旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兖矿国泰化工有限公司 作者:薛子文

  分析了普通型PTFE内衬旋塞阀在醋酸系统合成反应釜自循环管线上应用时出现内衬损坏的原因,介绍了T475材料的性能和特点,论述了采用T475替代原有的普通型PTFE内衬和改变旋塞阀内部结构的方法。

1、概述

  在30万吨醋酸生产装置的合成反应釜自循环管线上对温度有着严格的要求。为了能够达到应有的运行效果,此循环管线一般温度控制在185~195℃,压力控制在218~410MPa。此管线上大部分采用普通型PTFE内衬的旋塞阀,在系统运行2~3个月停车检修时,发现阀门无法关紧,不能进行应有的工艺处理。查看原因主要是由于旋塞阀内衬均有不用程度的脱落,更严重的有撕裂现象。

2、故障分析

  (1)冷流导致内衬脱落

  在常温下,塑料、橡胶和金属等固体在负荷下发生变形,去掉负荷后不能恢复原形的变形现象称之为冷流。冷流现象在内衬旋塞阀中普遍存在,尤其是在醋酸工艺条件下使用的特殊内衬旋塞阀。由于特殊阀门订货周期较长,一般在基础建设前期进行采购,有时会存放半年,当阀门安装于系统上时,可能由于存放原因导致内衬受力,当应力取消时,又无法回到原有的理想状态,造成变形。对此现象解决方法一方面是注意阀门存储时保持内衬材料不受任何应力作用,保持旋塞阀流道整洁和畅通,并用非金属材料挡板(如木板、塑料等)封闭旋塞阀的进出口,使其形成一密闭的环境。另一方面要求对旋塞阀进行全开式存放,也就是使旋塞、内衬和阀体保持紧密贴合,防止内衬由于外力作用发生变形。

  (2)操作不稳导致内衬错位

  由于系统运行过程中经常会开启或关闭旋塞阀,并且用于此循环管线上的阀门尺寸为大口径阀门(一般为8in.(200mm)或10in.(250mm)),这就会导致内衬和旋塞的摩擦力过大,当操作人员在旋转手轮时不能均匀的使旋塞受力,就有可能使旋塞和内衬发生错位,导致高流速、大流量和高温度液体冲刷内衬材料,并在内衬和阀体之间积存大量的介质,使内衬逐渐的从阀体上脱落。因此,在操作过程中用加长杆或F型扳手均匀用力,可以减少由于用力不均衡而导致的内衬错位或损坏。

  (3)阀门部分开启导致内衬变形

  开车初期系统处于试车调试阶段,不能立刻达到满负荷运行,要通过调节阀门的开度控制流量的大小。流量调节一般采用自调式截止阀。一方面数据能很直观的反映在控制室里,有利于控制人员进行操作。另一方面能保证系统调试时现场无人,确保人员安全。而旋塞阀主要做切断用,不用于流量调节。但是开车初期系统波动频繁,系统温度和流量如果只采用自调式截止阀控制不能起到微调的作用。所以只能是控制室和现场人员互相配合,通过调节旋塞阀开度进行微调,这就出现了旋塞阀存在半开半闭的现象。

  当旋塞阀处于全开状态时,旋塞和阀体完全把内衬包裹起来,基本上不和介质接触。当旋塞阀处于全关状态时,旋塞把介质和内衬全部隔离,内衬基本上也不会和介质发生接触。这是正确的使用旋塞阀的方法,同时也能延长阀门的使用寿命。但是受条件限制,旋塞阀经常处于部分开启状态(图1a),工艺介质在不断的冲刷旋塞阀内衬。而开车初期系统处于不稳定阶段,温度、压力和流量等不断的变化,使内衬受到无规律的交变应力。普通型PTFE内衬为软材料,受到交变应力会发生变形,影响其使用寿命。随着旋塞阀使用时间的加长,阀门入口处内衬因介质冲刷变形与阀体脱离(图1b)。

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

1.旋塞 2.阀体 3.内衬

(a)旋塞阀部分开启 (b)内衬脱落

图1 阀门工作状态

  (4)内衬受热膨胀导致旋塞旋转时剪切脱落

  PTFE晶体在19℃和30℃时存在2个可逆转变。第一个转变是PTFE晶体由三斜晶系转变为六方晶系,体积约增加112%。第二个转变是30℃时PTFE晶体又发生结晶松弛,C-C链螺旋变成无规则缠绕,30℃时的体积变化约为19℃时的10%。在结晶转变和结晶松弛过程中PTFE的体积发生明显的变化,相应对普通型PTFE内衬的应用性能产生一定影响。

