分子筛自控阀故障原因分析及滑板切断阀运用案例分享

分子筛自控阀故障原因分析及滑板切断阀运用案例分享

 

张浩 张军明

（张浩     河南神马氢化学有限责任公司 平顶山 467000）

（张军明   河南神马氢化学有限责任公司 平顶山 467000）

 

    摘要：本文首先讨论了工作在分子筛设备上的轨道球阀易产生的问题和原因，其次剖析了滑板切断阀的结构特点以及分享了滑板切断阀在合成氨的液氮洗设备中成功替换轨道球阀的案例。

    关键字：轨道球阀、滑板切断阀、分子筛、分子筛纯化器、PSA、液氮洗。

 

Analysis of the Causes of Malfunctions in Molecular Sieve Control Valves and Sharing of Application Cases of Sliding Plate Shutoff Valves

 

ABSTRACT: This article first discusses the problems and reasons that are prone to occur with orbital ball valves working on molecular sieve equipment. Secondly, it analyzes the structural characteristics of the sliding plate shut-off valve and shares a case study of the successful replacement of orbital ball valves by sliding plate shut-off valves in liquid nitrogen washing equipment for synthetic ammonia. 

Keywords: Rail ball valve, sliding plate shut-off valve, molecular sieve, molecular sieve purifier, air separation.

 

引言

 

在分子筛（PSA、液氮洗）设备上运行的自控阀设备因再生工艺的要求，自控阀工作时需要在-40℃～350℃温度范围内交变使用，介质压力在1.0MPa～6.0MPa范围内变化，且介质流向也根据工艺需求在10min～5h内切换一次。在介质压力、温度和流向不断变换的工况下，自控阀主要采用轨道球阀结构，市场也基本被美国的ORBIT公司垄断。虽然轨道球阀能够在交变的温度、压力和流向工况下实现长周期双向无泄漏[1]，但是阀门易出现动作卡顿、抱死和阀杆断裂等问题长期困扰国内生产企业。进口轨道球阀不仅价格昂贵，而且货期长，维修也不方便。有没有一种可靠、长寿命的阀门结构可以替代轨道球阀，一直时生产企业和阀门供应商致力的方向。本文结合轨道阀的结构，分析了造成轨道球阀故障的结构因素，同时也分享了滑板阀成功在广安某化工企业分子筛（液氮洗）设备上成功运用的案例，其参数如下所示：

 

运行装置：160万吨/年联碱配套39万吨合成氨项目

安装位置：干燥器6.1-1201-01入口再生气旁路切断阀

阀门位号：0V-6785A

阀门形式：滑板切断阀

公称口径：3"

公称压力：600LB

工作介质：氢氮气

介质压力：阀前3.392MPa，阀后1.665MPa

工作压差：1.737MPa

介质温度：4-300℃（最高316℃）

升温速度：15℃/分钟

降温速度：24℃/分钟

动作频率：37小时（开关一次）

 

正文

1. 轨道球阀启闭原理及优缺点

1.1轨道球阀启闭原理

 

图1

 

如图1所示，轨道球阀由阀体、阀芯、阀杆、导销和上盖组成。轨道球阀开启时，阀杆向上运动，阀杆上设计的上直导槽与导销配合，阀杆做向上直线运动，阀杆上设计的斜推面与阀芯上的滑动销配合，使阀芯与阀座脱开（如图2所示）；阀杆继续向上运动，此时阀杆上设计的螺旋导槽与导销配合，阀杆同时做90°的旋转运动，阀杆在阀芯的滑动销、限位销和旋转底座的配合下带动阀芯做90°的旋转运动（如图2所示）； 阀杆继续向上运动至下直导槽时，阀门完全开启。轨道球阀关闭时，阀杆向下运动，也是利用阀杆上设计的直、螺旋导槽与导销配合实现阀门的关闭，螺旋导槽段实现阀芯的旋转，上直导槽实现阀门的关闭功能。

图2

 

1.2轨道球阀优缺点

1.2.1优点

根据轨道球阀的启闭原理可知，阀门在启闭过程中阀芯与阀座时完全脱开的，阀门密封面在启闭过程中无机械摩擦干涉，操作扭矩低[2]。阀门关闭时，阀门依靠介质压力和阀杆斜推面产生的推力密封，密封性能好，可实现全压差、全温度范围内双向的严密密封[3]。

1.2.2缺点

根据生产实践可知，轨道球阀在使用过程中容易出现启闭卡阻、不动作和阀杆断裂的情况，尤其在动作频繁的工况。如下图3所示，轨道阀的零部件损伤图。轨道球阀的阀杆和导销是最容易被损坏的部件。

图3

 

2. 造成轨道球阀故障原因分析

2.1阀杆导槽和导销磨伤原因

从轨道球阀启闭原理可知，阀门启闭动作实现完全是依靠阀杆上的螺旋导槽与导销的滑动配合实现（如下图4所示）。在设计上销与槽应是线接触，因加工和装配误差，销与槽的配合并不那么完美，尤其在直线导槽与螺旋导槽交接处配合误差更大。配合误差使导销与导槽存在点接触配合形成的应力集中，当应力超过材料的强度极限时，导销或导槽即被磨伤（如图3所示）。

