聚烯烴裝置產(chǎn)品排料閥的特性及長(zhǎng)周期運(yùn)行的對(duì)策
1、前言
隨著各種新的工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝技術(shù)進(jìn)步，聚丙烯和聚乙烯等聚烯烴裝置的單套生產(chǎn)能力越來(lái)越大，生產(chǎn)企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)也愈來(lái)愈激烈，生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行不僅能降低生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，更能保證裝置的安全和穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行。聚丙烯和聚乙烯等聚烯烴裝置在大型乙烯石化企業(yè)中屬于主體裝置，由于其工藝由氣相原料反應(yīng)生產(chǎn)固體聚合物的過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)周期生產(chǎn)的難度也更大，其中影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要因素之一就是產(chǎn)品排料系統(tǒng)的排料閥是否可靠。
國(guó)內(nèi)外大量采用UNIVATION工藝的聚烯烴裝置，該工藝將氣相聚乙烯(或聚丙烯)在流化床反應(yīng)器中，在催化劑作用下反應(yīng)生成粉狀的聚乙烯(或聚丙烯)，當(dāng)粉狀的產(chǎn)品在反應(yīng)器床層堆積一定量時(shí)，自動(dòng)控制產(chǎn)品排料系統(tǒng)(ProductsDischargeSystem)即PDS系統(tǒng)排料，所以產(chǎn)品排料閥也稱(chēng)PDS閥，一般反應(yīng)系統(tǒng)配帶二套PDS系統(tǒng)，見(jiàn)下圖。
1#PDS系統(tǒng)和2#PDS系統(tǒng)是對(duì)稱(chēng)配置的，分別帶有AA、GG、A、B、C、D、E、G、H、J、L、M、P(含P1，P2，P3)等PDS閥，其中PDS閥X和W是兩條PDS系統(tǒng)公用的平衡閥。其中AA閥和GG閥為手動(dòng)操作閥，其它閥門(mén)全部是自動(dòng)控制的氣動(dòng)球閥。新版的UNIVATION工藝包強(qiáng)制要求A閥、B閥、D閥、X閥和W閥為金屬密封閥，其它PDS閥門(mén)可以使用軟密封閥。
位于中央控制室的DCS控制系統(tǒng)或獨(dú)立的PLC系統(tǒng)控制PDS系統(tǒng)的閥門(mén)按順序動(dòng)作，即當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的聚合物粉料生成一定的量時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)PDS系統(tǒng)排料，PDS閥門(mén)按邏輯順序動(dòng)作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的排放。當(dāng)PDS系統(tǒng)中的任何一個(gè)閥門(mén)動(dòng)作不到位或故障，該P(yáng)DS系統(tǒng)將無(wú)法正常操作。
2、PDS閥門(mén)面臨的挑戰(zhàn)
由于工藝技術(shù)的特點(diǎn)和要求，PDS閥門(mén)面臨如下挑戰(zhàn)：
1)極高的動(dòng)作頻率和循環(huán)次數(shù)。閥門(mén)由PDS控制系統(tǒng)控制每年動(dòng)作次數(shù)約50萬(wàn)次，頻繁的動(dòng)作對(duì)閥門(mén)及所有附件需要極高的可靠性。
2)大量聚合產(chǎn)品顆粒，對(duì)閥門(mén)密封面的極度磨損。反應(yīng)生成的粉狀顆粒產(chǎn)品，在催化劑的活性下，顆粒的硬度大且容易自聚，高頻次的動(dòng)作對(duì)閥門(mén)的密封面帶來(lái)極度磨損。帶有自聚特性的聚乙烯顆粒，停留在閥內(nèi)縫隙內(nèi)會(huì)自聚越來(lái)越大，影響閥門(mén)動(dòng)作而最終可能抱死閥門(mén)，同時(shí)對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行器也帶來(lái)?yè)p害。因此，要求閥門(mén)在結(jié)構(gòu)上具有自清潔功能，避免卡澀，同時(shí)對(duì)顆粒工況能耐磨，確保長(zhǎng)周期運(yùn)行下的高性能。
3)苛刻的密封等級(jí)。工藝要求閥門(mén)的密封等級(jí)越高越好，特別是硬密封的閥門(mén)也要求VI級(jí)密封。
