乙酸閥門(mén)內襯的損害分析及處理
在某300kt/a乙酸裝置中，合成反應釜自循環(huán)管線(xiàn)上所采用的普通型PTFE(聚四氟乙烯)內襯旋塞閥經(jīng)常出現內襯損壞的情況，經(jīng)分析主要原因是冷流現象導致內襯脫落，現場(chǎng)操作導致內襯錯位，閥門(mén)半開(kāi)半閉導致內襯變形，內襯熱膨脹導致閥芯旋轉時(shí)剪切脫落，溫度升高導致PTFE力學(xué)性能下降。通過(guò)采用T475材質(zhì)來(lái)取代原有的普通型PTFE內襯，并改變旋塞閥的內部結構，使旋塞閥內襯損壞的問(wèn)題得到解決，取得了較好的結果。
乙酸作為重要的化工中間體產(chǎn)品，有著(zhù)廣泛的應用，其衍生物有數百種之多。乙酸下游產(chǎn)品纖維、涂料、黏合劑等產(chǎn)業(yè)的不斷增長(cháng)和乙酸下游產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)力度的不斷加大為中國乙酸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的背景環(huán)境和機遇。
兗礦國泰化工有限公司已從建廠(chǎng)初期的1套200kt/a的乙酸裝置擴產(chǎn)為300kt/a，并新建了第2套300kt/a產(chǎn)能的乙酸裝置。由于二期裝置在催化劑的選用與合成循環(huán)量的大小方面與一期有著(zhù)根本的區別，因此在工藝操作上存在著(zhù)很大的不同，尤其是在合成反應釜自循環(huán)管線(xiàn)上有著(zhù)嚴格的溫度要求。為能達到應有的運行效果，該循環(huán)管線(xiàn)溫度一般控制在185~195℃之間，壓力等級在2.8~4.0MPa之間。但在該管線(xiàn)上大部分采用的是內襯普通型PTFE(聚四氟乙烯)材質(zhì)的旋塞閥，在系統運行2~3個(gè)月時(shí)間進(jìn)行停車(chē)檢修時(shí)，發(fā)現閥門(mén)無(wú)法關(guān)緊，不能進(jìn)行應有的工藝處理。檢查發(fā)現旋塞閥內襯有不同程度的脫落，更嚴重者有撕裂現象發(fā)生。為保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，對此問(wèn)題進(jìn)行了分析與處理。
1、旋塞閥內襯變形和脫落的原因分析
1.1、冷流現象導致內襯脫落
在常溫下，塑料、橡膠、金屬等固體在負荷下發(fā)生形變，去掉負荷后不能恢復原形的變形現象稱(chēng)之為冷流。冷流現象在內襯旋塞閥中普遍存在，尤其是在乙酸工藝條件下使用的特材內襯旋塞閥，由于特材閥門(mén)訂貨周期較長(cháng)，有時(shí)怕影響工期，會(huì )提前半年到貨，因此當應用于系統中時(shí)，可能已在倉庫存放半年之久，這樣就有可能由于存放不善導致內襯受力，當應力取消時(shí)，又無(wú)法回到原有的理想狀態(tài)，造成形變。對該問(wèn)題的解決方法一是在保存時(shí)保持內襯材料不受任何應力作用，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)封閉好旋塞閥的進(jìn)出口，使其形成一個(gè)密閉的環(huán)境;二是要求管理員對旋塞閥進(jìn)行全開(kāi)式存放，也就是使閥芯、內襯和殼體保持緊密貼合，防止內襯因外力作用發(fā)生變形。以上2種方法基本能解決冷流現象造成的變形問(wèn)題。
1.2、現場(chǎng)操作導致內襯錯位
