浅谈PDS控制阀的损坏情况分析

袁德喜，刘 婷，许云民

（重庆川仪自动化工程检修服务有限公司，重庆 401121）

0 引言

聚丙烯（PP）装置采用美国陶氏化学UNIPOL聚丙烯生产工艺。工艺采用气相流化床反应器系统，用两台串联的反应器系统能够灵活生产全范围的聚丙烯产品。PDS控制阀具有开关频次高，每年开关20万次～80万次；耐磨损；密封等级要求高，需达到ASME B16.104 CLASS VI；介质有气相、颗粒状固相粉料；阀门的开关时间短，DN200以下口径的阀门单次开关时间小于1.5s，DN200及以上口径的阀门单次开关时间小于2.5s。根据工艺包的不同，PDS控制阀主要选用ARGUS、KTM、METSO等品牌的金属硬密封球阀。PDS控制阀是整个PP装置的关键部位，它的可靠性直接关系到PP装置的运行。充分了解PDS控制阀的损坏情况，对PP装置日常运维有重要意义。

1 PDS控制阀的主要故障特点

1）聚丙烯介质中的颗粒粉料易堆积在阀座腔或者是附着在球体表面，造成阀球、阀座密封面损伤，导致阀门开关扭矩逐渐增大，从而造成阀门卡涩、泄漏。

2）超细聚丙烯粉料容易在阀杆腔、轴承腔、阀座腔等位置堆积，造成阀门扭矩增大，阀门卡涩、泄漏等故障。

图1 ARGUS高频阀结构Fig.1 Structure of ARGUS high frequency valve

3）阀门的高频开关和高速动作容易造成金属密封副的粘结，从而导致金属密封面出现拉伤等故障。

4）阀门长期高频启闭，对阀杆和填料造成严重磨损，容易导致阀门产生外漏。

5）气动执行器在长期高频启闭过程中，性能下降，导致执行器密封件磨损及缸体内壁拉伤，造成气缸性能失效。

2 PDS控制阀主要品牌阀门的特点

2.1 ARGUS高频阀的主要特点

ARGUS高频阀阀体采用主副体结构，NPS6及以上采用固定球、双向金属密封、全通径、双阀座宽弧面设计。阀体材质采用ASTM A182 F316和ASTM A350 LF2锻件材质。球体基体采用ASTM A240 2205材质，表面硬质合金采用热喷涂技术，球体表面硬度大于HRC67，硬化层厚度不低于0.5mm。阀座基体采用ASTM A240 2205材质，密封面硬质合金采用热喷涂技术，阀座密封面硬度大于HRC63，硬化层厚度不低于0.5mm。耐磨轴承采用PEEK高分子材质，预紧弹簧采用蝶形弹簧。

ARGUS高频阀优点主要体现在采用内支撑板固定式结构设计，能够有效地减少一个阀门泄漏点，能更好地实现密封。但其缺点在于内固定设计存在上下两个支撑板，支撑板直接影响到阀腔空间大小，在粉状介质工况下，介质很容易进入阀腔堆积，从而导致阀门抱死，无法启闭。

ARGUS高频阀阀座预紧弹簧采用碟簧，碟簧比柱簧和盘簧的伸缩量大，碟簧所提供的预紧力对阀座四周均匀，更好地保证了阀门的密封性能。阀座采用弹簧的结构保证阀门在高频的情况下能够正常启闭，并且达到正常的使用密封等级。

图2 KTM高频阀结构Fig.2 KTM High frequency valve structure

ARGUS配备KINETROL扇形气动执行器，其体积小，结构简单，安装空间紧凑，耗气量少，动作迅速，寿命长，价格昂贵。

2.2 KTM高频阀的主要特点

KTM高频阀阀体采用主副体结构，NPS4及以上采用固定球、双向金属密封、全通径、双阀座宽弧面设计。阀体材质采用ASTM A216 WCB铸件材质；球体基体采用ASTM A182 F316材质，表面硬质合金采用热喷涂技术，球体表面硬度大于HRC65，硬化层厚度不低于0.8mm；阀座基体采用ASTM A182 F316材质，密封面硬质合金采用热喷涂技术，阀座密封面硬度大于HRC62，硬化层厚度不低于0.8mm；耐磨轴承采用316金属材质；预紧弹簧采用圆柱弹簧。

KTM高频阀优点主要体现在采用上下阀杆固定式结构设计，结构简单，装配容易。但其缺点是上、下阀杆加工精度要求高，上、下阀杆装配不同心容易造成上、下阀杆磨损，导致摩擦力增大。