 

 

2.2斜推面附近阀杆磨伤原因

当轨道阀启闭时，阀杆做上下运动的同时做90°的旋转运动,阀杆不仅要承受旋转运动的力矩，还要承受上下运动的推力和拉力[4]，阀杆与阀芯的力传递依靠设计在阀芯上的导销和限位销以及旋转底座来实现，当阀门关闭时，阀芯不仅要抵抗介质压力，还要克服滑动摩擦阻力，这些力都被传递到阀杆的斜推面上（如图5所示）。轨道阀启闭时，阀杆在高负载（10Kg～60kg的工作压差）下动作，另外还受到配合误差造成的应力集中影响，阀杆斜推面附近是非常容易拉伤的（如图3所示）。

 

3. 滑板切断阀在分子筛工况成功运用案例分享及结构特点

3.1滑板阀运用案例分享

在广安某合成氨生产企业的氢氮洗装置上因轨道球阀频繁出现启闭卡阻、卡死等故障而长期得不到很好的解决，后来与重庆川武仪表有限公司合作开发了一款专门用于分子筛工况上（干燥器6.1-1201-01入口再生气旁路切断阀）的滑板切断阀。阀门每37小时介质流向交换一次，工作温度在4～316℃范围内交变，每次换向时的升温和降温速度分别是15℃/分和24℃/分。升温时阀门温度从4℃至316℃，降温时阀门温度从316℃降至4℃。滑板切断阀于2022年7月安装，至今仍然正常运行。此阀采用直行程无旋转启闭方式，双阀座面密封结构，与轨道阀相比，完全不用担心阀杆被拉伤的情况发生。前后阀座都设计有弹簧，即使在温度交变情况下也不会担心卡死的情况发生。

3.2滑板切断阀结构及性能特点

3.2.1滑板切断阀结构示意图，如图6所示。

从滑板切断阀结构示意图中可知，阀门采用板式面密封结构，阀板与前后阀座采用面密封结构，前后阀座和阀板采用浮动式设计。当阀门动作时阀板与前后阀座作紧密贴合的相对滑动实现阀门的启闭。当阀门关闭时，阀门的密封力来自于前后的介质压差力和弹簧的推力。

3.2.2滑板阀结构性能特点

3.2.2.1持久双向严密[5]密封性能

阀板采用浮动式设计，依靠介质压力和弹簧力自动补偿温度变化造成的密封面配合误差。阀门启闭过程中或者全关时，阀前后的介质压差力帮助阀门密封，压差力越大，越有利于阀门密封。阀板阀座经过严格的硬化、研磨处理，阀板与阀座达到完美贴合。

3.2.2.2启闭灵活可靠

前后阀座采用弹簧预紧浮动式设计。一方面保证了阀板与阀座保持持久严密贴合；另一方面也消除了硬对硬的机械干涉阻碍。双重尘封圈设计，将预紧弹簧工作区域与分子筛颗粒物（设备后期存在的分子筛泄漏）完全分隔，消除了颗粒物淤积造成阀板浮动余量消失的可能性发生。阀板启闭方向与介质流向垂直，滑板阀结构具有强有力的自洁和剪切性能，可轻松剪断分子筛粉末而不损伤阀门密封面。

 

4. 总结

1、轨道球阀易产生启闭卡阻、抱死、阀杆或导销断裂的主要原因，一方面是零件尺寸的加工精度和装配精度误差造成的局部应力超过材料强度所致；另一方面是阀杆的负载集中在斜推面附近，受力集中，材料变形量大，不利于长期动作。

2、滑板切断阀是在分子筛设备工况上特定研发的一种新型的阀门结构，虽然没有大面积采用，但是在氢氮洗介质工况得到了成功地运用。滑板阀阀杆仅做直线运动，阀板与阀座也采用面密封结构，受力分散，材料变形量小。阀板采用浮动式设计，即使在温度变化场合，也能够及时补偿温度变化造成的材料收缩和膨胀引起的密封面配合误差。

 

参考文献：

1、单祥. 分子筛装置用ORBIT轨道球阀故障分析及处理[J]. 《大氮肥》2017年 第3期 173-176页 共4页。

2、李新建 林勇 刘军峰 李想 董安春 李成 王丹 陈志. 轨道球阀结构特点与密封性能研究[J]. 《石油化工设备》2022年 第2期 22-28页 共7页。

3、刘醒愚. 轨道球阀在合成氨装置中的应用及故障分析[J]. 《炼油与化工》2016年 第3期 50-52页 共3页。

4、李华山. 过轨道球阀在分子筛程控中应用故障浅析[J]. 《云南化工》2018年 第4期 53-53页 共1页。

5、潘锦 鲁正乐. 滑板切断阀在聚烯烃装置PDS场合的应用 [J].《设备管理与维修》2022年 第22期 116-117页 共2页。

 

作者

作者个人信息：张浩（2000 -03-07），女，河南省平顶山市，民族:汉族，学历：本科  河南神马氢化学有限责任公司，自控仪表维修。

作者个人信息：张军明（1976 -12-08），男，河南省平顶山市，民族:汉族，学历：本科   河南神马氢化学有限责任公司，自控仪表维修。

 

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