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山东联合阀门醋酸装置特材旋塞阀的应用与维修
时间:2012-12-11 9:38:56 阅读次数:527

山东联合阀门醋酸装置特材旋塞阀的应用与维修 

1 前言
        醋酸是一种非常重要的有机酸,是染料、制药、纤维、农药以及其他有机合成的重要原料。近十年,国内化工企业打破国外技术垄断,先后利用自主工艺(甲醇羰基合成醋酸)建成了年产百万余吨的醋酸生产能力,但由于甲醇羰基合成醋酸工艺的合成工段为130~185℃的醋酸、碘、甲烷及催化剂铑等混合介质;由于介质的特殊性,其装置的设备均由特种合金材料制造。目前国内醋酸生产装置的接触高温工艺介质的旋塞阀多为锆702C、锆705C合金,且大多为进口品牌,如福斯、苏莫斯、AZ、弗洛赛尔的产品。近几年国内特材阀门制造发展迅速,比较知名的有西安泵阀、辽宁石化、浙江维都利等厂家。
        由于醋酸装置工艺介质腐蚀性很强,装置开停车时温差变化较大,装置上旋塞阀频繁出现内漏和外漏问题。导致国内醋酸装置特材旋塞阀的维修、更换量很大,长期依赖国外公司提供维修服务,不但时间上没有保障且费用特别昂贵。目前国内的特材旋塞阀生产厂家已有能力生产整阀,也有能力利用国外进口阀体进行维修改造。
        本文对华鲁恒升集团醋酸装置中的特材旋塞阀的修复作了较为深入的探讨,可为其他同行提供参考。
        2 旋塞阀的泄露及泄露原因分析
        旋塞阀按结构形式可分为七大类(不再详细介绍),对于以醋酸为基的介质,国内装置大都采用材质为Zr702、Zr705的聚四氟乙烯(PTFE)套筒密封圆锥形旋塞阀[1]。

        旋塞阀主要由衬套及旋塞密封、顶部密封两部分关键密封来组成。而衬套(见图2)起到了关键密封的作用。当衬套损坏后,顶部密封就不可避免地产生一定量的泄露。
        顶部密封主要由PTFE环及金属密封环、楔形条等构成压力密封系统。内部压力越大,密封越严密。并由压盖螺栓来调节与限制旋塞的上下移动。见图3。

        常见的衬套损坏或失效有以下原因。
        (1)当流体介质含有固体颗粒杂质时,轻微的颗粒渗入到衬套内,会导致衬套磨损起边,旋塞在开关过程中切割衬套并产生极大摩擦力带动衬套旋转并撕裂衬套,导致泄露。
        (2)对于目前大部分旋塞阀的结构来说,其旋塞下部是不固定的,当阀关闭时,阀闭前的压力差很大,旋塞两侧长期处于高压力差的状态,容易造成旋塞的偏移(见图4)。这时开启阀门时,阀门内上游侧的衬套被高压带动离开阀体暴露在管道内,随着旋塞的转动将突出的衬套撕裂。
        (3)旋塞没有开关到位,或作为调节阀使用时。当旋塞开在中间某一位置,因为衬套PTFE与Zr锆材的热线性膨胀系数相差10倍,导致裸露出来的PTFE会高于旋塞口,长时间就会产生一道痕迹。
        旋塞开关时会带动PTFE一同转动并将PTFE衬套撕裂。见图5。
        (4)当介质温度压力波动过大。当系统遇到紧急停车状况(特别是在温度快速降低),由于PTFE比Zr锆材收缩变形快[2](两者热线性膨胀系数相差10倍),使得衬里环抱在旋塞上面,导致衬里与阀体之间产生空隙,介质随即流入定密封处,由于顶部密封属于压力倒密封结构,当压力降低时,压力密封失效,从而产生泄漏。
        3 旋塞阀维修方案

