在某300kt/a乙酸裝置中，合成反應(yīng)釜自循環(huán)管線上所采用的普通型PTFE(聚四氟乙烯)內(nèi)襯旋塞閥經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)襯損壞的情況，經(jīng)分析主要原因是冷流現(xiàn)象導(dǎo)致內(nèi)襯脫落，現(xiàn)場(chǎng)操作導(dǎo)致內(nèi)襯錯(cuò)位，閥門半開半閉導(dǎo)致內(nèi)襯變形，內(nèi)襯熱膨脹導(dǎo)致閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)剪切脫落，溫度升高導(dǎo)致PTFE力學(xué)性能下降。通過(guò)采用T475材質(zhì)來(lái)取代原有的普通型PTFE內(nèi)襯，并改變旋塞閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使旋塞閥內(nèi)襯損壞的問(wèn)題得到解決，取得了較好的結(jié)果。

　　乙酸作為重要的化工中間體產(chǎn)品，有著廣泛的應(yīng)用，其衍生物有數(shù)百種之多。乙酸下游產(chǎn)品纖維、涂料、黏合劑等產(chǎn)業(yè)的不斷增長(zhǎng)和乙酸下游產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)力度的不斷加大為中國(guó)乙酸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的背景環(huán)境和機(jī)遇。

　　兗礦國(guó)泰化工有限公司已從建廠初期的1套200kt/a的乙酸裝置擴(kuò)產(chǎn)為300kt/a，并新建了第2套300kt/a產(chǎn)能的乙酸裝置。由于二期裝置在催化劑的選用與合成循環(huán)量的大小方面與一期有著根本的區(qū)別，因此在工藝操作上存在著很大的不同，尤其是在合成反應(yīng)釜自循環(huán)管線上有著嚴(yán)格的溫度要求。為能達(dá)到應(yīng)有的運(yùn)行效果，該循環(huán)管線溫度一般控制在185~195℃之間，壓力等級(jí)在2.8~4.0MPa之間。但在該管線上大部分采用的是內(nèi)襯普通型PTFE(聚四氟乙烯)材質(zhì)的旋塞閥，在系統(tǒng)運(yùn)行2~3個(gè)月時(shí)間進(jìn)行停車檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥門無(wú)法關(guān)緊，不能進(jìn)行應(yīng)有的工藝處理。檢查發(fā)現(xiàn)旋塞閥內(nèi)襯有不同程度的脫落，更嚴(yán)重者有撕裂現(xiàn)象發(fā)生。為保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了分析與處理。

1、旋塞閥內(nèi)襯變形和脫落的原因分析

1.1、冷流現(xiàn)象導(dǎo)致內(nèi)襯脫落

　　在常溫下，塑料、橡膠、金屬等固體在負(fù)荷下發(fā)生形變，去掉負(fù)荷后不能恢復(fù)原形的變形現(xiàn)象稱之為冷流。冷流現(xiàn)象在內(nèi)襯旋塞閥中普遍存在，尤其是在乙酸工藝條件下使用的特材內(nèi)襯旋塞閥，由于特材閥門訂貨周期較長(zhǎng)，有時(shí)怕影響工期，會(huì)提前半年到貨，因此當(dāng)應(yīng)用于系統(tǒng)中時(shí)，可能已在倉(cāng)庫(kù)存放半年之久，這樣就有可能由于存放不善導(dǎo)致內(nèi)襯受力，當(dāng)應(yīng)力取消時(shí)，又無(wú)法回到原有的理想狀態(tài)，造成形變。對(duì)該問(wèn)題的解決方法一是在保存時(shí)保持內(nèi)襯材料不受任何應(yīng)力作用，保持旋塞閥流道整潔和暢通，并用非金屬材料擋板(如木板、塑料等)封閉好旋塞閥的進(jìn)出口，使其形成一個(gè)密閉的環(huán)境;二是要求管理員對(duì)旋塞閥進(jìn)行全開式存放，也就是使閥芯、內(nèi)襯和殼體保持緊密貼合，防止內(nèi)襯因外力作用發(fā)生變形。以上2種方法基本能解決冷流現(xiàn)象造成的變形問(wèn)題。

