聚丙烯气锁器阀门执行器故障分析与选型改进

2020-03-30刘文斌袁富强

化工自动化及仪表 2020年1期

刘文斌袁富强

（1.北京燕化正邦设备检修有限公司；2.神华新疆化工有限公司）

聚丙烯（Polypropylene，PP）是以丙烯为单体聚合而成的树脂，是通用塑料的一个重要品种。聚丙烯是结晶性高聚物，有着质轻价廉、无毒、无味且机械强度高等优点。聚丙烯以其价格低廉、相对硬度高、密度小、高透明性、耐化学性能并且具有良好的注塑性能的优点，可以与其他材料共混改性。因耐环境性能好、寿命长等特点，逐渐取代部分金属、其他塑料材料及木材等，用于包装、运输、纺织、建材、家电及日用消费等领域。

神华新疆化工有限公司的年产68万吨煤基新材料特大型煤化项目，是目前新疆第1个煤基新材料项目，该项目位于新疆乌鲁木齐市米东区，年产27万吨聚乙烯、45万吨聚丙烯（其中4万吨属于回收再利用），并副产工业丙烷、混合碳四及碳五、硫磺、硫酸铵等高附加值产品。该项目的聚丙烯装置采用的是INEOS公司的Innovene气相聚丙烯工艺，装置有1条生产线，由2个直径10英尺（3.048m）的气相聚合反应器串联组成，两个反应器串联操作，必要时第一反应器可单独操作，但单反运行聚丙烯产量最高为43t/h，而两个反应器串联，产量最高可达62.41t/h。

1 气锁器系统的作用及PDS阀门介绍

气锁器系统是将第一反应器和第二反应器串联起来的中间过渡单元，在工艺生产中有着非常重要的作用，能将第一反应器带有“活性”的粉料输送至第二反应器，该系统可避免第一反应器中粉料夹带的氢气被送到第二反应器，并防止乙烯和反应速度控制剂从第二反应器返回到第一反应器，同时将粉料夹带的气体分离出来，然后对气体进行过滤、压缩并返回至第一反应器顶部冷凝器，中间不产生任何污染，隔离两个聚合反应系统。整个系统通过对反应器出料阀门和气锁器阀门进行顺序控制来进行操作。无论生产均聚物还是共聚物都采用相同的操作方式。为了实现这一工艺过程，在整个气锁系统中设置了数量、种类众多的阀门，即PDS阀门。气锁系统中，主要的PDS阀门有16台，都属于高频次动作的阀门［1，2］。在气锁器系统的正常运行中，气锁器阀门要进行不断的开关动作，在一个运行周期（240s）内，反应器出料阀门要动作4次，其他阀门各需动作至少1次。整个反应过程连续进行，通过阀门不停地开关动作，完成粉料从第一反应器到第二反应器的转移和两个反应器物料的相互隔离。

2 气锁器系统PDS阀门的故障分析

根据气锁器系统的工艺要求，需要阀门不停地开关动作，这就对阀门的质量和安装有了更高的要求。在装置设计、建造时，气锁器系统阀门选用了美国福斯和英国肯呐特的执行器，都属于口碑较好的仪表设备。但在运行的过程中，还是出现了许多的故障，成为影响工艺顺控运行的主要问题。

2.1 故障一

沉降器至气锁器、气锁器至第二反应器的粉料线阀门，采用（美国福斯）拨叉式大扭矩执行器，即曲轴连杆机构进行传动，将活塞和弹簧的直线运动转化为阀杆的旋转运动，从而带动阀体转动。为了保证执行器转轴的转角为90°，在执行器壳体设置了开关限位螺丝，在转轴上设置了制动板。制动板和限位螺丝接触，使转轴制动并保证准确的开度。曲轴连杆机构在运行中速度特别快，对制动板和限位螺丝的撞击力非常大。在高频次的动作中，制动板与限位螺丝的接触面会因猛烈的撞击产生疲劳、蠕变［3］。随着时间的推移，制动板的转角因接触面的形变而增大，当形变至拨叉滑块的移动位移没有了余量，造成连杆受力不均匀后，会在拉杆与弹簧或曲轴连接的强度最低处产生折断，造成阀门故障引起气锁器顺控中止，引发整个反应系统的剧烈波动，导致产品出现质量问题，反应器负荷下降甚至停车。因为气锁器顺控停止，导致第一反应器不能及时出料而料位升高，增加了反应器搅拌器的阻力且容易使第二反应器因为温度急剧变化而产生片料、块料等现象。

曲轴拉杆折断后，仪表维护人员需要更换执行器。因为气锁器粉料线阀门执行器的体积和重量都很大（约800kg），安装位置特殊，使执行器更换工作难度非常高、工作量大，还需要专业起重工参与。在执行器回装过程中，由于球阀阀杆处于水平位，需要将阀门的执行器、连轴套、阀体对中连接；由于在高空，执行器太重无法调整转轴方向，对中连接组装工作的难度非常大。一般拆卸和回装一个执行器，需要6名工作人员干一整天甚至更长时间。

