聚乙烯装置高压调节阀损伤原因分析*

白丽莉，汤晓锋，王 刚，胡红祥，张亚明，郑玉贵

（1.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京100029；2.中国石化国际事业有限公司北京公司，北京100010；3.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016）

聚乙烯装置高压调节阀损伤原因分析*

白丽莉1，汤晓锋2，王 刚1，胡红祥3，张亚明3，郑玉贵3

（1.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京100029；2.中国石化国际事业有限公司北京公司，北京100010；3.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016）

某高压聚乙烯装置在转产乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）后，聚合反应器出口处高压调节阀出现严重损伤。通过荧光光谱分析、金相分析、扫描电镜（SEM）分析、能谱分析（EDS）和流场数值模拟等分析手段对材料的组织结构、成分和形貌进行了分析，结合阀门运行工况，认为造成高压阀门损伤的原因主要为空蚀。浸泡法和电化学方法分析表明，醋酸乙烯的腐蚀性较小；针对失效原因，在试验室内对候选材料和工艺进行了抗空蚀性和抗冲蚀性试验评价，通过与母材的性能对比，最终优选出抑制阀门损伤最佳的候选材料和工艺。

聚乙烯 高压调节阀 空蚀 损伤分析

某高压聚乙烯装置采用管式法生产工艺，以乙烯为原料在高温高压条件下发生聚合反应生成聚乙烯。其反应压力为300 MPa左右，反应器出口温度约250℃。装置的高压控制阀PV1159位于反应器出口处，于2007年开始使用，在2014年9月装置停车检查时，发现该阀腐蚀损坏。装置2007年开始一直生产高压聚乙烯，2011年转产乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）。在转产EVA前对该阀进行检查时未见明显腐蚀问题，但转产EVA后出现了严重的腐蚀损坏［1］。

高压控制阀 PV1159主要由阀体、阀座、阀芯、阀杆和阀笼等几个部分组成，在装置转产EVA后，该阀接触的介质为乙烯、醋酸乙烯和EVA等有机混合物，阀前后压力分别为280和30 MPa，操作温度为270～280℃，控制阀的服役环境苛刻，阀门失效将带来巨大安全隐患。分析阀门损伤原因，提出改进建议和措施，延长阀门使用寿命，对保证生产安全有重大意义。

硬度检测。采用显微硬度仪测试阀门各部件的表面膜及基体材料硬度。

腐蚀形貌分析。采用扫描电镜（SEM）观察阀门的表面损伤形貌，包括阀门各部件、各损伤位置处的SEM微观形貌观测、典型位置处的能谱分析（EDS）、腐蚀或磨损区附近线扫描或面扫描元素分布分析等。

金相组织观察。对阀门进行切割，取金相样品，经过预磨、抛光和腐刻后，观察其金相组织。

试验室数值模拟方法。对阀门在不同开度下各截面的压力场分布、速度和迹线分析及气相分布云进行模拟分析。

介质腐蚀性验证试验。分别从PV1159阀的阀笼、阀芯截取10 mm×20 mm×5 mm试样，采用蒸馏水、醋酸乙烯（VA）原料作为浸泡介质，并选用Q235钢和304不锈钢作为横向对比材料，做腐蚀质量损失对比试验。

1 试验部分

阀门成分分析。在阀笼、阀芯上分别取块状样品，依据国标GB／T 16597—1996《冶金产品分析方法X射线荧光光谱法通则》进行材质成分分析。

2 高压控制阀失效分析

2.1 成分分析及硬度检测

（1）成分分析。使用荧光光谱仪对阀门的阀芯、阀笼的材质进行成分分析，并与相关标准对比，分析结果见表1。阀门材料成分达标，阀门损伤与材料质量无关。

表1 高压阀门 PV1159材质分析 w，%

（2）硬度检测。采用显微硬度仪测试硬度阀门各部件的表面膜及基体材料，检测结果显示，阀芯表面同芯部硬度基本相同，维氏硬度平均值约为611.4 HV，洛氏硬度为55.5～56.0 HRC，高于阀笼硬度（419.8 HV，44.5～45.0 HRC）。阀笼内表面硬度略高于芯部硬度，但差别很小。

2.2 损伤部位形貌分析

（1）宏观及低倍形貌。阀门损伤形貌分析表明，阀芯损伤部位在锥体头部与阀笼接触线上及附近，该处流体介质流速最高，阀芯表面受到了冲刷，留有冲蚀痕迹；在阀芯圆形体的中部和尾部，阀芯表面形成了大量圆形蚀坑，表现为空蚀破坏的特征［2-3］。阀笼损伤部位与阀芯上的损伤部位是对应的，在阀笼的头部内壁表面有流体冲刷的痕迹，之后存在严重的空蚀区，大量圆形蚀坑的集中出现，使得阀笼壁厚严重减薄，见图1和图2。

图1 阀芯的损伤形貌

（2）金相分析及硬度测试。对阀芯、阀笼进行切割，取样品，经预磨、抛光和腐刻后，观察其金相组织，见图3和图4。结果表明，阀芯和阀笼金相组织分别为回火马氏体和回火索氏体，组织均匀，未见明显的组织结构缺陷。

