聚烯烴裝置產(chǎn)品排料閥的特性及長(cháng)周期運行的對策
1、前言
隨著(zhù)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)之間的競爭也愈來(lái)愈激烈，生產(chǎn)裝置的長(cháng)周期運行不僅能降低生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的市場(chǎng)競爭能力，更能保證裝置的安全和穩定的生產(chǎn)運行。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生產(chǎn)固體聚合物的過(guò)程，要實(shí)現連續長(cháng)周期生產(chǎn)的難度也更大，其中影響裝置長(cháng)周期運行的主要因素之一就是產(chǎn)品排料系統的排料閥是否可靠。
國內外大量采用UNIVATION工藝的聚烯烴裝置，該工藝將氣相聚乙烯(或聚丙烯)在流化床反應器中，在催化劑作用下反應生成粉狀的聚乙烯(或聚丙烯)，當粉狀的產(chǎn)品在反應器床層堆積一定量時(shí)，自動(dòng)控制產(chǎn)品排料系統(ProductsDischargeSystem)即PDS系統排料，所以產(chǎn)品排料閥也稱(chēng)PDS閥，一般反應系統配帶二套PDS系統，見(jiàn)下圖。
1#PDS系統和2#PDS系統是對稱(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控制系統或獨立的PLC系統控制PDS系統的閥門(mén)按順序動(dòng)作，即當反應器內的聚合物粉料生成一定的量時(shí)，控制系統啟動(dòng)PDS系統排料，PDS閥門(mén)按邏輯順序動(dòng)作實(shí)現產(chǎn)品的排放。當PDS系統中的任何一個(gè)閥門(mén)動(dòng)作不到位或故障，該PDS系統將無(wú)法正常操作。
2、PDS閥門(mén)面臨的挑戰
由于工藝技術(shù)的特點(diǎn)和要求，PDS閥門(mén)面臨如下挑戰：
1)極高的動(dòng)作頻率和循環(huán)次數。閥門(mén)由PDS控制系統控制每年動(dòng)作次數約50萬(wàn)次，頻繁的動(dòng)作對閥門(mén)及所有附件需要極高的可靠性。
2)大量聚合產(chǎn)品顆粒，對閥門(mén)密封面的極度磨損。反應生成的粉狀顆粒產(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，停留在閥內縫隙內會(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)對氣動(dòng)執行器也帶來(lái)?yè)p害。因此，要求閥門(mén)在結構上具有自清潔功能，避免卡澀，同時(shí)對顆粒工況能耐磨，確保長(cháng)周期運行下的高性能。
3)苛刻的密封等級。工藝要求閥門(mén)的密封等級越高越好，特別是硬密封的閥門(mén)也要求VI級密封。
4)高壓差，沖刷嚴重。PDS閥在排料時(shí)，高壓差下帶顆粒產(chǎn)品對閥門(mén)的沖刷相當嚴重。
5)適應聚合反應的溫差變化。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，6”口徑以上的閥門(mén)，開(kāi)關(guān)時(shí)間在2.5秒內。這樣可以在排料時(shí)減少對流化床反應的影響。
3、ARGUS的PDS閥門(mén)的技術(shù)特點(diǎn)
德國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(yíng)得市場(chǎng)和廣大用戶(hù)的認同。其主要的技術(shù)特點(diǎn)如下：
1)特殊球面設計AA和GG閥。AA閥和GG閥盡管是手動(dòng)閥，只有在PDS系統需要停車(chē)檢修時(shí)才關(guān)斷它們。在閥關(guān)閉時(shí)，閥球面與反應器的內壁面完全配合，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)。當然，它們的密封等級是零泄漏，避免在線(xiàn)檢修PDS系統時(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)采用固定球設計。閥球上設計軸耳與軸瓦的精密配合，使閥門(mén)在高頻次動(dòng)作下有更好的穩定性。特殊閥桿設計保證閥桿高頻率動(dòng)作下嚴格對中，使閥門(mén)扭矩保持長(cháng)期均勻性，特殊的閥桿密封設計確保外泄漏符合EPA/TA-Luft標準。
4)閥的內表面采用鏡面級拋光加工工藝，確保閥內腔不留任何死區從而導致聚合產(chǎn)品的自聚。
5)閥座采用特有專(zhuān)利設計的燕尾型刮刀式設計，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，從而達到自清潔的功能。
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，具有自潤滑性能，使用壽命長(cháng)。
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到68HRC，閥球的表面硬度達到63HRC，硬化層厚度達到500mm以上，并且硬化層與基材通過(guò)形成的過(guò)渡層并有機結合成一體，避免長(cháng)周期運行中的硬化層脫層，精密的加工與研磨技術(shù)，確保嚴格的金屬密封等級在VI級以上。
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、結構緊湊、工作壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，其動(dòng)作次數能確保四百萬(wàn)次以上，滿(mǎn)足長(cháng)周期運行的需要。
4、PDS閥門(mén)的技術(shù)經(jīng)濟特性
PDS閥門(mén)的可靠性對裝置的生產(chǎn)非常重要，不僅關(guān)系到裝置的穩定運行，還直接關(guān)系到裝置的經(jīng)濟效益。