        我公司醋酸装置在紧急停车时,装置内XOMOX旋塞阀多台出现内漏及外漏情况,致使关键泵不能切断,不仅对现场操作人员构成危险,且对现场环境造成污染。
        在检修完成将泄露阀门替换后,我公司与浙江维都利阀门制造有限公司技术人员经过讨论,对阀门进行解体,发现目前我装置内进口阀门普遍具有如下结构特点:
        ①旋塞和填料共用调节螺栓;
        ②旋塞下部与阀体的配合处于浮动状态:阀门的结构比较简单,一旦阀门遭遇高温、高压工况时,导致非金属材料有较大的变形,容易引起阀门的泄露。
        通过对进口阀门结构进行分析,结合我醋酸装置的工况特点与维都利公司的维修能力,确定了以下维修方案。
        (1)更换旋塞阀所有易损件,包括阀座、密封膜片、金属环等,其中阀座、膜片材质均更换为PFA基复合物。因为PFA基复合物与PTFE相比,PFA基复合物适用的温度范围更大(-200~260℃),且拥有更优秀的抗冷流性能及自润滑性能,在抗变形能力上也优于增强PTFE见图6。PFA的优良性能已经在国内厂家成品阀门上得到了实际应用,且其优良的使用效果也得到了验证,所以这次对进口阀门的维修,用PFA对PTFE进行替代。
        PFA基复合物与PTFE或增强PTFE相比另一个突出优点是材料的表面光滑,自润滑能力强。PFA基复合物的摩擦系数比PTFE低10%~30%,低摩擦系数带来低扭矩,不仅可以减少在阀门执行机构上的投入,也可大大降低阀门衬套的磨损,延长阀门的使用寿命。
        (2)目前装置上进口旋塞阀的密封结构比较简单,在衬套出现泄露时,单靠上部膜片很难保证阀门不出现外漏情况。在维修时,改变其上密封结构,在阀杆上增加一处填料箱,使用增强PTFE作为填料,可以在阀门单靠调节旋塞不能阻止其外漏时发挥密封作用。
        (3)利用浙江维都利公司新型专利(耐严酷工况固定式旋塞阀专利号:ZL200920201533.0),在保证不削弱阀体强度的情况下,将阀体进行改动,整改为旋塞固定式旋塞阀。可保证阀门在长期关闭时两侧压力差过大,也会保证旋塞不发生偏移,在开关操作中与衬套实现较好配合,不刮伤衬套,实现阀门的有效密封。

        (4)填料箱及旋塞调节压板连接螺栓用碟簧加载,以防止管道压力和温度异常变化,人工来不及调节,碟簧加载可实现自动补偿密封的功能,时时保护衬套及填料的密封。
        我方维修方案可对装置上进口旋塞阀进行修复,且通过改变其上部密封结构,增加一处阀杆填料箱密封,可有效地防止异常或紧急情况下的阀门外漏,对现场操作人员、现场环境的安全性提供了更有力的保障。
        4 旋塞阀的存放和使用
        旋塞阀泄露的原因比较多,除了阀门固有的结构决定其使用周期外,对阀门的存放及使用的不当,也会造成阀门性能的下降,甚至对阀门的破坏。
        我们在存放、使用特材旋塞阀时,应注意以下问题:
        ①阀门应存放于干燥、干净的环境中,应用随阀供应的法兰保护罩保护法兰。阀体应水平放置,使旋塞垂直于地面;长期不用的阀门,每隔1~2月,进行2~3次开关操作;阀门存放时将阀位处于全开,位置以旋塞实际位置为准。
        ②阀门在线使用时,尽量避免长时间处于半开的位置,也尽量避免装置温度、压力变化过快,这容易使阀门密封失效,出现泄露情况。当阀门出现外漏情况时,可进行以下调节:将旋塞处于全开位置,将所有阀盖调节螺母按顺时针方向各旋紧1/4~1/2转,然后将阀门进行一次开关操作,使旋塞就位;观察阀门是否密封,若还不密封,重复上述操作。但不可过多的调节螺母,这样会使阀门的断裂扭矩大大提高。
        此办法也可用于预防阀门外漏的操作,当遇到装置的开停车阶段,温度和压力变化较大时,将调节螺栓随着温度的变化进行拧紧或松动调整(温度每升高或降低60℃就将调节螺栓松动或拧紧3/4圈),这样调节可以缓解旋塞及衬套随着温度的变化而产生的体积变形,消除热应力,机械地调整它们的配合状态。可有效地防止阀门外漏。
        ③阀门在维修时可在调节螺栓处增加蝶形弹簧或在旋塞轴上增加弹簧负载装置,这两种结构均可很好地抵消温度变化时的热应力,保持有效的密封。但也需要定期地对旋塞螺栓进行调节,因为不管是PTFE还是PFA衬套,都会随着使用而产生冷流变形,旋塞会下降,需要将旋塞向下调整。
        五 结语
        特材旋塞阀在醋酸、醋酐生产装置作用非常重要,价格也比较昂贵。一旦发生泄露的情况,不仅会对生产造成影响,更有可能引发环境事故。所以合理的使用、维修这些阀门具有非常重要的意义,目前国内阀门厂已完全有能力承担这一职责,对使用单位来说,不仅节约了维修成本,在新阀采购中也都趋于国产化,已与国内特材阀门生产单位形成一个双赢的局面。