旋塞閥內(nèi)襯剝落腐蝕的分析與處理
分析了普通型PTFE內(nèi)襯旋塞閥在醋酸系統(tǒng)合成反應(yīng)釜自循環(huán)管線上應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)內(nèi)襯損壞的原因，介紹了T475材料的性能和特點(diǎn)，論述了采用T475替代原有的普通型PTFE內(nèi)襯和改變旋塞閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。
1、概述
在30萬噸醋酸生產(chǎn)裝置的合成反應(yīng)釜自循環(huán)管線上對(duì)溫度有著嚴(yán)格的要求。為了能夠達(dá)到應(yīng)有的運(yùn)行效果，此循環(huán)管線一般溫度控制在185~195℃，壓力控制在218~410MPa。此管線上大部分采用普通型PTFE內(nèi)襯的旋塞閥，在系統(tǒng)運(yùn)行2~3個(gè)月停車檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥門無法關(guān)緊，不能進(jìn)行應(yīng)有的工藝處理。查看原因主要是由于旋塞閥內(nèi)襯均有不用程度的脫落，更嚴(yán)重的有撕裂現(xiàn)象。
2、故障分析
(1)冷流導(dǎo)致內(nèi)襯脫落
在常溫下，塑料、橡膠和金屬等固體在負(fù)荷下發(fā)生變形，去掉負(fù)荷后不能恢復(fù)原形的變形現(xiàn)象稱之為冷流。冷流現(xiàn)象在內(nèi)襯旋塞閥中普遍存在，尤其是在醋酸工藝條件下使用的特殊內(nèi)襯旋塞閥。由于特殊閥門訂貨周期較長，一般在基礎(chǔ)建設(shè)前期進(jìn)行采購，有時(shí)會(huì)存放半年，當(dāng)閥門安裝于系統(tǒng)上時(shí)，可能由于存放原因?qū)е聝?nèi)襯受力，當(dāng)應(yīng)力取消時(shí)，又無法回到原有的理想狀態(tài)，造成變形。對(duì)此現(xiàn)象解決方法一方面是注意閥門存儲(chǔ)時(shí)保持內(nèi)襯材料不受任何應(yīng)力作用，保持旋塞閥流道整潔和暢通，并用非金屬材料擋板(如木板、塑料等)封閉旋塞閥的進(jìn)出口，使其形成一密閉的環(huán)境。另一方面要求對(duì)旋塞閥進(jìn)行全開式存放，也就是使旋塞、內(nèi)襯和閥體保持緊密貼合，防止內(nèi)襯由于外力作用發(fā)生變形。
(2)操作不穩(wěn)導(dǎo)致內(nèi)襯錯(cuò)位
由于系統(tǒng)運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)開啟或關(guān)閉旋塞閥，并且用于此循環(huán)管線上的閥門尺寸為大口徑閥門(一般為8in.(200mm)或10in.(250mm))，這就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)襯和旋塞的摩擦力過大，當(dāng)操作人員在旋轉(zhuǎn)手輪時(shí)不能均勻的使旋塞受力，就有可能使旋塞和內(nèi)襯發(fā)生錯(cuò)位，導(dǎo)致高流速、大流量和高溫度液體沖刷內(nèi)襯材料，并在內(nèi)襯和閥體之間積存大量的介質(zhì)，使內(nèi)襯逐漸的從閥體上脫落。因此，在操作過程中用加長桿或F型扳手均勻用力，可以減少由于用力不均衡而導(dǎo)致的內(nèi)襯錯(cuò)位或損壞。
(3)閥門部分開啟導(dǎo)致內(nèi)襯變形