（3）阀芯和阀笼SEM分析。取阀芯头部锥体及阀笼内壁头部试样进行SEM观察分析，SEM形貌见图5和图6，EDS结果见表2。

图2 阀笼的损伤形貌

图3 阀芯横向截面回火马氏体组织

图4 阀笼纵向截面回火索氏体组织

图5 阀芯头部锥体SEM形貌

图6 阀笼内壁蚀坑的SEM形貌

表2 EDS分析结果

从图6可以看出，阀门阀芯锥体头部损伤成犁沟状，为冲刷磨损所致，流体介质的冲刷作用造成阀芯头部锥体表面留有流体冲刷的痕迹，蚀坑呈现马蹄形，蚀坑内仍残存有阀内反应产物（白色物质）；从表2可知，其产物构成以C和O等元素为主，是输送介质的残余物，不是腐蚀产物。阀笼损伤最严重区域集中在阀笼头部的内壁，该部位形成一个环向的蚀坑区；观察发现，在进入蚀坑区之前，阀笼内壁表面可见流体冲刷痕迹；在蚀坑区内，蚀坑密布，无明显的方向性，呈空蚀弹坑状形貌；当流体离开蚀坑区域时，阀笼内壁表面又可见流体冲刷的痕迹。

2.3 醋酸乙烯的腐蚀性分析

装置转产前高压控制阀PV1159的介质是高压聚乙烯（PE）和未反应的乙烯，转产后为EVA、乙烯、醋酸乙烯三种有机体的混合物。为评价介质对阀门腐蚀程度，采用浸泡法和电化学测量技术综合评定介质腐蚀性。

（1）浸泡试验。分别从PV1159阀的阀笼、阀芯截取10 mm×20 mm×5 mm的试样，分别放在现场采集的醋酸乙烯溶剂中和蒸馏水中进行浸泡腐蚀试验。

将试样浸泡在现场采集的醋酸乙烯溶剂中，常温下密封静置85 d，所有试样表面呈现出原有的金属光泽，未见明显的变色及锈蚀，目测试验溶液，清澈透明如初，未见明显的铁离子和亚铁离子溶解在溶液中；称质量对比，质量损失很小。将浸泡试验的温度升至50℃，将试样挂在介质中浸泡40 h，试样表面仍保持原有的金属光泽，称质量对比结果显示，质量损失很小。试验结果证明，醋酸乙烯溶液腐蚀性极低，随着温度的升高腐蚀无明显提高。

取阀门、阀芯试片，并选用Q235钢和304不锈钢作为横向对比材料，常温下在蒸馏水中进行浸泡试验，用于评价阀门材料的耐蚀性及溶液的腐蚀性。在蒸馏水中浸泡10 d后，试样表面就出现了明显的锈蚀痕迹，部分试样完全被锈层包裹，溶液呈锈红色，显示腐蚀严重。取出试片进行称质量对比，Q235碳钢和阀门材料均出现明显的腐蚀斑和点蚀孔，腐蚀质量损失相近。而304不锈钢表面光洁如初，质量损失远小于其他材料。

浸泡试验说明，蒸馏水这种中性的低腐蚀性介质在短时间内对阀门材料造成严重腐蚀，表明阀门材料不耐蚀。该材料在醋酸乙烯中浸泡长达85 d后，表面仍不见明显的腐蚀痕迹，证明醋酸乙烯溶液腐蚀性极低。

（2）电化学腐蚀性测量。为进一步证明醋酸乙烯溶液的腐蚀性，在醋酸乙烯溶液中对阀门材料的电化学腐蚀特性进行了检测，电化学极化曲线见图7。由图7可知，阀芯与阀笼材料在醋酸乙烯溶液中的耐蚀性能接近，腐蚀电流密度非常低（约为3×10－9A／cm2），腐蚀电位约为 －0.1～－0.2 mV。从检测结果可以看出，材料在介质中腐蚀过程较难发生，且腐蚀过程发生的速度较慢。结合浸泡试验的结果，说明阀门材质本身并不耐蚀，耐蚀性较好主要是由于溶液本身导电性较低所致。验证了醋酸乙烯溶液对阀门材料的腐蚀性微乎其微，不是造成阀门失效的主要原因。

图7 阀门在醋酸乙烯中的极化曲线

2.4 阀门数值模拟分析

（1）压力场分布、速度和迹线分析，气相分布模拟。通过宏观、微观形貌分析，结合阀门的运行工况，综合分析得出阀门损伤的主要原因为空蚀，局部存在冲蚀。为验证分析结果，采用试验室数值模拟的方法对阀门在不同开度下各截面的压力场分布、速度和迹线分析及气相分布云进行模拟分析。

通过试验模拟阀门压力场分布，结果显示在阀芯锥体斜面处前端压力梯度最大，阀芯末端周向压力分布不均，局部出现高压情况，极易导致传递到此处的空泡发生溃灭，造成空蚀损伤。在此处阀芯和阀笼间隙较小，因此在阀笼的相应位置上也会出现损伤。

