陕西北元化工集团有限公司化工二分公司(以下简称陕西北元二分公司)100万t/aPVC项目采用日本智索108m3聚合釜全套聚合技术。因PVC生产工艺复杂,控制精度高,自动化程度要求严格,为了降低安装成本,减少安装空间,便于过程控制,采用气动三通球阀就显得尤为重要。陕西北元二分公司PVC项目中现使用气动三通球阀共计130台,根据工艺要求有T型和L型两种。在系统投运后,气动三通球阀的使用效果一直未达到设计要求,尤其是L型阀,在生产过程中不同程度地出现了卡塞,无法动作,出现严重内漏、外漏等现象,不能满足生产要求,且严重影响企业的安全生产、产品质量及负荷提升。通过对气动三通球阀故障的总结分析,进行了近1年的试验性改造,由最初的更换阀座、重新压填料仍不能解决问题,到最终确定出了有效的解决方案,即将阀门的阀芯结构由浮动式更改为固定式、双阀座更改为四阀座,效果明显,不仅生产系统稳定,实现了连续化生产,而且也节约了成本,提升了效益。
1 气动三通球阀简介
1.1 气动三通球阀的工作原理
气动三通球阀是一种三通道的回转型球阀,是由气动执行器带动球体经90°旋转动作来达到换向的控制目的,或经180°旋转动作来达到换向与分流、合流的控制目的。
1.2 气动三通球阀分类
气动三通球阀用于介质分流、合流及流向切换,任何一个管道都可以作为入口或出口。气动三通球阀分L型和T型,可以满足不同的生产工艺要求,介质流通方向见图1、图2。L型气动三通球阀适用于介质流向的切换,能使相互垂直的2个通道连通。T型气动三通球阀适用于介质的分流、合流或流向切换,T型孔道可以使3个通道互相连通或使其中2个通道连通。
气动三通球阀一般采用双阀座结构,亦可根据用户要求采用四阀座结构。
图1 三通球阀L型流向图
图2 三通球阀T型流向图
1.3 气动三通球阀的控制
气动三通球阀与电气阀门定位器配套,输入DC4~20mA信号及0.4~0.7MPa气源即可控制运转,实现对压力、流量、温度、液位等参数的调节;亦配行程限位开关、电磁阀、减压阀,可实现开关操作,并送出两对无源触点信号指示阀门的开关。
1.4 气动三通球阀的应用领域
气动三通球阀广泛应用于化工、石油、轻纺、电力、食品制药、制冷、航空航天、造纸等工业领域。
1.5 气动三通球阀的特点
(1)流体阻力小,其阻力系数与同长度的管段相等。
(2)结构简单、体积小、质量轻。
(3)紧密可靠,目前球阀的密封面广泛使用塑料材料,密封性好,在真空系统中也已广泛使用。
(4)操作方便,开闭迅速,从全开到全关只要旋转90°,便于远距离的控制。
(5)维修方便,球阀结构简单,密封圈一般都是活动的,拆卸、更换都比较方便。
(6)在全开或全闭时,球体和阀座的密封面与介质隔离,介质通过时,不会侵蚀气动三通球阀密封面。
(7)适用范围广,通径从几毫米到几米,从高真空至高压力都可应用。
2 聚合工段气动三通球阀故障分析及解决方案
2.1 故障分析
三通阀的选型对工艺过程控制具有举足轻重的作用,陕西北元二分公司在聚合工段三通阀的选用过程中,因为阀门的选型、结构、构造、材质等不合理使得阀门出现了严重问题:换向时,阀门卡塞,甚至无法运动;严重内漏,不能满足工艺生产要求;外漏严重,主要体现在阀杆与填料之间、阀体压盖密封处泄漏;阀门在动作过程中因阀芯移位造成阀体抱死,阻力增大,导致转动的连接部件和执行机构多次损坏和断裂,而且阀芯因与阀座之间接触面间隙变小,使阀芯的涂层被破坏、阀座变形、球面光滑度和密封等级都下降,严重时阀芯主体会扭曲变形。
