聚烯烃装置产品排料阀的特性及长周期运行的对策

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石化茂名分公司 作者:陈星赏

1、前言

  随着各种新的工艺技术开发和工艺技术进步,聚丙烯和聚乙烯等聚烯烃装置的单套生产能力越来越大,生产企业之间的竞争也愈来愈激烈,生产装置的长周期运行不仅能降低生产成本和提高企业的市场竞争能力,更能保证装置的安全和稳定的生产运行。聚丙烯和聚乙烯等聚烯烃装置在大型乙烯石化企业中属于主体装置,由于其工艺由气相原料反应生产固体聚合物的过程,要实现连续长周期生产的难度也更大,其中影响装置长周期运行的主要因素之一就是产品排料系统的排料阀是否可靠。

  国内外大量采用UNIVATION工艺的聚烯烃装置,该工艺将气相聚乙烯(或聚丙烯)在流化床反应器中,在催化剂作用下反应生成粉状的聚乙烯(或聚丙烯),当粉状的产品在反应器床层堆积一定量时,自动控制产品排料系统(ProductsDischargeSystem)即PDS系统排料,所以产品排料阀也称PDS阀,一般反应系统配带二套PDS系统,见下图。

聚烯烃装置产品排料阀的特性及长周期运行的对策

  1#PDS系统和2#PDS系统是对称配置的,分别带有AA、GG、A、B、C、D、E、G、H、J、L、M、P(含P1,P2,P3)等PDS阀,其中PDS阀X和W是两条PDS系统公用的平衡阀。其中AA阀和GG阀为手动操作阀,其它阀门全部是自动控制的气动球阀。新版的UNIVATION工艺包强制要求A阀、B阀、D阀、X阀和W阀为金属密封阀,其它PDS阀门可以使用软密封阀。

  位于中央控制室的DCS控制系统或独立的PLC系统控制PDS系统的阀门按顺序动作,即当反应器内的聚合物粉料生成一定的量时,控制系统启动PDS系统排料,PDS阀门按逻辑顺序动作实现产品的排放。当PDS系统中的任何一个阀门动作不到位或故障,该PDS系统将无法正常操作。

2、PDS阀门面临的挑战

  由于工艺技术的特点和要求,PDS阀门面临如下挑战:

  1)极高的动作频率和循环次数。阀门由PDS控制系统控制每年动作次数约50万次,频繁的动作对阀门及所有附件需要极高的可靠性。

  2)大量聚合产品颗粒,对阀门密封面的极度磨损。反应生成的粉状颗粒产品,在催化剂的活性下,颗粒的硬度大且容易自聚,高频次的动作对阀门的密封面带来极度磨损。带有自聚特性的聚乙烯颗粒,停留在阀内缝隙内会自聚越来越大,影响阀门动作而最终可能抱死阀门,同时对气动执行器也带来损害。因此,要求阀门在结构上具有自清洁功能,避免卡涩,同时对颗粒工况能耐磨,确保长周期运行下的高性能。

  3)苛刻的密封等级。工艺要求阀门的密封等级越高越好,特别是硬密封的阀门也要求VI级密封。

  4)高压差,冲刷严重。PDS阀在排料时,高压差下带颗粒产品对阀门的冲刷相当严重。

  5)适应聚合反应的温差变化。特别是生产聚丙烯的装置,在紧急事故情况下,丙烯在高压时会形成低温,要求阀门适应低温到-45度。

  6)阀门开关时快速动作。要求6”口径及以下的阀门,开关时间在1.5秒内,6”口径以上的阀门,开关时间在2.5秒内。这样可以在排料时减少对流化床反应的影响。

3、ARGUS的PDS阀门的技术特点

  德国ARGUS是一个专业从事特种耐磨球阀生产的企业,它在1980年开始与UNIVATION工艺开发PDS球阀,目前该工艺上绝大多数装置均采用它的PDS阀门,其卓越的性能和优异的品质,赢得市场和广大用户的认同。其主要的技术特点如下:

  1)特殊球面设计AA和GG阀。AA阀和GG阀尽管是手动阀,只有在PDS系统需要停车检修时才关断它们。在阀关闭时,阀球面与反应器的内壁面完全配合,不存在任何空隙,这样可以避免聚合物自聚赌塞或抱死阀门。当然,它们的密封等级是零泄漏,避免在线检修PDS系统时安全隐患。

  2)全部采用锻造工艺,使阀门在高频次动作下有更好的强度。阀体的材料选用LF2,能够使用在极端工况下-45度的工艺要求。

  3)采用固定球设计。阀球上设计轴耳与轴瓦的精密配合,使阀门在高频次动作下有更好的稳定性。特殊阀杆设计保证阀杆高频率动作下严格对中,使阀门扭矩保持长期均匀性,特殊的阀杆密封设计确保外泄漏符合EPA/TA-Luft标准。

  4)阀的内表面采用镜面级抛光加工工艺,确保阀内腔不留任何死区从而导致聚合产品的自聚。

  5)阀座采用特有专利设计的燕尾型刮刀式设计,使阀门在开关时将大量聚合物颗粒清除在外而不带入到密封面内,从而达到自清洁的功能。

  6)软阀座采用专利技术的LYTON材料,它是一种改性的PEEK材料,具有接近普通金属的硬度,并且耐磨性好,具有自润滑性能,使用寿命长。

  7)金属阀座和阀球的表面硬化处理,采用专利的ARGULOG硬化处理技术,即高温等离子喷涂和热熔处理技术,使阀座的表面硬度达到68HRC,阀球的表面硬度达到63HRC,硬化层厚度达到500mm以上,并且硬化层与基材通过形成的过渡层并有机结合成一体,避免长周期运行中的硬化层脱层,精密的加工与研磨技术,确保严格的金属密封等级在VI级以上。

  8)采用扇型气缸。扇型的气缸具有输出扭矩大、只有一个移动部件、组装方便、结构紧凑、工作寿命长等优点,其动作次数能确保四百万次以上,满足长周期运行的需要。

4、PDS阀门的技术经济特性

  PDS阀门的可靠性对装置的生产非常重要,不仅关系到装置的稳定运行,还直接关系到装置的经济效益。

  以年产30万吨的装置为例,按年运行8000小时计算,平均产量37.5吨/小时,一般一个反应器配置两套PDS系统,任何一条PDS系统的阀门泄漏或故障时需要停该PDS系统检修,此时装置需要先降负荷,一般操作降量在40%左右,直接造成装置减产量为:37.5吨/小时*40%,即15吨/小时,同时阀门的检修及PDS产品罐清扫检修平均按24小时计算,产品价格按1万元/吨计算,因某个PDS阀门故障造成装置直接经济损失:15吨/小时*24小时*1万元/吨,约360万元,这还未包括装置的能耗损失及阀门备件费和检修费用。

  要是二条PDS系统中同时各出现一个PDS阀门故障,此时装置需要注入终止剂,装置停产的损失更大,对装置的生产安全的威胁也更大。

  根据上面技术经济特性来评估PDS阀门的价值;PDS阀每一次故障的直接经济损失,已远远超过阀门的自身价值,同时对装置安稳生产带来重大的影响。

5、国内PDS阀门的使用状况

  国内早期引进的聚丙烯装置以环管反应工艺为多,该工艺的PDS阀由于动作频次相对不是太高,一般采用相对便宜的柱塞阀。早期引进的聚乙烯装置以UNIVATION流化床工艺为多,特别最近几年,也引进了大型聚丙烯UNIVATION流化床工艺装置。

  这些引进工艺装置上基本都采用德国ARGUS的PDS阀门,都能满足连续运行的需要,早期的PDS阀门全部采用的LYTON的软阀座,气动执行器采用齿条齿杆结构的气缸。后期引进的UNIVATION流化床工艺及国内开发的流化床工艺装置,装置的规模也越来越大,产品的牌号也越来越多,如聚乙烯装置产品的密度范围从低密度到高密度全系列,特别在采用淤浆催化剂时,催化剂活性更大,反应生成的聚合物颗粒更容易产生自聚,即自聚能力更强,颗粒硬度更大,同时由于装置的产能大而PDS阀门动作更频繁,因此对PDS阀门的要求更加苛刻。新建的装置大多采用德国ARGUS的PDS阀门,全部采用金属密封,同时气动执行器采用扇形气缸,提高配置以满足更长周期运行的需要。