由于操作人員在操作過(guò)程中經(jīng)常會(huì )開(kāi)啟或關(guān)閉旋塞閥，并且用于該循環(huán)管線(xiàn)上的閥門(mén)尺寸為大口徑(一般為8d或10d)，這就導致內襯和旋塞的摩擦力過(guò)大。若操作人員在旋轉手輪時(shí)不能均勻地使旋塞受力，就有可能使旋塞和內襯發(fā)生錯位，導致高流速、大流量和高溫的液體一直沖刷內襯材料，時(shí)間一長(cháng)，內襯與殼體之間存在了大量的介質(zhì)，就會(huì )使內襯逐漸從殼體上脫落。這種現象造成的內襯脫落主要是人為因素引起的，因此，在操作過(guò)程中用加長(cháng)桿或F型扳手進(jìn)行均勻用力，以減少由于用力過(guò)猛而導致的內襯錯位或損壞現象，類(lèi)似問(wèn)題可以較容易地解決。
1.3、閥門(mén)半開(kāi)半閉導致內襯變形
當旋塞閥處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，閥芯和閥體完全將內襯包裹起來(lái)，基本上不與介質(zhì)接觸;當旋塞閥處于全關(guān)狀態(tài)時(shí)，閥芯將介質(zhì)與內襯全部隔離，內襯基本上也不會(huì )與介質(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(cháng)閥門(mén)的使用壽命。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，旋塞閥經(jīng)常處于半開(kāi)半閉狀態(tài)，如圖1(a)所示，工藝介質(zhì)不斷地沖刷旋塞閥內襯，且由于開(kāi)車(chē)初期系統處于不穩定階段，系統的溫度、壓力和流量等都在不斷的改變，使內襯受到溫度變化和無(wú)規律的交變應力。而普通型PTFE內襯為軟材料，受到交變應力會(huì )發(fā)生變形，影響其使用壽命。隨著(zhù)旋塞閥使用時(shí)間的加長(cháng)，閥門(mén)入口處內襯就會(huì )不斷地被介質(zhì)沖刷變形，發(fā)生脫落，如圖1(b)所示。
圖1 旋塞閥半開(kāi)半閉導致內襯變形
1.4、內襯熱膨脹導致閥芯旋轉時(shí)剪切脫落
PTFE晶體在19℃和30℃左右存在2個(gè)可逆轉變，第1個(gè)轉變是PTFE晶體由三斜晶系轉變?yōu)榱骄�，體積約增加1.2%;而在30℃時(shí)，PTFE晶體發(fā)生結晶松弛，C-C鏈螺旋變成無(wú)規則纏繞，體積變化約為19℃時(shí)的10%。由于在結晶轉變和結晶松弛過(guò)程中PTFE的體積發(fā)生明顯的變化，對普通型PTFE內襯的應用性能會(huì )產(chǎn)生一定影響。而旋塞閥的工作溫度大大超過(guò)了19℃和30℃這2個(gè)溫度膨脹點(diǎn)，因此當旋塞閥處于正常工作狀態(tài)下時(shí)，會(huì )發(fā)生熱膨脹變形，如圖2(a)。當關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，旋塞閥閥芯會(huì )和內襯形成一定的剪切力造成如圖2(b)所示的內襯變形。由于PTFE內襯是軟材料，隨著(zhù)閥芯的進(jìn)一步旋轉，過(guò)大的剪切力很可能把邊緣的內襯材料從旋塞閥中剪切掉，這也是導致旋塞閥內漏的一個(gè)重要原因。
圖2 內襯熱膨脹變形
1.5、溫度升高導致PTFE力學(xué)性能下降
PTFE材料的拉伸強度隨溫度的升高逐步降低，約以100℃為拐點(diǎn)。當溫度小于100℃時(shí)，拉伸強度的變化梯度較高于100℃時(shí)的變化梯度大。
PTFE材料的極限名義應變?yōu)闇囟鹊倪f增凸函數。極限名義應變的變化，大約以25℃為界。當溫度小于25℃時(shí)極限名義應變隨溫度升高而線(xiàn)性增長(cháng);當溫度大于25℃時(shí)，極限名義應變幾乎不受溫度影響。這說(shuō)明低溫時(shí)PTFE材料的延伸率低、強度大，高溫時(shí)延伸率高、強度小。
PTFE材料的彈性模量隨溫度的升高而降低。主要是隨著(zhù)溫度的逐漸升高，分子間的結合力逐漸減弱的緣故。
