 ARGUS高頻閥的維修方案

1）新做閥座，閥座密封面采用弧面密封，使閥座密封面與球面吻合達到100%，保證了閥門的密封效果和增加了閥門的使用壽命。閥座采用ASTM A240 2205材質，閥座密封面采用特殊硬質合金的噴焊技術，閥座密封面火焰噴涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且閥座自帶刮刀結構，開關過程中清除球體表面的結垢，防止拉傷閥座和球體密封面，使之具有自清潔功能。

2）閥球密封面采用特殊硬質合金的噴焊技術火焰噴焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm。通過數(shù)控外圓磨床，保證球體不圓度達到0.015以內，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，并且球體上下軸由兩軸套定位，同時球體上下軸外圓和支撐板內孔做硬化處理，提高閥門轉動時的耐磨性和承載性。

3）閥座預緊彈簧是給閥座提供初始密封力，閥座預緊彈簧采用碟簧比柱簧和盤簧的伸縮量大，更好保證了閥門在溫度變化的情況下，使閥門不容易發(fā)生抱死等現(xiàn)象，造成閥門無法開啟。同時碟簧所提供的預緊力對閥座四周均勻，更好地保證了閥門的密封性能。閥座采用多片彈簧的結構保證閥門在高頻的情況下能夠正常啟閉，并且達到正常的使用密封等級。

圖4 原閥門球體支撐板結構部分Fig.4 Structure of original valve ball support plate

圖6 原閥桿密封系統(tǒng)Fig.6 Original valve stem sealing system

4）ARGUS閥門填料分為上下兩個填料箱，填料個數(shù)較少，容易產生外漏。維修后的填料采用PPL材質，V型填料，具有密封性能好，扭矩輕等特點，更加適合高頻的閥門，提高閥桿與填料接觸部分的硬度和光潔度，有利于閥門的長周期使用。

5）閥桿密封系統(tǒng)在原結構的基礎上增加了O型圈設計，可以防止粉料進入閥桿腔。O型圈還提供了一定的密封性能，減少外漏的可能，閥桿防塵圈完全阻止顆粒粉料進入閥桿腔，從而解決閥門扭矩小的問題。

5.2 KTM高頻閥的維修方案

1）新做閥座，閥座采用ASTM A182 F316材料，閥座密封面采用特殊硬質合金的噴焊技術，閥座密封面火焰噴涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且閥座自帶刮刀結構，開關過程中清除球體表面的結垢，防止拉傷閥座和球體密封面，使之具有自清潔功能，加工后硬層厚度不小于1mm。

圖5 原閥門密封結構部分Fig.5 Sealing structure of original valve

圖7 改造后的閥桿密封系統(tǒng)Fig.7 Modified valve stem sealing system

2）閥球密封面采用特殊硬質合金的噴焊技術，火焰噴焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm，通過數(shù)控外圓磨床，保證球體不圓度達到0.015以內，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，球體下軸軸套定位，球體下軸內孔做硬化處理，提高閥門轉動時的耐磨性和承載性。

3）采用316材料新做閥桿，外軸噴焊硬質合金粉，提高閥桿的耐磨性。

4）預緊彈簧采用圓柱彈簧，增加彈簧腔的防塵設計。

5.3 METSO高頻閥的維修方案

1）新做閥座，閥座采用ASTM A182 F316材料，閥座密封面采用特殊硬質合金的噴焊技術，閥座密封面火焰噴涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且閥座自帶刮刀結構，開關過程中清除球體表面的結垢，防止拉傷閥座和球體密封面，使之具有自清潔功能，加工后硬層厚度不小于1mm。

2）閥球密封面采用特殊硬質合金的噴焊技術，火焰噴焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm，通過數(shù)控外圓磨床保證球體不圓度達到0.015以內，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，球體上、下軸軸套定位，球體上、下軸外圓做硬化處理，提高閥門轉動時的耐磨性和承載性。

3）新做上下閥桿耐磨套，采用316材質，內孔進行硬化處理。

圖8 雙作用執(zhí)行器帶儲氣罐復位Fig.8 Reset of double acting actuator with air receiver

4）預緊彈簧采用蝶形彈簧，增加彈簧腔的防塵設計。

5.4 PDS高頻E閥的執(zhí)行器改造方案

1）E閥的基本情況

某化工廠PP裝置KV-4101-1E/KV-4105-1E/KV-4106-1E/KV-4107-1E閥門采用撥叉式氣缸（BETTIS:G5124-SR4-CW-33），該閥門的開關頻率高，壓差大，介質的粘度大。

2）執(zhí)行器容易出現(xiàn)的問題

執(zhí)行器撥叉斷裂、撥叉滾套斷裂、彈簧疲勞斷裂，執(zhí)行器推桿與活塞連接處脫開等故障現(xiàn)象。

3）執(zhí)行器故障分析

該閥門的開關頻率高，壓差大，介質的粘度大，導致執(zhí)行機構疲勞破壞。

4）解決方案

采用扇形氣缸，雙作用氣缸加儲氣罐復位。

6 結語

目前國內石油化工的PP裝置是越來越多，PDS控制閥的使用量逐年上升。國際大環(huán)境陰云密布的情況下，進口PDS控制閥交貨周期無法得到保證，PDS控制閥的國產化就迫在眉睫。充分了解國外進口PDS控制閥容易損壞的零部件，有利于PDS控制閥國產化的設計。利用閥門檢維修過程中收集大量的PDS控制閥的數(shù)據(jù)，為PDS控制閥國產化提供第一手資料。

表1 氣動附配置表Table 1 Configuration of pneumatic accessories