KTM高频阀阀座预紧弹簧采用柱簧设计，其结构简单。弹簧腔进尘后会导致圆柱弹簧高低不平，弹簧提供的预紧力不能均匀作用到阀座上，导致阀门开关卡涩甚至无法启闭。

KTM配备KTM AW系列活塞式气动执行器，其特点是采用拨叉式结构，扭矩输出大，寿命长，活塞缸耗气量大，性价比高。

2.3 METSO高频阀的主要特点

METSO高频阀采用对称式固定球（球轴一体）、双向金属密封、全通径、双阀座宽弧面设计。阀体材质采用ASTM A216 WCB铸件材质；球体基体采用ASTM A182 F316材质，表面硬质合金采用热喷涂技术，球体表面硬度大于HRC65，硬化层厚度不低于0.8mm；阀座基体采用ASTM A182 F316材质，密封面硬质合金采用热喷涂技术，阀座密封面硬度大于HRC62，硬化层厚度不低于0.8mm；预紧弹簧采用盘形弹簧。

图3 METSO高频阀结构Fig.3 Structure of METSO high frequency valve

METSO高频阀优点是球轴一体式结构，确保大扭矩状态下启闭力矩的准确传递，保证球体位置不偏移，从而解决了因阀门开关不到位而造成高速介质对阀门冲蚀的严重问题，提高阀门运行可靠性。

METSO高频阀阀座预紧弹簧采用盘形弹簧设计，其结构简单。弹簧腔进尘后会导致盘形弹簧高低不平，弹簧提供的预紧力不能均匀作用到阀座上，导致阀门开关卡涩甚至无法启闭。

METSO配备METSO B系列活塞式气动执行器，其特点是采用拨叉式结构，扭矩输出大，寿命长，活塞缸耗气量大，性价比高。

3 PDS控制阀拆解情况

3.1 ARGUS高频阀的拆解情况

1）阀座腔进粉料严重。

2）球体密封面有拉伤。

3）阀座密封面有拉伤，阀座变形。

4）阀杆与填料函接触部分磨损严重。

5）填料压盖内孔磨损严重。

6）上下支撑板内置PEEK耐磨套磨损。

7）其他密封件老化、损坏。

3.2 KTM高频阀的拆解情况

1）阀座腔进粉料严重。

2）球体密封面有拉伤。

3）阀座密封面有拉伤，阀座变形。

4）阀杆与填料函接触部分磨损严重。

5）填料压盖内孔磨损严重。

6）下阀杆磨损严重。

7）其他密封件老化、损坏。

3.3 METSO高频阀的拆解情况

1）阀座腔进粉料严重。

2）球体密封面有拉伤严重。

3）阀座密封面有拉伤严重，阀座变形。

4）盘簧变形严重。

5）其他密封件老化、损坏。

4 PDS控制阀故障原因分析

4.1 ARGUS高频阀的故障原因分析

1）阀门拆解后发现碟簧/阀座/阀杆腔积尘严重，阀杆和填料箱拉伤，其表面有较深的拉伤。

2）球体支撑板虽然未发现拉伤现象，但定位板内衬轴套PEEK磨损严重，导致与球体轴间隙达0.2mm～0.45mm。由于定位板与球轴间隙过大，在管道介质力作用下使球体发生偏移，导致阀杆受到径向力作用，阀杆发生偏移，阀杆偏移后与填料箱体小面积接触，最终发生严重擦伤现象。

3）由于弹簧腔积尘严重，使弹簧和阀座运动受阻，造成阀座受力不均现象，阀门扭矩增大，阀门在高频启闭下使球面和阀座密封面拉伤，最终导致阀门内漏。

4.2 KTM/METSO高频阀的故障原因分析

阀体密封腔进尘，堵塞阀座腔，造成弹簧失效，失去柱簧原有预紧力，使得阀座不灵活，成为固定阀座。加之球体与阀座硬度不够高，且硬度差较大，球面与阀座密封面吸附着介质，阀门开关频率高，球体与阀座在此状态时极易拉伤，造成阀门内漏和卡塞。

5 PDS控制阀维修方案

5.1 ARGUS高频阀的维修方案

1）新做阀座，阀座密封面采用弧面密封，使阀座密封面与球面吻合达到100%，保证了阀门的密封效果和增加了阀门的使用寿命。阀座采用ASTM A240 2205材质，阀座密封面采用特殊硬质合金的喷焊技术，阀座密封面火焰喷涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且阀座自带刮刀结构，开关过程中清除球体表面的结垢，防止拉伤阀座和球体密封面，使之具有自清洁功能。

2）阀球密封面采用特殊硬质合金的喷焊技术火焰喷焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm。通过数控外圆磨床，保证球体不圆度达到0.015以内，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，并且球体上下轴由两轴套定位，同时球体上下轴外圆和支撑板内孔做硬化处理，提高阀门转动时的耐磨性和承载性。