通过分析阀门故障问题,认为造成阀门故障的主要原因是原来flowserve三通球阀为浮动式,其球体是由阀座进行定位的,阀座承受了整个阀芯的质量,阀座受力不均匀,在阀门换向过程中,阀门中腔会进入介质物质,并在压力的作用下,使用一定时间后,球体会偏移其实际要求的中心位置,当偏移量达到一定值时,阀门就开始内漏,并且力矩会随偏移量的逐步增加而增大,造成阀门开关不到位,阀芯与阀座的受力失去平衡,涂层在受力较大的地方脱落,也增加阀门的内漏;由于球体的偏移随换向而变化,在长期不平衡压力下,阀芯与2个阀座的间距不断加大,造成填料的泄漏;力矩的不断加大造成阀杆、连接轴套变形或执行机构拉损;阀座选用PTFE材质的软密封阀门,其介质为130~140℃热水,PTFE这种材质在理论上可以耐180℃,但是在实际使用过程中,当达到一定温度时,其物理特性就会发生变化,硬度降低,当阀门在动作过程中就会黏连在球面上,损坏阀座,从而导致阀门出现内漏现象。
2.2 解决方案
为解决上述flowserve三通球阀存在的问题,陕西北元二分公司要求设计为固定式四阀座硬密封三通球阀,首先使阀门在换向时球体始终处于与阀杆同轴的固定位置,其主体结构如下。
(1)固定式阀芯的设计。
在阀芯下方加一个固定轴,与阀芯相连接,通过此轴和上阀杆将阀门固定下来,见图3~图5。
图3 固定式阀芯结构图
图4 上阀杆防尘结构示意图
图5 下阀杆防尘结构示意图
(2)四阀座结构设计。
独特的阀座设计和结构见图6~图7,分为2个主阀座、2个副阀座。
从图6、图7可以看出:三通球阀的2个阀座设计原理是不同的:①2个主阀座各采用4片碟型弹簧,并叠加,其提供给阀座与球体的预压紧力较大,也就是阀座对于球体的压力较大,有利于阀门的密封;另外,根据其运动和换向的特点,2个主阀座起关键密封作用,故采用下游式阀座密封,工作时不接触介质的阀座密封。②2个副阀座对球体的预压紧力相对于2个主阀座要小,其主要是对球体起平衡作用,使球体在压力作用下开关较平稳、受力更均匀。③4个阀座均设计了独特的刮刀结构,较容易去除球体表面的物料,让球体表面均处于“干净”的状态,使阀门密封可靠,动作灵活,保持阻力均匀,球面不容易损伤。
图6 四阀座之主阀座结构示意图
图7 四阀座之副阀座结构示意图
阀体与执行机构连接部件采用了增大阀杆强度的设计理念,防止阀门在卡料时因扭矩增大而损坏。阀门设计时所设计的阀杆理论上可传递近20000N•m的力矩,而阀门实际需要的正常力矩在3000N•m左右,阀杆能传递的力矩是阀门工作时的6倍左右;使用的驱动气缸能输出的力矩在7000~11000N•m,是阀门工作时的2~3倍;其余传动力矩的零件均满足阀杆和气缸的需要,且在遇到异常情况时,阀门也能按程序的要求正常开启,避免了阀门在异常情况下卡死或者是无法动作的现象,较大程度地减少了阀门的拆解维修次数。
阀座与球面采用可调预紧力工艺结构,选用好的弹簧材料,且为多组的形式结构;阀座从流道装入,并用螺塞的方式压紧,其压力大小是可控的,阀门的开关力矩是可控制的,阀门的预紧力是可调的,在阀门泄漏等级符合Ⅵ级的情况下,阀体与球面之间的力矩是可调的,并且这种结构阀门使用一段时间,因摩擦导致内漏时,不需要更换阀座,只需要对阀座压盖进行紧固即可解决问题,不仅节约了成本,也保证了阀门的控制精度。
在阀门材质选用上,阀门各组件的材质完全能够满足工艺介质的要求。三通球阀阀体材料按要求为CF8(304);球体和阀座基体材料用316,密封面材料用Co基合金的不同配方,球体密封面硬度为HRC63-65,阀座密封面硬度为HRC55-58;上下阀杆用316材料,其传动部位嵌耐磨轴套,使阀门转动受力轴套具有承受压力和耐磨的能力;螺塞和衬套因长期与介质接触,故采用316材料,以提高材质的耐磨损能力。同时要求厂家必须严格控制并保证球体与阀座的研磨精度,确保阀门及其各组件的装配精度,使阀门的密封等级达到Ⅵ级要求。
通过上述技术改造,三球阀阀门的运行情况得到了保障,现在投用的9台三通阀都能满足生产需求,对提升产量和稳定生产起到至关重要的作用。
3 结语
通过对聚合工段所使用阀门故障的分析,由最初的阀座更换、重新压填料,到后来的阀门更换(由浮动式更改为固定式,双阀座更改为四阀座),一年来,陕西北元二分公司生产系统运行稳定,经过改造后的阀门再未出现过之前的频繁检修问题,不仅减少了维护人员的劳动强度,而且稳定了生产,带来了可观的经济效益。