4)高壓差，沖刷嚴(yán)重。PDS閥在排料時(shí)，高壓差下帶顆粒產(chǎn)品對(duì)閥門(mén)的沖刷相當(dāng)嚴(yán)重。
5)適應(yīng)聚合反應(yīng)的溫差變化。特別是生產(chǎn)聚丙烯的裝置，在緊急事故情況下，丙烯在高壓時(shí)會(huì)形成低溫，要求閥門(mén)適應(yīng)低溫到-45度。
6)閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)快速動(dòng)作。要求6”口徑及以下的閥門(mén)，開(kāi)關(guān)時(shí)間在1.5秒內(nèi)，6”口徑以上的閥門(mén)，開(kāi)關(guān)時(shí)間在2.5秒內(nèi)。這樣可以在排料時(shí)減少對(duì)流化床反應(yīng)的影響。
3、ARGUS的PDS閥門(mén)的技術(shù)特點(diǎn)
德國(guó)ARGUS是一個(gè)專(zhuān)業(yè)從事特種耐磨球閥生產(chǎn)的企業(yè)，它在1980年開(kāi)始與UNIVATION工藝開(kāi)發(fā)PDS球閥，目前該工藝上絕大多數(shù)裝置均采用它的PDS閥門(mén)，其卓越的性能和優(yōu)異的品質(zhì)，贏得市場(chǎng)和廣大用戶(hù)的認(rèn)同。其主要的技術(shù)特點(diǎn)如下：
1)特殊球面設(shè)計(jì)AA和GG閥。AA閥和GG閥盡管是手動(dòng)閥，只有在PDS系統(tǒng)需要停車(chē)檢修時(shí)才關(guān)斷它們。在閥關(guān)閉時(shí)，閥球面與反應(yīng)器的內(nèi)壁面完全配合，不存在任何空隙，這樣可以避免聚合物自聚賭塞或抱死閥門(mén)。當(dāng)然，它們的密封等級(jí)是零泄漏，避免在線(xiàn)檢修PDS系統(tǒng)時(shí)安全隱患。
2)全部采用鍛造工藝，使閥門(mén)在高頻次動(dòng)作下有更好的強(qiáng)度。閥體的材料選用LF2，能夠使用在極端工況下-45度的工藝要求。
3)采用固定球設(shè)計(jì)。閥球上設(shè)計(jì)軸耳與軸瓦的精密配合，使閥門(mén)在高頻次動(dòng)作下有更好的穩(wěn)定性。特殊閥桿設(shè)計(jì)保證閥桿高頻率動(dòng)作下嚴(yán)格對(duì)中，使閥門(mén)扭矩保持長(zhǎng)期均勻性，特殊的閥桿密封設(shè)計(jì)確保外泄漏符合EPA/TA-Luft標(biāo)準(zhǔn)。
4)閥的內(nèi)表面采用鏡面級(jí)拋光加工工藝，確保閥內(nèi)腔不留任何死區(qū)從而導(dǎo)致聚合產(chǎn)品的自聚。
5)閥座采用特有專(zhuān)利設(shè)計(jì)的燕尾型刮刀式設(shè)計(jì)，使閥門(mén)在開(kāi)關(guān)時(shí)將大量聚合物顆粒清除在外而不帶入到密封面內(nèi)，從而達(dá)到自清潔的功能。
6)軟閥座采用專(zhuān)利技術(shù)的LYTON材料，它是一種改性的PEEK材料，具有接近普通金屬的硬度，并且耐磨性好，具有自潤(rùn)滑性能，使用壽命長(zhǎng)。
7)金屬閥座和閥球的表面硬化處理，采用專(zhuān)利的ARGULOG硬化處理技術(shù)，即高溫等離子噴涂和熱熔處理技術(shù)，使閥座的表面硬度達(dá)到68HRC，閥球的表面硬度達(dá)到63HRC，硬化層厚度達(dá)到500mm以上，并且硬化層與基材通過(guò)形成的過(guò)渡層并有機(jī)結(jié)合成一體，避免長(zhǎng)周期運(yùn)行中的硬化層脫層，精密的加工與研磨技術(shù)，確保嚴(yán)格的金屬密封等級(jí)在VI級(jí)以上。
8)采用扇型氣缸。扇型的氣缸具有輸出扭矩大、只有一個(gè)移動(dòng)部件、組裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其動(dòng)作次數(shù)能確保四百萬(wàn)次以上，滿(mǎn)足長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要。
4、PDS閥門(mén)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性
PDS閥門(mén)的可靠性對(duì)裝置的生產(chǎn)非常重要，不僅關(guān)系到裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，還直接關(guān)系到裝置的經(jīng)濟(jì)效益。