2、防止旋塞閥內襯損害的處理方法
由于旋塞閥的保管、現場(chǎng)工藝人員的操作和普通型PTFE內襯的固有特性等，導致旋塞閥使用過(guò)程中內襯易變形和脫落。如何在不改變現有工藝和操作的前提下，解決存在的問(wèn)題，可以從以下2個(gè)方面進(jìn)行。
2.1、采用T475材質(zhì)取代原有的普通型PTFE內襯
2.1.1、T475內襯材質(zhì)的溫度應用范圍廣
T475內襯比普通型PTFE內襯有著(zhù)更廣泛的溫度應用范圍。圖3為T(mén)475和普通型PTFE 2種內襯材質(zhì)，在旋塞閥都采用class300壓力等級下溫度和壓力的性能變化曲線(xiàn)。在旋塞閥經(jīng)常損害的管線(xiàn)上，溫度范圍在185~195℃之間，壓力等級在2.8~4.0MPa之間。由圖3可見(jiàn)，在正常溫度控制范圍內，普通型PTFE的性能曲線(xiàn)直線(xiàn)下降，而T475內襯材質(zhì)在該溫度和壓力等級下未發(fā)現明顯的性能下降趨勢。
圖3 2種內襯材質(zhì)的溫度-壓力變化曲線(xiàn)
2.1.2、T475內襯材質(zhì)能更好地減少冷流現象
圖4所示是在15N/mm2壓力等級和23℃的溫度條件下，操作100h，對比普通型PTFE和T475內襯材質(zhì)的冷流情況�？梢�(jiàn)，T475材質(zhì)抗冷流效果比PTFE優(yōu)越。
圖4 2種內襯材質(zhì)抗冷流對比
2.1.3、采用T475可以改善內襯材質(zhì)的變形特性
T475在承載負荷時(shí)會(huì )發(fā)生極小的蠕變與變形，主要原因是其微觀(guān)結構是由改進(jìn)的非晶相及鏈狀分枝組成的。T475在承載負荷條件下的變形與含有25%的碳的PTFE相似，見(jiàn)圖5。
圖5 2種內襯材質(zhì)的壓力-變形系數曲線(xiàn)
填充了碳或填充了玻璃纖維的PTFE可以抗變形，但密封的整體性變差，同時(shí)純度降低。填充物對介質(zhì)的撞擊更加敏感，這也會(huì )使密封性大大下降。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。
2.1.4、T475內襯的強度和韌性提高
由于改善了顆粒聚結，T475在成型過(guò)程中的微裂縫的發(fā)展得到改善。而PTFE的微裂縫不僅增加滲透，也有利于應力開(kāi)裂，不適當的熱機械性能會(huì )使內襯面臨著(zhù)巨大的應力。應力和伸展往往產(chǎn)生“空洞”，這樣就容易形成“微裂縫”或“擴散流道”，促使內襯加速開(kāi)裂。
拉伸載荷位移比較表明，T475比PTFE更耐應力龜裂，如圖6所示。
圖6 2種內襯材質(zhì)的拉伸載荷位移比較
2.1.5、T475的表面更加光滑
T475比PTFE的表面更加光滑。光滑的表面提高了密封性和潤滑性，降低了摩擦、扭矩等。
2.2、改變旋塞閥的內部結構
對旋塞閥的殼體和內襯結構進(jìn)行改造，如圖7所示，以減少內襯的損壞。
a)由于閥芯和內襯的摩擦力過(guò)大，當閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)，內襯與殼體之間發(fā)生一定的位移，而改造后的殼體阻止了內襯材料發(fā)生錯位現象，也就減少了內襯損害的可能。
圖7 旋塞閥殼體和內襯的結構改造
b)由于旋塞閥內襯材料固有的熱膨脹因素，因此，在旋塞閥鑄造成型時(shí)留有一定的空腔，當內襯因溫度上升而膨脹時(shí)，膨脹出來(lái)的內襯也不會(huì )出現在流道口，避免了被介質(zhì)反復的沖刷。
3、結語(yǔ)
綜上所述，現在所采用的T475內襯材質(zhì)，對普通型PTFE因冷流、摩擦力過(guò)大、溫度的頻繁波動(dòng)和熱膨脹對內襯的影響都有很好的預防效果。再加上對殼體的改造，也進(jìn)一步減輕了內襯材料的損壞情況。