2.2 故障二

第一反应器和第二反应器出料阀在选型时采用了（英国肯呐特）单作用转式单叶板执行机构，叶板式活塞在气源的推动下，与执行器一起做旋转运动，不像拨叉式执行器那样快速动作并制动撞击，动作是非常柔和的。但这种阀门的整个转轴由叶板式活塞轴、复位弹簧轴和阀体轴3部分组成，且采用了过渡配合的装配方式。在实际使用中，因反应器出料管线阀门过于密集无法垂直安装，故根据空间倾斜安装。这样，执行器会因为自身重量而产生竖直向下的重力，该重力的最终作用点是阀体的转轴，长期会使阀体转轴产生微微的倾斜形变，因3个转轴采用了过渡配合，会使该变形逐级放大，导致活塞部分的外部转轴终端的中心点运动轨迹由点变成不规则的圈，直接的表现是转轴受力不均匀，向气缸的壳体挤压，使转轴与内部金属轴套相互摩擦，待轴套磨损后，转轴没有约束，偏心更加严重，导致转轴的外漏部分和气缸壳体间的密封圈受到挤压而产生磨损。

在气锁阀门维护工作量的统计中发现，最近半年里，平均两周就出现一次阀门断轴故障，最高的记录是36h内出现3次断轴或磨损故障，阀门问题成了影响装置产品产量和质量的主要原因。

在聚丙烯装置中，尤其是气锁器单元，阀门的安装都在高层框架上，每次执行器的下线维修都需要250t以上的吊车，造成了巨大的人力物力浪费，同时阀门故障导致生产停止，造成的损失非常大。

4.2.1 明确平台定位，构建国家级资源共享平台。联合采访平台的建设只有在满足绝大部分用户需求的前提下，具备公益性质才能被广泛认同和运用。例如美国联机计算机图书馆中心OCLC数据，以及国内的联机联合编目系统就是很好的例证，它们成功最主要的因素就是满足了所有图书馆的共同需求。相反，由任何一方以营利为目的构建的平台自然不被市场看好，因为逐利性是商业的本质，也是众多商家的本性。只有将平台定位为公共服务资源平台，坚持行政推动和发挥市场作用相结合，最大限度地调动馆配三方参与平台建设的积极性，确保多方参与建设，扩大平台的覆盖范围，才能真正实现资源共建共享的目的。

3 阀门的选型分析

仔细分析阀门的故障原因，主要是选型不合理造成的。拨叉式曲轴连杆执行机构，动作冲击过大，不适合高频次场合使用［4］。转式单叶板单作用执行机构，因自身的三轴连接而不能随现场实际情况全方位安装。所以需要对现场的执行机构重新选型才能彻底解决问题。

根据现场实际情况研究发现，将以上两种执行机构更换为转式单叶板双作用执行机构，可以使问题得到很好的解决。

首先，与拨叉式执行机构相比，转式单叶板双作用执行机构运行平稳柔和，活塞制动板与限位螺丝接触冲击力小，因自身的结构优势，即使制动板接触点发生形变，转角超过90°，因为没有连杆，也不会有断轴故障出现。当前的主流转式单叶板执行机构，采用铸铝壳体，非常轻，大约30kg，一两个人就可以进行维护［5］，可以直接靠人工送至地面，节省吊车和人工费用。

其次，转式单叶板单作用执行机构由气缸和复位弹簧机构叠加组合而成，执行器高度比较高。在要求输出较大转矩时，需要加装更大的弹簧和单活塞板，以使执行器的高度达到更高，在使用中更容易因受力不均匀而产生轴磨损。而使用双作用机构，则不用考虑克服复位弹簧的反向转矩，小型的执行机构就能输出很大的力矩，可以推动大尺寸球阀动作［3］。

最后，双作用机构结构简单，价格也更便宜，适合现场大规模使用。

4 阀门改进

4.1 采用双作用转式单叶板阀门

为了使双作用执行机构能够满足阀门故障关的工艺要求，保证气锁器系统正常运行，对阀门的气路和附件进行如下配置：

a.常闭型气动放大器（NC），在没有气动信号时，仪表气源无法进入执行器，该侧腔式与外界联通；当有气动信号时，该侧腔式与外界断开，与仪表气源接通，气源进入执行器，阀门动作。

c.直通式电磁阀。

d.空气过滤减压阀。

e.单向阀。

f.储气罐。

4.2 阀门气路配置

阀门的气路配置如图1所示。

图1 阀门的气路配置

在电磁阀不带电的情况下，常开型放大器B1处于开位，仪表气源直接经放大器B1进入执行器，将阀门关闭，活塞叶板处于A侧。在得到开命令后，电磁阀得电，常开型放大器B1接收来自电磁阀的气动信号，切断仪表气源，执行器B侧通过放大器B1与外界大气相通，执行器B侧压力排放到大气中；而此时常闭型放大器A1处于开位，将仪表气源与执行器联通，与外界切断，使仪表气源经A侧进入执行器，阀门打开，活塞叶板处于B侧。

电磁阀接到关命令，来自电磁阀的气动信号消失，常闭型放大器A1闭合，切断执行器A侧与仪表气源的联通，使A侧与外界大气相通，A侧气体经常闭型放大器A1排出；而此时常开型放大器B1切断执行器B侧与外界大气的联通，转为B侧与仪表气源的联通，使仪表气源经常开型放大器B1进入B侧，阀门关闭，活塞叶板处于A侧。

为保证工艺生产安全，考虑阀门的故障情况为关，在阀门的关气路上安装保位气罐。当仪表气源故障或系统故障使电磁阀失电，保位气罐提供压力，可使阀门立刻关闭，保证工艺生产安全［6，7］。为防止外界供气突然中断，气罐内气体反窜回外界，在阀门气路上安装单向阀，以防止这种事故的发生，进一步保证工艺安全。