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关于控制阀在PTA装置中的应用

1 概述

聚酯行业在中国发展迅速,因而带动其原料PTA(精对苯二甲酸)行业的发展,很多企业纷纷投资于PTA装置的建设。由于PTA生产工况较为复杂,所以应用的仪表种类繁多,若仪表选型、材质选择错误,轻则造成介质泄漏、仪表损坏,重则引起装置停车甚至发生严重事故,在各类仪表的选型中,尤为重要且较为复杂的当属控制阀。

在PTA装置中,应用的控制阀种类繁多且材质也不尽相同,其投资占整套装置现场仪表近50%。控制阀的选型不当经常发生,进而影响装置的正常生产,成为PTA生产的瓶颈之一。笔者工作至今,一直从事PTA工程设计中仪表方面的设计工作,现将控制阀选型心得浅述一二。

2 控制阀阀体形式的选择

PTA流程由于其介质的多样性和流程的复杂性,装置中应用的调节阀种类也较为多样,如某类工艺的PTA装置中就应用了近10种类型的阀门约380台。其中常见的几种类型如下。

2.1 直通单座控制阀

这类阀门属于20世纪60年代的产品,由于其调节性能优越、泄漏量小且结构较为简单,所以在各类装置中大量采用,也广泛应用在PTA装置大部分介质的控制中,这些介质绝大部分为洁净的气相或液相介质,如氮气、冷却水、PX(对二甲苯)、醋酸等。固体粉料介质或含有固体颗粒的介质则应避免使用此类阀门,以免造成阀门堵塞甚至因介质破坏密封面而造成泄漏。

另外值得一提的是,在单座控制阀的基础上发展的直通双座控制阀,这类控制阀的不平衡力小,允许压差大,并且流通能力也比同口径的单座调节阀大。但是由于受加工限制和温度变化的影响,上下两个阀芯不能完全保证同时密封,所以此类阀门泄漏量大,易引起事故,并且由于其结构复杂,不便于维护及维修。在PTA装置的选型中,尽量避免选择此类阀门。

2.2 球阀

主要是指O型球阀,属于角行程类阀门。这类阀门采用双密封结构,其最显著的特点就是密封能力强,泄漏量小,并且响应迅速,执行动作快;阀门口径一般与工艺管道直径相同,流阻低;可调比高但是流量特性并不优越。正是由于上述特点,所以球阀往往用于两位式开关控制。在PTA装置中绝大部分紧急切断及顺序控制的工况都是通过球阀完成的。虽然在很多文献中曾提到球阀的另一个优点是介质流向的任意性,但是笔者在选型的过程中发现并不能完全信任这类说法,可能因为供货厂商的制造理念和工艺的不同而确定了介质流向的惟一性,球阀前后的密封结构不尽相同,这一点在阀门现场安装的过程中尤为值得注意。

2.3 V型球阀

V型球阀既优化了流量特性,具有很高的可调比,又保留了O型球阀的其他优点,并且还有其自身一个显著优点,就是V型缺口与阀座之间有剪切作用,特别适用于黏稠性介质、含有固体颗粒的介质或是纤维类介质的控制。这个优点正好满足PTA装置中固体浆料控制的要求,因而V型球阀在PTA装置中得到了大量和广泛的应用,成为继直通单座控制阀之后第二大应用数量的调节类阀门。

2.4 偏心旋转阀

亦称为凸轮挠曲阀或3偏心蝶阀,具有密封性能好、流通能力大、使用寿命长、调节性能高等特点,并且还具有一定的自清洁功能,使它更加优于其他类阀门。除此之外偏心旋转阀也具有一定的剪切功能,所以大有取代V型球阀之势。但是由于其密封面的制造工艺要求较高,所以在小口径的情况下,其价格要高于V型球阀。偏心旋转阀在PTA装置中也得到了很多应用,尤其是在大口径、需要实现快速联锁切断的工况下,偏心旋转阀更是成为首选。笔者翻阅了一些文献资料以及厂家样本,部分说法称偏心旋转阀可用于任意流向介质,也有部分说法称推荐安装于流闭工作状态,这样做是为了减少颗粒物对密封面的冲刷从而延长使用寿命。考虑到此种情况,笔者在阀门的选型工作中,参考了后一种说法,对于工艺不要求流闭工作状态的工况,还是优先选择了V型球阀。