以年產(chǎn)30萬(wàn)噸的裝置為例，按年運(yùn)行8000小時(shí)計(jì)算，平均產(chǎn)量37.5噸/小時(shí)，一般一個(gè)反應(yīng)器配置兩套PDS系統(tǒng)，任何一條PDS系統(tǒng)的閥門(mén)泄漏或故障時(shí)需要停該P(yáng)DS系統(tǒng)檢修，此時(shí)裝置需要先降負(fù)荷，一般操作降量在40%左右，直接造成裝置減產(chǎn)量為：37.5噸/小時(shí)*40%，即15噸/小時(shí)，同時(shí)閥門(mén)的檢修及PDS產(chǎn)品罐清掃檢修平均按24小時(shí)計(jì)算，產(chǎn)品價(jià)格按1萬(wàn)元/噸計(jì)算，因某個(gè)PDS閥門(mén)故障造成裝置直接經(jīng)濟(jì)損失：15噸/小時(shí)*24小時(shí)*1萬(wàn)元/噸，約360萬(wàn)元，這還未包括裝置的能耗損失及閥門(mén)備件費(fèi)和檢修費(fèi)用。
要是二條PDS系統(tǒng)中同時(shí)各出現(xiàn)一個(gè)PDS閥門(mén)故障，此時(shí)裝置需要注入終止劑，裝置停產(chǎn)的損失更大，對(duì)裝置的生產(chǎn)安全的威脅也更大。
根據(jù)上面技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性來(lái)評(píng)估PDS閥門(mén)的價(jià)值;PDS閥每一次故障的直接經(jīng)濟(jì)損失，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閥門(mén)的自身價(jià)值，同時(shí)對(duì)裝置安穩(wěn)生產(chǎn)帶來(lái)重大的影響。
5、國(guó)內(nèi)PDS閥門(mén)的使用狀況
國(guó)內(nèi)早期引進(jìn)的聚丙烯裝置以環(huán)管反應(yīng)工藝為多，該工藝的PDS閥由于動(dòng)作頻次相對(duì)不是太高，一般采用相對(duì)便宜的柱塞閥。早期引進(jìn)的聚乙烯裝置以UNIVATION流化床工藝為多，特別最近幾年，也引進(jìn)了大型聚丙烯UNIVATION流化床工藝裝置。
這些引進(jìn)工藝裝置上基本都采用德國(guó)ARGUS的PDS閥門(mén)，都能滿(mǎn)足連續(xù)運(yùn)行的需要，早期的PDS閥門(mén)全部采用的LYTON的軟閥座，氣動(dòng)執(zhí)行器采用齒條齒桿結(jié)構(gòu)的氣缸。后期引進(jìn)的UNIVATION流化床工藝及國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的流化床工藝裝置，裝置的規(guī)模也越來(lái)越大，產(chǎn)品的牌號(hào)也越來(lái)越多，如聚乙烯裝置產(chǎn)品的密度范圍從低密度到高密度全系列，特別在采用淤漿催化劑時(shí)，催化劑活性更大，反應(yīng)生成的聚合物顆粒更容易產(chǎn)生自聚，即自聚能力更強(qiáng)，顆粒硬度更大，同時(shí)由于裝置的產(chǎn)能大而PDS閥門(mén)動(dòng)作更頻繁，因此對(duì)PDS閥門(mén)的要求更加苛刻。新建的裝置大多采用德國(guó)ARGUS的PDS閥門(mén)，全部采用金屬密封，同時(shí)氣動(dòng)執(zhí)行器采用扇形氣缸，提高配置以滿(mǎn)足更長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要。
隨著市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，PDS閥門(mén)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，在國(guó)內(nèi)某大型石化企業(yè)引進(jìn)了二條UNIVATION工藝的生產(chǎn)線(xiàn)，一條線(xiàn)生產(chǎn)低密度聚乙烯，一條線(xiàn)生產(chǎn)高密度聚乙烯，二條生產(chǎn)線(xiàn)都采用比德國(guó)ARGUS便宜40%的其它品牌的PDS閥。投產(chǎn)不到二個(gè)月，高密度裝置的PDS閥先后出現(xiàn)問(wèn)題，主要是閥門(mén)卡死和泄漏，賭塞PDS系統(tǒng)罐和AA、GG閥管道，每次需要裝置停車(chē)清理。平均每個(gè)月裝置停車(chē)二次，運(yùn)行一年以來(lái)，高密度裝置的平均負(fù)荷率僅40%，導(dǎo)致裝置能耗特別高。為了滿(mǎn)足全廠(chǎng)乙烯平衡的需要，生產(chǎn)低密度聚乙烯的生產(chǎn)線(xiàn)幾乎不切換牌號(hào)，擔(dān)心切換牌號(hào)造成PDS閥不適應(yīng)而影響全廠(chǎng)的乙烯平衡。該P(yáng)DS閥門(mén)的國(guó)外廠(chǎng)家，先后多次派專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)修改結(jié)構(gòu)，包括采用閥門(mén)加N2反吹(增加裝置能耗和成本)和修改閥門(mén)結(jié)構(gòu)，依然沒(méi)有解決問(wèn)題。