速度和迹线分布模拟结果显示，阀座及其出口附近流通速度最大，且随着阀门开度增大流通速度增大。可以推断出受冲刷腐蚀最严重的部位是阀芯尖端靠后的位置；同时在流体冲出阀笼后，在内壁背向出口侧形成回流区，造成阀笼内侧的冲刷磨损。

阀门在不同开度下气液相分布的模拟结果显示，阀门内部高压状态下大部分的区域为液相区，而在阀座出口附近及阀芯的尖端前后，由于流态突变导致压力波动，出现了气泡。阀门内部压力远高于溶液的蒸气压，气泡产生后很快溃灭。在阀笼底部的内侧周向，阀芯尖端的颈部附近位置是发生空蚀损伤的敏感部位。当阀门开度减小后，阀门内部压力分布发生变化，空蚀区转移到阀座出口和阀芯锥面与阀座口密封的位置［4-6］。

（2）模拟结果与实际损伤的对比分析。数值模拟的结果显示，在阀座出口后方及阀芯锥体根部附近，出现明显的气相梯度区。而气泡形成的位置并不是空蚀损伤的位置，当气泡形成后会随流体向下游移动，当下游压力大于流体的饱和蒸气压时，气泡就会爆破，对材料造成空蚀损伤。空蚀损伤区位于气相梯度区下游位置，该区域存在涡流及气相富集区，证明该部位为空蚀和冲蚀的敏感区，模拟结果同实际观察的结果一致。数值模拟试验验证了空蚀是造成阀笼内壁靠近阀座处及阀芯锥体斜面后方位置处损伤的主要原因。

3 结论与建议

损伤阀门宏观、微观分析表明，阀门损伤为典型的空泡腐蚀损伤形貌。浸泡试验和电化学试验结果表明，醋酸乙烯的腐蚀性较小，不是造成阀门损伤的主要原因；通过数值模拟试验验证了分析结论。装置在转产后阀门损伤程度加重的原因是介质物性的改变间接导致了冲蚀、空蚀程度加重。基于损伤原因的分析结论，可以从压力控制形式、阀门选材及修复工艺等方面进行改进。

（1）改变压力调节方式。采用分段节流阀降低空蚀隐患；

（2）更换阀笼材质。选用 NiTi（质量分数50%的 Ni-质量分数 50%的 Ti）合金、CrNi和CrNiMo合金涂层、CoCrW激光熔覆层等抗空蚀、冲蚀能力较强的材料来取代阀笼材质；

（3）修复阀芯损伤。选用耐空蚀性和耐冲蚀性好的司太立合金等，采用激光熔敷、电火花沉积和超音速火馅喷涂等工艺对阀芯损伤部位进行修复。

［1］ 林晓.天然气乙炔法醋酸乙烯装置主要设备设计及优化［J］.石油化工设备技术，2014，35（4）：10-14.

［2］ 王胜雷，冯春宇.高压节流阀内部流场对冲蚀形貌的影响［J］.内蒙古石油化工，2011（8）：97-100.

［3］ 彭凤样.阀门气蚀研究［J］.阀门，1994（3）：11-16.

［4］ 刘清友，包凯，付玉坤.高压节流阀节流特征及流固耦合失效分析［J］.流体机械，2014，42（6）：50-56.

［5］ 付玉坤.高压井控楔形节流阀三维流场模拟及阀芯失效分析［J］.石油矿场机械，2010，39（7）：5-8.

［6］ 尹平，朱红钧.输气管路节流阀不同开度时的流场模拟［J］.天然气技术，2009，3（2）：64-70.

Damage Analysis of High-Pressure Regulating Valve in Polyethylene Plant

Bai Lili1，Tang Xiaofeng2，Wang Gang1，Hu Hongxiang3，Zhang Yaming3，Zheng Yugui3
（1.SINOPEC Beijing Yanshan Company，Beijing 100029，China；2.Beijing Company of SINOPEC International Co.，Ltd.，Beijing 100010，China；3.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Serious damage arose in high pressure regulating valve at the outlet of polymerization reactor after converting to produce ethylene vinyl acetate copolymer（EVA）.Combined with the operation of valve，main cause of the damage was found to be cavitation，depending on the analysis of microstructure，composition and morphology of materials with the means of fluorescence spectrum analysis，metallographic analysis，scanning electron microscopy，energy spectrum analysis and flow field numerical simulation.The corrosion of vinyl acetate was weak，which was proved by immersion method and electrochemical method.The cavitation resistance and erosion resistance of the candidate materials and processes were evaluated，and the optimal material and process were confirmed ultimately by comparing with the parent material.

polyethylene，high pressure regulating valve，cavitation，damage analysis

2017-09-08；修改稿收到日期：2017-09-15。

白丽莉（1982—），硕士，2009年毕业于北京化工大学材料学专业，现为该公司机械动力部防腐蚀业务主管。E-mail：baill.yssh＠sinopec.com

燕山石化公司二高压PV1159阀失效分析及改进（YSBC150008）。

（编辑 寇岱清）