2.5 蝶阀

结构较为简单,特别适合于大口径、大流量、低差压的工况,由于其同样具有一定的自清洁功能,所以可用于大部分洁净以及有悬浮颗粒物的介质,但是应用时需考虑这类阀门泄漏量大的问题,以及在大压差下工作会出现阀板关死后打不开、小开度下工作易震荡的特点。在PTA装置中,蝶阀主要应用在部分大口径的工况下,特别是一些放空管线以及冷却水、除盐水等的供料总管上。

2.6 闸板阀

多用在CTA,PTA等固体粉料的工艺管道上,连接形式可有多种选择,但是一般同蝶阀一样多选用法兰夹持式。此类阀门在选型中应考虑闸板结构形式,有单闸板和双闸板之分,双闸板坚实且不易变形,但是价格较单闸板阀门亦有较大提高。

2.7 角阀

角阀因其阀体一般为直角结构形式而得名。这类阀门在PTA装置中虽然数量少但是其投资却丝毫不低于上述任何一类阀门。这类阀门在PTA装置中担负着CTA,PTA浆料管线以及部分反应器、结晶器冲洗管线的控制和切断的任务,这些介质一般都具有高温、高压、腐蚀性强的特点,并且往往是固体悬浮物、气相、液相共存的介质,所以阀门经常面临易堵塞、易气蚀、强腐蚀、强冲刷的苛刻工况,故而其材质、连接方式、连接尺寸、流通能力、防气蚀能力、自清洁能力、密封性能等都成为选择此类阀门需要详细考虑和严格要求的参数,部分参数于下文中将有详细的阐述。

2.8 套筒调节阀

因其阀芯与阀座的特殊设计,可有效降低气蚀现象,并且在减噪性能上明显优于其他类阀门,但不适用于含有固体颗粒物的介质,故而在PTA装置中多用于蒸汽介质的工况。下面就阀门的其他通用参数分别予以介绍。

3 控制阀材质的选择

材质作为控制阀一项重要参数,在选型时应引起高度重视,尽量做到既不低选引起严重腐蚀,又不高选增加投资。PTA装置中工况复杂,介质类型较多,所以材质的选择有很大难度,以下笔者仅结合在选型工作中的经验浅述自己的观点和看法。

控制阀材质选择的总体原则是阀体材质与所连接的工艺管道材质相同或高出一个等级,阀芯、阀座、阀杆等与介质接触的关键部件材质至少与阀体材质相同或高出一个等级,执行机构、定位器外壳等非接液部件的材质根据环境状况适当选择。在PTA装置中,导致腐蚀的主要介质是含有氢溴酸以及醋酸的介质,并且其腐蚀性随着温度的升高而增强,所以用于这类介质的控制阀材质也因温度的不同而不同。笔者在进行选型工作中大致参考的原则:温度小于100℃时选择不锈钢316L;温度在100~135℃之间时选择双相钢2205或哈氏合金C276;温度大于135℃时选择钛材。对于其他介质,控制阀材质的选择详见表1所列。由于各国材料牌号标准以及各生产厂家遵循的牌号标准各不相同,这也给控制阀的选型工作带来了一定麻烦,表1中另列出了几种在PTA装置中常用的材质及其在几个不同国家的牌号。

表1 PTA装置控制阀材质选择及材料牌号对照表


表1列举的材质在一套PTA装置中不一定全都会采用,每一种介质适用的材质也并不一定是惟一的,具体使用哪一种材质与装置投资、日常维护等因素都有关系,为此在表1的基础上另有如下补充。

a)304/304L,316/316L的区别与选择。

316和316L不锈钢是含钼不锈钢种,316L不锈钢中的钼含量略高于316不锈钢,由于钢中的钼元素,使得316/316L不锈钢总的性能优于304/304L不锈钢;此外316/316L不锈钢还具有良好的耐氯化物侵蚀的性能;316L不锈钢的耐碳化物析出的性能比316不锈钢更好,因而相比316不锈钢,316L不锈钢可用于更高温的状况;316/316L不锈钢都具有良好的焊接性能,但是316不锈钢的焊接断面需要进行焊后退火处理,而316L不锈钢则不需要进行焊后退火处理。根据上述特点,在PTA装置中,对于阀芯、阀座、阀杆等关键部件还应尽量保证其最低选择材质为316L不锈钢。