開車初期系統(tǒng)處于試車調(diào)試階段，不能立刻達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，要通過調(diào)節(jié)閥門的開度控制流量的大小。流量調(diào)節(jié)一般采用自調(diào)式截止閥。一方面數(shù)據(jù)能很直觀的反映在控制室里，有利于控制人員進(jìn)行操作。另一方面能保證系統(tǒng)調(diào)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)無人，確保人員安全。而旋塞閥主要做切斷用，不用于流量調(diào)節(jié)。但是開車初期系統(tǒng)波動(dòng)頻繁，系統(tǒng)溫度和流量如果只采用自調(diào)式截止閥控制不能起到微調(diào)的作用。所以只能是控制室和現(xiàn)場(chǎng)人員互相配合，通過調(diào)節(jié)旋塞閥開度進(jìn)行微調(diào)，這就出現(xiàn)了旋塞閥存在半開半閉的現(xiàn)象。
當(dāng)旋塞閥處于全開狀態(tài)時(shí)，旋塞和閥體完全把內(nèi)襯包裹起來，基本上不和介質(zhì)接觸。當(dāng)旋塞閥處于全關(guān)狀態(tài)時(shí)，旋塞把介質(zhì)和內(nèi)襯全部隔離，內(nèi)襯基本上也不會(huì)和介質(zhì)發(fā)生接觸。這是正確的使用旋塞閥的方法，同時(shí)也能延長閥門的使用壽命。但是受條件限制，旋塞閥經(jīng)常處于部分開啟狀態(tài)(圖1a)，工藝介質(zhì)在不斷的沖刷旋塞閥內(nèi)襯。而開車初期系統(tǒng)處于不穩(wěn)定階段，溫度、壓力和流量等不斷的變化，使內(nèi)襯受到無規(guī)律的交變應(yīng)力。普通型PTFE內(nèi)襯為軟材料，受到交變應(yīng)力會(huì)發(fā)生變形，影響其使用壽命。隨著旋塞閥使用時(shí)間的加長，閥門入口處內(nèi)襯因介質(zhì)沖刷變形與閥體脫離(圖1b)。
1.旋塞 2.閥體 3.內(nèi)襯
(a)旋塞閥部分開啟 (b)內(nèi)襯脫落
圖1 閥門工作狀態(tài)
(4)內(nèi)襯受熱膨脹導(dǎo)致旋塞旋轉(zhuǎn)時(shí)剪切脫落
PTFE晶體在19℃和30℃時(shí)存在2個(gè)可逆轉(zhuǎn)變。第一個(gè)轉(zhuǎn)變是PTFE晶體由三斜晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄�，體積約增加112%。第二個(gè)轉(zhuǎn)變是30℃時(shí)PTFE晶體又發(fā)生結(jié)晶松弛，C-C鏈螺旋變成無規(guī)則纏繞，30℃時(shí)的體積變化約為19℃時(shí)的10%。在結(jié)晶轉(zhuǎn)變和結(jié)晶松弛過程中PTFE的體積發(fā)生明顯的變化，相應(yīng)對(duì)普通型PTFE內(nèi)襯的應(yīng)用性能產(chǎn)生一定影響。
1.旋塞 2.閥體 3.內(nèi)襯
(a)內(nèi)襯受熱膨脹(b)內(nèi)襯邊緣受剪切
圖2 內(nèi)襯在熱態(tài)下工作
由于旋塞閥的工作溫度超過了19℃和30℃這兩個(gè)溫度膨脹點(diǎn)，所以當(dāng)旋塞閥處于正常工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生熱膨脹變形(圖2a)。當(dāng)關(guān)閉閥門時(shí)，旋塞會(huì)和內(nèi)襯形成一定的剪切力造成內(nèi)襯變形。隨著旋塞的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，過大的剪切力很可能把邊緣的內(nèi)襯材料從旋塞閥中剪切掉(圖2b)，這也是導(dǎo)致旋塞閥內(nèi)漏的一個(gè)重要原因。
(5)溫度升高導(dǎo)致PTFE性能下降