  随着市场的竞争,PDS阀门的市场竞争越来越激烈,在国内某大型石化企业引进了二条UNIVATION工艺的生产线,一条线生产低密度聚乙烯,一条线生产高密度聚乙烯,二条生产线都采用比德国ARGUS便宜40%的其它品牌的PDS阀。投产不到二个月,高密度装置的PDS阀先后出现问题,主要是阀门卡死和泄漏,赌塞PDS系统罐和AA、GG阀管道,每次需要装置停车清理。平均每个月装置停车二次,运行一年以来,高密度装置的平均负荷率仅40%,导致装置能耗特别高。为了满足全厂乙烯平衡的需要,生产低密度聚乙烯的生产线几乎不切换牌号,担心切换牌号造成PDS阀不适应而影响全厂的乙烯平衡。该PDS阀门的国外厂家,先后多次派专家现场修改结构,包括采用阀门加N2反吹(增加装置能耗和成本)和修改阀门结构,依然没有解决问题。

6、长周期运行的对策

  随着装置的生产规模增大,且需要频繁切换牌号以适应市场竞争的需要,因此,对PDS阀门的要求越来越高,新建装置在PDS阀门的选择时需要慎重并做好调研,选用可靠的品牌。

  如果是早期的工艺装置,PDS阀门采用的是软密封和齿条齿杆结构的气缸,由于装置扩能或采用淤浆催化剂或装置切换牌号频繁,建议将PDS阀门升级为金属密封,并将气缸升级为扇形气缸,以适应长周期生产的需要。

  充足的备件。由于PDS阀门的重要性,又属于特种阀门,一般供货周期长,在日常生产中,一定要有充足的备件。为了减少库存又能满足生产需要,建议每种尺寸的阀体备用一台,每种类型的气缸备用一个,备用单条PDS线的全部阀门的维修包各一套。生产中某个PDS阀门故障,可以先将备用的阀体更换上尽快恢复生产,将下线的故障阀用备用的维修包将其维修好并处于备用状态,同时补充消耗的备件。

  把好维修质量关。在PDS阀门的解体维修时,一定要严格按照厂家的要求维修,提高维修质量。特别注意的是,在阀体与气缸的装配时,一定要将上阀盖上的对中孔与气缸支架上的对中孔严格对中好,这样可大幅提高阀门的性能和寿命。

  做好维修记录。每次PDS阀门的检修,做好记录,保括维修下线日期,维修内容,阀门的状况。对每台PDS阀门的运行状况做到心中有数。

  定期现场巡检。定期现场巡检,发现PDS阀门动作时间明显延缓,或动作出现卡涩现象,即提前切换出来更换维修。

  易损附件定期更换。对于易损的附件,如过滤减压器,气控先导阀,电磁阀及阀位开关等,每个大修周期定期更换。要注意的是附件更换最好用回原来的型号,因为在阀门设计时,气路各附件的CV值都经过严格的计算。

7、PDS阀门的发展趋势

  近年市场推出新的聚丙烯和各种聚乙烯工艺技术,其特点反应的压力高,装置的生产能力越来越大,PDS阀门的动作频次越来越高。国内某套LUMMUS工艺聚丙烯装置,采用德国ARGUS的PDS阀门每年动作的频次达到160万次,由于超高频率的高速动作,其要求远高于UNIVATION工艺技术的PDS阀,特别是阀盖及阀杆的密封圈,都要采用特种耐磨的材料,以避免高速动作对阀盖及杆的磨损,而影响阀门的使用寿命。对于此类PDS阀门,强烈建议在装置大检修期将PDS阀门的软密封进行更换。

  随着新的工艺技术发展,PDS阀门也跟随发展,以适应和满足工艺技术的要求,在生产中对PDS阀门的日常维护和维修及管理也要适应新的技术需要,从而为装置安全长周期运行提供保驾护航。

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