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

1.旋塞 2.阀体 3.内衬

(a)内衬受热膨胀(b)内衬边缘受剪切

图2 内衬在热态下工作

  由于旋塞阀的工作温度超过了19℃和30℃这两个温度膨胀点,所以当旋塞阀处于正常工作状态时,会发生热膨胀变形(图2a)。当关闭阀门时,旋塞会和内衬形成一定的剪切力造成内衬变形。随着旋塞的进一步旋转,过大的剪切力很可能把边缘的内衬材料从旋塞阀中剪切掉(图2b),这也是导致旋塞阀内漏的一个重要原因。

  (5)温度升高导致PTFE性能下降

  PTFE材料的拉伸强度随温度的升高逐步降低,大约以100℃为拐点。在温度小于100℃时,拉伸强度的变化梯度较温度高于100℃时的变化梯度大(图3a)。PTFE材料的极限名义应变为温度的递增凸函数。极限名义应变的变化,大约以25℃为界。当温度小于25℃时极限名义应变随温度升高而线性增长。当温度大于25℃时,极限名义应变几乎不受温度影响。这说明低温时PTFE材料的延伸率低,强度高,高温时延伸率高,强度低(图3b)。PTFE材料的弹性模量随温度的升高而降低。主要是随着温度的逐渐升高,分子间的结合力逐渐减弱的缘故(图3c)。

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

(a)温度-拉伸强度变化

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

(b)温度-极限名义应变的变化

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

(c)温度-弹性模量的变化

图3 PTFE性能

3、解决方法

  由于旋塞阀的保管、操作和普通型PTFE内衬的固有特性等导致旋塞阀内衬变形和脱落,所以从材料选择和结构改进两方面解决存在的问题。

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

  (a)温度-压力变化(b)冷流特性

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

(c)压力-变形系数(在100e,不同的压力等级下工作100小时)(d)压力-位移变化

图4 T475与PTFE性能分析

  (1)材料选择

  采用T475材料取代普通型PTFE内衬。T475内衬性能较好(图4),例如在300磅级压力下,在正常温度控制范围内,普通型PTFE的性能下降很快,而T475在相同的工作条件下没有明显的性能下降(图4a)。在15N/mm2压力等级和23e的温度条件下,操作100h,普通型PTFE的冷流现象明显。而T475抗冷流效果比PTFE优越2~3倍(图4b)。在任何温度下PTFE都会有粘滞性和弹性,所以会发生流动和蠕动现象。T475在承载负荷时发生的蠕变与变形极小,因为其微观结构是由改进的非晶相及链状分枝组成的。并且在承载负荷条件下的变形与含有25%碳的PTFE相似(图4c)。温度升到150e时,两种材料附加测试得出的结果相似。虽然填充了碳或玻璃纤维的PTFE可以抗变形,但是密封性能下降,同时降低了纯度。填充物对介质撞击更加敏感,这也会使密封性下降。T475不仅抗变形,而且密封特性、抗介质撞击及纯度都得到了改善。拉伸载荷位移比较表明,T475比PTFE更耐应力龟裂(图4d)。T475比PTFE的表面光滑,光滑的表面提高了密封性和润滑性,降低了摩擦力和扭矩等。

  (2)结构改进

  为了减少热膨胀和介质冲刷等因素对内衬损坏的影响,对其阀体和内衬结构进行了改进(图5)。

旋塞阀内衬剥落腐蚀的分析与处理

1.旋塞 2.阀体 3.内衬

图5 阀体结构改进

  由于旋塞和内衬的摩擦力过大,当阀门开关时,内衬和阀体之间发生一定的位移,而新的阀体结构阻止了内衬材料发生错位,减小了对内衬的损害。为了消除内衬材料的热膨胀影响,在旋塞阀铸造成型时留有空腔,使内衬材料受热膨胀部分不会出现在流道口,避免了介质的冲刷。

4、结语

  T475材料对普通型PTFE所出现的冷流、摩擦力过大、温度的频繁波动和热膨胀对内衬的影响都有很好的预防效果。通过对阀体结构的改进,改善了内衬材料的特性,提高了阀门的使用寿命。

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