6、長(zhǎng)周期運(yùn)行的對(duì)策
隨著裝置的生產(chǎn)規(guī)模增大，且需要頻繁切換牌號(hào)以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，因此，對(duì)PDS閥門(mén)的要求越來(lái)越高，新建裝置在PDS閥門(mén)的選擇時(shí)需要慎重并做好調(diào)研，選用可靠的品牌。
如果是早期的工藝裝置，PDS閥門(mén)采用的是軟密封和齒條齒桿結(jié)構(gòu)的氣缸，由于裝置擴(kuò)能或采用淤漿催化劑或裝置切換牌號(hào)頻繁，建議將PDS閥門(mén)升級(jí)為金屬密封，并將氣缸升級(jí)為扇形氣缸，以適應(yīng)長(zhǎng)周期生產(chǎn)的需要。
充足的備件。由于PDS閥門(mén)的重要性，又屬于特種閥門(mén)，一般供貨周期長(zhǎng)，在日常生產(chǎn)中，一定要有充足的備件。為了減少庫(kù)存又能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，建議每種尺寸的閥體備用一臺(tái)，每種類(lèi)型的氣缸備用一個(gè)，備用單條PDS線(xiàn)的全部閥門(mén)的維修包各一套。生產(chǎn)中某個(gè)PDS閥門(mén)故障，可以先將備用的閥體更換上盡快恢復(fù)生產(chǎn)，將下線(xiàn)的故障閥用備用的維修包將其維修好并處于備用狀態(tài)，同時(shí)補(bǔ)充消耗的備件。
把好維修質(zhì)量關(guān)。在PDS閥門(mén)的解體維修時(shí)，一定要嚴(yán)格按照廠(chǎng)家的要求維修，提高維修質(zhì)量。特別注意的是，在閥體與氣缸的裝配時(shí)，一定要將上閥蓋上的對(duì)中孔與氣缸支架上的對(duì)中孔嚴(yán)格對(duì)中好，這樣可大幅提高閥門(mén)的性能和壽命。
做好維修記錄。每次PDS閥門(mén)的檢修，做好記錄，保括維修下線(xiàn)日期，維修內(nèi)容，閥門(mén)的狀況。對(duì)每臺(tái)PDS閥門(mén)的運(yùn)行狀況做到心中有數(shù)。
定期現(xiàn)場(chǎng)巡檢。定期現(xiàn)場(chǎng)巡檢，發(fā)現(xiàn)PDS閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間明顯延緩，或動(dòng)作出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，即提前切換出來(lái)更換維修。
易損附件定期更換。對(duì)于易損的附件，如過(guò)濾減壓器，氣控先導(dǎo)閥，電磁閥及閥位開(kāi)關(guān)等，每個(gè)大修周期定期更換。要注意的是附件更換最好用回原來(lái)的型號(hào)，因?yàn)樵陂y門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，氣路各附件的CV值都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算。
7、PDS閥門(mén)的發(fā)展趨勢(shì)
近年市場(chǎng)推出新的聚丙烯和各種聚乙烯工藝技術(shù)，其特點(diǎn)反應(yīng)的壓力高，裝置的生產(chǎn)能力越來(lái)越大，PDS閥門(mén)的動(dòng)作頻次越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)某套LUMMUS工藝聚丙烯裝置，采用德國(guó)ARGUS的PDS閥門(mén)每年動(dòng)作的頻次達(dá)到160萬(wàn)次，由于超高頻率的高速動(dòng)作，其要求遠(yuǎn)高于UNIVATION工藝技術(shù)的PDS閥，特別是閥蓋及閥桿的密封圈，都要采用特種耐磨的材料，以避免高速動(dòng)作對(duì)閥蓋及桿的磨損，而影響閥門(mén)的使用壽命。對(duì)于此類(lèi)PDS閥門(mén)，強(qiáng)烈建議在裝置大檢修期將PDS閥門(mén)的軟密封進(jìn)行更換。
隨著新的工藝技術(shù)發(fā)展，PDS閥門(mén)也跟隨發(fā)展，以適應(yīng)和滿(mǎn)足工藝技術(shù)的要求，在生產(chǎn)中對(duì)PDS閥門(mén)的日常維護(hù)和維修及管理也要適應(yīng)新的技術(shù)需要，從而為裝置安全長(zhǎng)周期運(yùn)行提供保駕護(hù)航。