b)考虑各种可能发生的工艺状况选择阀门材质。

在工艺专业提交给仪表专业的条件表中,其工艺参数往往只是正常生产情况下的数值,而装置开停车时对阀门的介质有更高的要求,在阀门的材质选择中应充分考虑到这种情况,例如氧化反应器的压缩空气进料管线上,为紧急停车系统设置了紧急切断阀,在正常情况下其工艺介质是压缩空气,介质选择不锈钢就已经足够了。但是,当紧急停车系统联锁触发后,氧化反应器的物料将直接与切断阀接触,这时若是不锈钢介质将很快被腐蚀,所以其材质应选择钛金属更为合适。

c)气蚀采用司太莱堆焊硬化处理。

在PTA装置中,有很多工艺状态会产生气蚀情况,应根据实际情况采取相应措施,而在阀门材质方面,应对不锈钢阀门采用司太莱堆焊硬化处理以降低气蚀对阀芯、阀座的冲蚀,延长阀门使用寿命。

4 控制阀流量特性、流开/流闭的选择

控制阀流量特性的选择主要以控制性能决定。控制阀流开/流闭的选择依据主要有如下几点。

a) 保护操作人员安全和设备的安全,是选择控制阀流开/流闭最基本也是最重要的原则。

b) 从使用寿命上来看,流闭型控制阀的寿命要大于流开型。所以在PTA装置控制阀的选型中,为避免固体颗粒直接冲刷阀芯,偏心旋转阀均采用流闭型。但是另需说明的一点是,由于流闭型控制阀的阻力较小,所以压力恢复大,它产生闪蒸的临界压差较之流开型要低,所以更容易产生闪蒸。

c) 从稳定性能来看,流开型要优于流闭型。

5 控制阀执行机构的选择

这里主要阐述执行机构在PTA装置的选型中应注意的事项。

a)阀门气开/气关的选择。

在PTA装置中,氧化反应器进料管线上安装的阀门,从安全的角度考虑,所有参加反应以及催化剂物料管线的控制阀和开关阀均选择气开作用方式,而保护氮气管线的控制阀及开关阀则选择气关作用方式。另外需要注意的是一般不推荐使用反作用阀门(阀杆向下移动阀门打开),这种阀门一般阀芯采用倒装方式,不便于维修及维护。当然这种提法也不是绝对的,譬如PTA装置中用到的角阀,有的厂家为了解决浆料堵塞的问题就采用了此种作用形式的设计。

b)不平衡力、不平衡力矩的计算。

不平衡力以及不平衡力矩的计算直接关系到阀门执行机构的选型。控制阀的不平衡力指直行程类控制阀阀芯所受的轴向合力;控制阀的不平衡力矩指角行程类控制阀阀杆所受的切向合力。不平衡力及不平衡力矩取决于很多因素,诸如:控制阀阀体形式、阀芯形状面积、阀门前后压差、流开/流闭形式、介质工艺参数等,在大部分关于控制阀的书籍中均可找到详尽的计算公式,这里将不予赘述。重点阐述的是阀门关闭时的工作压差,这一参数通常要大于阀门工作时的前后压差,所以在计算不平衡力(矩)时必须要考虑这种情况,否则将容易造成阀门关不严(对流开型阀门而言)或阀门打不开(对流闭型阀门而言)的情况发生。另外为了更加有效地克服阀杆与填料的摩擦力、阀芯与导向装置间的摩擦力等,往往计算出来的数据再乘以一个系数,在PTA装置中这个系数笔者倾向于取1.5,而这个参数是否恰当还需要在各类阀门的运行中加以验证。

c)执行力的其他要求。

上面所说的不平衡力、不平衡力矩的计算,直接关系到执行机构的选型。然而在PTA装置中的某些工况,并不能仅仅依据这些计算结果来选择执行机构,还需要考虑其他因素的影响,如:1)用于紧急联锁切断的阀门,通常都规定了其关断时间,这种情况就需要考虑阀门执行机构输出的执行力(矩)是否满足关断时间的要求。但是执行力(矩)也并不是越大越好,因为执行力(矩)过大将增大阀座负载,往往会加剧对阀芯和阀座的冲击,从而缩短阀门寿命。所以此种情况一般以执行力刚好满足关断时间为宜;2)在诸如浆料类介质管道上安装的阀门需要考虑随着时间的推移物料会黏附在阀芯和阀座上的问题,这会增大阀门打开或关断时所需要的执行力,而这个执行力有时会是计算结果的几倍甚至近十倍以上,这种状况同时也会造成阀门开度越来越大的情况。