以年產(chǎn)30萬(wàn)噸的裝置為例，按年運行8000小時(shí)計算，平均產(chǎn)量37.5噸/小時(shí)，一般一個(gè)反應器配置兩套PDS系統，任何一條PDS系統的閥門(mén)泄漏或故障時(shí)需要停該PDS系統檢修，此時(shí)裝置需要先降負荷，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)計算，產(chǎn)品價(jià)格按1萬(wàn)元/噸計算，因某個(gè)PDS閥門(mén)故障造成裝置直接經(jīng)濟損失：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)備件費和檢修費用。
要是二條PDS系統中同時(shí)各出現一個(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，對裝置的生產(chǎn)安全的威脅也更大。
根據上面技術(shù)經(jīng)濟特性來(lái)評估PDS閥門(mén)的價(jià)值;PDS閥每一次故障的直接經(jīng)濟損失，已遠遠超過(guò)閥門(mén)的自身價(jià)值，同時(shí)對裝置安穩生產(chǎn)帶來(lái)重大的影響。
5、國內PDS閥門(mén)的使用狀況
國內早期引進(jìn)的聚丙烯裝置以環(huán)管反應工藝為多，該工藝的PDS閥由于動(dòng)作頻次相對不是太高，一般采用相對便宜的柱塞閥。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ARGUS的PDS閥門(mén)，都能滿(mǎn)足連續運行的需要，早期的PDS閥門(mén)全部采用的LYTON的軟閥座，氣動(dòng)執行器采用齒條齒桿結構的氣缸。后期引進(jìn)的UNIVATION流化床工藝及國內開(kāi)發(fā)的流化床工藝裝置，裝置的規模也越來(lái)越大，產(chǎn)品的牌號也越來(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，反應生成的聚合物顆粒更容易產(chǎn)生自聚，即自聚能力更強，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PDS閥門(mén)的要求更加苛刻。新建的裝置大多采用德國ARGUS的PDS閥門(mén)，全部采用金屬密封，同時(shí)氣動(dòng)執行器采用扇形氣缸，提高配置以滿(mǎn)足更長(cháng)周期運行的需要。
隨著(zhù)市場(chǎng)的競爭，PDS閥門(mén)的市場(chǎng)競爭越來(lái)越激烈，在國內某大型石化企業(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閥先后出現問(wèn)題，主要是閥門(mén)卡死和泄漏，賭塞PDS系統罐和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，運行一年以來(lái)，高密度裝置的平均負荷率僅40%，導致裝置能耗特別高。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，擔心切換牌號造成PDS閥不適應而影響全廠(chǎng)的乙烯平衡。該PDS閥門(mén)的國外廠(chǎng)家，先后多次派專(zhuān)家現場(chǎng)修改結構，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)結構，依然沒(méi)有解決問(wèn)題。
6、長(cháng)周期運行的對策
隨著(zhù)裝置的生產(chǎn)規模增大，且需要頻繁切換牌號以適應市場(chǎng)競爭的需要，因此，對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構的氣缸，由于裝置擴能或采用淤漿催化劑或裝置切換牌號頻繁，建議將PDS閥門(mén)升級為金屬密封，并將氣缸升級為扇形氣缸，以適應長(cháng)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(cháng)，在日常生產(chǎn)中，一定要有充足的備件。為了減少庫存又能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，建議每種尺寸的閥體備用一臺，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中孔與氣缸支架上的對中孔嚴格對中好，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，維修內容，閥門(mén)的狀況。對每臺PDS閥門(mén)的運行狀況做到心中有數。
定期現場(chǎng)巡檢。定期現場(chǎng)巡檢，發(fā)現PDS閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間明顯延緩，或動(dòng)作出現卡澀現象，即提前切換出來(lái)更換維修。
易損附件定期更換。對于易損的附件，如過(guò)濾減壓器，氣控先導閥，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，因為在閥門(mén)設計時(shí)，氣路各附件的CV值都經(jīng)過(guò)嚴格的計算。
7、PDS閥門(mén)的發(fā)展趨勢
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。國內某套LUMMUS工藝聚丙烯裝置，采用德國ARGUS的PDS閥門(mén)每年動(dòng)作的頻次達到160萬(wàn)次，由于超高頻率的高速動(dòng)作，其要求遠高于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)作對閥蓋及桿的磨損，而影響閥門(mén)的使用壽命。對于此類(lèi)PDS閥門(mén)，強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(zhù)新的工藝技術(shù)發(fā)展，PDS閥門(mén)也跟隨發(fā)展，以適應和滿(mǎn)足工藝技術(shù)的要求，在生產(chǎn)中對PDS閥門(mén)的日常維護和維修及管理也要適應新的技術(shù)需要，從而為裝置安全長(cháng)周期運行提供保駕護航。