3）阀座预紧弹簧是给阀座提供初始密封力，阀座预紧弹簧采用碟簧比柱簧和盘簧的伸缩量大，更好保证了阀门在温度变化的情况下，使阀门不容易发生抱死等现象，造成阀门无法开启。同时碟簧所提供的预紧力对阀座四周均匀，更好地保证了阀门的密封性能。阀座采用多片弹簧的结构保证阀门在高频的情况下能够正常启闭，并且达到正常的使用密封等级。

图4 原阀门球体支撑板结构部分Fig.4 Structure of original valve ball support plate

图6 原阀杆密封系统Fig.6 Original valve stem sealing system

4）ARGUS阀门填料分为上下两个填料箱，填料个数较少，容易产生外漏。维修后的填料采用PPL材质，V型填料，具有密封性能好，扭矩轻等特点，更加适合高频的阀门，提高阀杆与填料接触部分的硬度和光洁度，有利于阀门的长周期使用。

5）阀杆密封系统在原结构的基础上增加了O型圈设计，可以防止粉料进入阀杆腔。O型圈还提供了一定的密封性能，减少外漏的可能，阀杆防尘圈完全阻止颗粒粉料进入阀杆腔，从而解决阀门扭矩小的问题。

5.2 KTM高频阀的维修方案

1）新做阀座，阀座采用ASTM A182 F316材料，阀座密封面采用特殊硬质合金的喷焊技术，阀座密封面火焰喷涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且阀座自带刮刀结构，开关过程中清除球体表面的结垢，防止拉伤阀座和球体密封面，使之具有自清洁功能，加工后硬层厚度不小于1mm。

图5 原阀门密封结构部分Fig.5 Sealing structure of original valve

图7 改造后的阀杆密封系统Fig.7 Modified valve stem sealing system

2）阀球密封面采用特殊硬质合金的喷焊技术，火焰喷焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm，通过数控外圆磨床，保证球体不圆度达到0.015以内，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，球体下轴轴套定位，球体下轴内孔做硬化处理，提高阀门转动时的耐磨性和承载性。

3）采用316材料新做阀杆，外轴喷焊硬质合金粉，提高阀杆的耐磨性。

4）预紧弹簧采用圆柱弹簧，增加弹簧腔的防尘设计。

5.3 METSO高频阀的维修方案

1）新做阀座，阀座采用ASTM A182 F316材料，阀座密封面采用特殊硬质合金的喷焊技术，阀座密封面火焰喷涂Ni基合金+特殊合金，硬度HRC≥64，厚度≥1.2mm，且阀座自带刮刀结构，开关过程中清除球体表面的结垢，防止拉伤阀座和球体密封面，使之具有自清洁功能，加工后硬层厚度不小于1mm。

2）阀球密封面采用特殊硬质合金的喷焊技术，火焰喷焊Ni合金+特殊合金，硬度HRC≥68，厚度≥1mm，通过数控外圆磨床保证球体不圆度达到0.015以内，表面粗糙度控制在0.15μm～0.2μm，球体上、下轴轴套定位，球体上、下轴外圆做硬化处理，提高阀门转动时的耐磨性和承载性。

3）新做上下阀杆耐磨套，采用316材质，内孔进行硬化处理。

图8 双作用执行器带储气罐复位Fig.8 Reset of double acting actuator with air receiver

4）预紧弹簧采用蝶形弹簧，增加弹簧腔的防尘设计。

5.4 PDS高频E阀的执行器改造方案

1）E阀的基本情况

某化工厂PP装置KV-4101-1E/KV-4105-1E/KV-4106-1E/KV-4107-1E阀门采用拨叉式气缸（BETTIS:G5124-SR4-CW-33），该阀门的开关频率高，压差大，介质的粘度大。

2）执行器容易出现的问题

执行器拨叉断裂、拨叉滚套断裂、弹簧疲劳断裂，执行器推杆与活塞连接处脱开等故障现象。

3）执行器故障分析

该阀门的开关频率高，压差大，介质的粘度大，导致执行机构疲劳破坏。

4）解决方案

采用扇形气缸，双作用气缸加储气罐复位。

6 结语

目前国内石油化工的PP装置是越来越多，PDS控制阀的使用量逐年上升。国际大环境阴云密布的情况下，进口PDS控制阀交货周期无法得到保证，PDS控制阀的国产化就迫在眉睫。充分了解国外进口PDS控制阀容易损坏的零部件，有利于PDS控制阀国产化的设计。利用阀门检维修过程中收集大量的PDS控制阀的数据，为PDS控制阀国产化提供第一手资料。

表1 气动附配置表Table 1 Configuration of pneumatic accessories