在PTA工艺中很多还采取了一些其他有效措施,如阀门运行一段时间后,控制系统会控制阀门运行一个完整的行程后再恢复正常控制,从而除去黏结在阀芯、阀座上的物料。这种情况在执行机构的选择中尤为值得注意,以避免执行力不足的情况发生,在PTA装置中尤以角阀为重。

6 阀门附件的选择

a) 电气阀门定位器、电磁阀。电气阀门定位器完成阀门控制的要求,电磁阀通过得/失电切断阀门的气路,以完成开关阀门的作用,并且可在现场设置手动开关以通断电磁阀的供电回路,从而完成现场同时操作的目的。电磁阀失电的情况下,通过改变气路配置可以更改阀门的开关状态。

b) 阀门位置/行程开关。用于反映阀门开关/行程状态,有很多种测量形式的这类开关,目前常见的是非接触电磁感应式(NAMUR),它在PTA装置中也得到了大量的应用。

c) 机械限位开关。为了完成某些工艺要求,要求阀门操作时其CV值不超过或不低于某一个值,而在阀门执行机构上安装的限制开关,各个厂家做法不一,但基本原理都是通过限制阀杆行程来实现的。

d) 手轮及手轮锁定开关。笔者在PTA装置控制阀的选型工作中,一般未设置旁路的控制阀都加装了手轮,以便于日后的现场操作。而对于一些重要的工况,如结晶器间的控制阀、部分蒸汽/凝液控制阀等不允许随便启用手轮,这时还应加装手轮锁定开关,只有当此开关打开时才可启用手轮,且此开关打开时在DCS内有报警信号以提示控制室人员手轮锁定开关处于打开状态。

e) 储气罐。在PTA装置中需要设置储气罐的情况:无弹簧的活塞执行机构为实现气开、气关,须配置储气罐;当阀门气源供给中断时,为了装置安全停车等因素,需要对关系到安全停车的阀门设置储气罐,而此用途的储气罐容积须满足阀门正常动作2~3次;对于动作时用气量较大且要求迅速关断的阀门,须配置储气罐。

7 特殊要求

a) 气蚀情况的处理。

所有阀门的选型过程中都应注意气蚀问题,如果气蚀不可避免,应从多方面考虑这个问题,总结上述章节,首先应在阀芯、阀座的材质上采取堆焊斯太莱合金等硬化措施;其次,有时阀门流开/流闭形式的不同也会影响气蚀情况;还可在阀后加装一块孔板以提高阀后压力,从而减轻气蚀,这种方法会影响阀门流量系数的计算,这点须予以考虑。

b)探伤。

对于很多重要的阀门需要对其进行特定的非破坏性检验,以保证阀门的健康性和完整性,这种非破坏性检验通常称之为阀体探伤,PTA装置中的阀门通常要求除进行正常的液体渗透探伤外,还应要求做超声波探伤或X射线照相探伤。一般6英寸以内阀门做整体探伤,而6英寸以上阀门可仅对关键部件进行探伤。阀门的探伤要求会提高阀门造价,装置是否采取这一步骤有时还应综合考虑。

c)噪音解决。

减小噪音的措施:加装消音器;消除共振;加厚工艺管道壁厚;阀门包裹吸音或隔音材料。

8 结束语

以上叙述了控制阀在PTA装置应用中的选型和注意事项等,由于PTA工艺流程的复杂性、介质的多样性,使得装置中的控制阀多种多样。由控制阀的原因而引起的停车也屡有发生,控制阀选型将直接关系到PTA装置的控制及安全,其选型应引起足够的注意。

参考文献:

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