PTFE材料的拉伸強(qiáng)度隨溫度的升高逐步降低，大約以100℃為拐點(diǎn)。在溫度小于100℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度的變化梯度較溫度高于100℃時(shí)的變化梯度大(圖3a)。PTFE材料的極限名義應(yīng)變?yōu)闇囟鹊倪f增凸函數(shù)。極限名義應(yīng)變的變化，大約以25℃為界。當(dāng)溫度小于25℃時(shí)極限名義應(yīng)變隨溫度升高而線性增長。當(dāng)溫度大于25℃時(shí)，極限名義應(yīng)變幾乎不受溫度影響。這說明低溫時(shí)PTFE材料的延伸率低，強(qiáng)度高，高溫時(shí)延伸率高，強(qiáng)度低(圖3b)。PTFE材料的彈性模量隨溫度的升高而降低。主要是隨著溫度的逐漸升高，分子間的結(jié)合力逐漸減弱的緣故(圖3c)。
(a)溫度-拉伸強(qiáng)度變化
(b)溫度-極限名義應(yīng)變的變化
(c)溫度-彈性模量的變化
圖3 PTFE性能
3、解決方法
由于旋塞閥的保管、操作和普通型PTFE內(nèi)襯的固有特性等導(dǎo)致旋塞閥內(nèi)襯變形和脫落，所以從材料選擇和結(jié)構(gòu)改進(jìn)兩方面解決存在的問題。
(a)溫度-壓力變化(b)冷流特性
(c)壓力-變形系數(shù)(在100e，不同的壓力等級(jí)下工作100小時(shí))(d)壓力-位移變化
圖4 T475與PTFE性能分析
(1)材料選擇
采用T475材料取代普通型PTFE內(nèi)襯。T475內(nèi)襯性能較好(圖4)，例如在300磅級(jí)壓力下，在正常溫度控制范圍內(nèi)，普通型PTFE的性能下降很快，而T475在相同的工作條件下沒有明顯的性能下降(圖4a)。在15N/mm2壓力等級(jí)和23e的溫度條件下，操作100h，普通型PTFE的冷流現(xiàn)象明顯。而T475抗冷流效果比PTFE優(yōu)越2~3倍(圖4b)。在任何溫度下PTFE都會(huì)有粘滯性和彈性，所以會(huì)發(fā)生流動(dòng)和蠕動(dòng)現(xiàn)象。T475在承載負(fù)荷時(shí)發(fā)生的蠕變與變形極小，因?yàn)槠湮⒂^結(jié)構(gòu)是由改進(jìn)的非晶相及鏈狀分枝組成的。并且在承載負(fù)荷條件下的變形與含有25%碳的PTFE相似(圖4c)。溫度升到150e時(shí)，兩種材料附加測(cè)試得出的結(jié)果相似。雖然填充了碳或玻璃纖維的PTFE可以抗變形，但是密封性能下降，同時(shí)降低了純度。填充物對(duì)介質(zhì)撞擊更加敏感，這也會(huì)使密封性下降。T475不僅抗變形，而且密封特性、抗介質(zhì)撞擊及純度都得到了改善。拉伸載荷位移比較表明，T475比PTFE更耐應(yīng)力龜裂(圖4d)。T475比PTFE的表面光滑，光滑的表面提高了密封性和潤滑性，降低了摩擦力和扭矩等。
(2)結(jié)構(gòu)改進(jìn)
為了減少熱膨脹和介質(zhì)沖刷等因素對(duì)內(nèi)襯損壞的影響，對(duì)其閥體和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)(圖5)。
1.旋塞 2.閥體 3.內(nèi)襯
圖5 閥體結(jié)構(gòu)改進(jìn)
由于旋塞和內(nèi)襯的摩擦力過大，當(dāng)閥門開關(guān)時(shí)，內(nèi)襯和閥體之間發(fā)生一定的位移，而新的閥體結(jié)構(gòu)阻止了內(nèi)襯材料發(fā)生錯(cuò)位，減小了對(duì)內(nèi)襯的損害。為了消除內(nèi)襯材料的熱膨脹影響，在旋塞閥鑄造成型時(shí)留有空腔，使內(nèi)襯材料受熱膨脹部分不會(huì)出現(xiàn)在流道口，避免了介質(zhì)的沖刷。
4、結(jié)語
T475材料對(duì)普通型PTFE所出現(xiàn)的冷流、摩擦力過大、溫度的頻繁波動(dòng)和熱膨脹對(duì)內(nèi)襯的影響都有很好的預(yù)防效果。通過對(duì)閥體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改善了內(nèi)襯材料的特性，提高了閥門的使用壽命。