1.2、現(xiàn)場(chǎng)操作導(dǎo)致內(nèi)襯錯(cuò)位

　　由于操作人員在操作過(guò)程中經(jīng)常會(huì)開啟或關(guān)閉旋塞閥，并且用于該循環(huán)管線上的閥門尺寸為大口徑(一般為8d或10d)，這就導(dǎo)致內(nèi)襯和旋塞的摩擦力過(guò)大。若操作人員在旋轉(zhuǎn)手輪時(shí)不能均勻地使旋塞受力，就有可能使旋塞和內(nèi)襯發(fā)生錯(cuò)位，導(dǎo)致高流速、大流量和高溫的液體一直沖刷內(nèi)襯材料，時(shí)間一長(zhǎng)，內(nèi)襯與殼體之間存在了大量的介質(zhì)，就會(huì)使內(nèi)襯逐漸從殼體上脫落。這種現(xiàn)象造成的內(nèi)襯脫落主要是人為因素引起的，因此，在操作過(guò)程中用加長(zhǎng)桿或F型扳手進(jìn)行均勻用力，以減少由于用力過(guò)猛而導(dǎo)致的內(nèi)襯錯(cuò)位或損壞現(xiàn)象，類似問(wèn)題可以較容易地解決。

1.3、閥門半開半閉導(dǎo)致內(nèi)襯變形

　　當(dāng)旋塞閥處于全開狀態(tài)時(shí)，閥芯和閥體完全將內(nèi)襯包裹起來(lái)，基本上不與介質(zhì)接觸;當(dāng)旋塞閥處于全關(guān)狀態(tài)時(shí)，閥芯將介質(zhì)與內(nèi)襯全部隔離，內(nèi)襯基本上也不會(huì)與介質(zhì)發(fā)生接觸。這是正確的使用旋塞閥的方法，同時(shí)也能延長(zhǎng)閥門的使用壽命。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，旋塞閥經(jīng)常處于半開半閉狀態(tài)，如圖1(a)所示，工藝介質(zhì)不斷地沖刷旋塞閥內(nèi)襯，且由于開車初期系統(tǒng)處于不穩(wěn)定階段，系統(tǒng)的溫度、壓力和流量等都在不斷的改變，使內(nèi)襯受到溫度變化和無(wú)規(guī)律的交變應(yīng)力。而普通型PTFE內(nèi)襯為軟材料，受到交變應(yīng)力會(huì)發(fā)生變形，影響其使用壽命。隨著旋塞閥使用時(shí)間的加長(zhǎng)，閥門入口處內(nèi)襯就會(huì)不斷地被介質(zhì)沖刷變形，發(fā)生脫落，如圖1(b)所示。

圖1 旋塞閥半開半閉導(dǎo)致內(nèi)襯變形

1.4、內(nèi)襯熱膨脹導(dǎo)致閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)剪切脫落

　　PTFE晶體在19℃和30℃左右存在2個(gè)可逆轉(zhuǎn)變，第1個(gè)轉(zhuǎn)變是PTFE晶體由三斜晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榱�方晶系，體積約增加1.2%;而在30℃時(shí)，PTFE晶體發(fā)生結(jié)晶松弛，C-C鏈螺旋變成無(wú)規(guī)則纏繞，體積變化約為19℃時(shí)的10%。由于在結(jié)晶轉(zhuǎn)變和結(jié)晶松弛過(guò)程中PTFE的體積發(fā)生明顯的變化，對(duì)普通型PTFE內(nèi)襯的應(yīng)用性能會(huì)產(chǎn)生一定影響。而旋塞閥的工作溫度大大超過(guò)了19℃和30℃這2個(gè)溫度膨脹點(diǎn)，因此當(dāng)旋塞閥處于正常工作狀態(tài)下時(shí)，會(huì)發(fā)生熱膨脹變形，如圖2(a)。當(dāng)關(guān)閉閥門時(shí)，旋塞閥閥芯會(huì)和內(nèi)襯形成一定的剪切力造成如圖2(b)所示的內(nèi)襯變形。由于PTFE內(nèi)襯是軟材料，隨著閥芯的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，過(guò)大的剪切力很可能把邊緣的內(nèi)襯材料從旋塞閥中剪切掉，這也是導(dǎo)致旋塞閥內(nèi)漏的一個(gè)重要原因。

圖2 內(nèi)襯熱膨脹變形

1.5、溫度升高導(dǎo)致PTFE力學(xué)性能下降

　　PTFE材料的拉伸強(qiáng)度隨溫度的升高逐步降低，約以100℃為拐點(diǎn)。當(dāng)溫度小于100℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度的變化梯度較高于100℃時(shí)的變化梯度大。

　　PTFE材料的極限名義應(yīng)變?yōu)闇囟鹊倪f增凸函數(shù)。極限名義應(yīng)變的變化，大約以25℃為界。當(dāng)溫度小于25℃時(shí)極限名義應(yīng)變隨溫度升高而線性增長(zhǎng);當(dāng)溫度大于25℃時(shí)，極限名義應(yīng)變幾乎不受溫度影響。這說(shuō)明低溫時(shí)PTFE材料的延伸率低、強(qiáng)度大，高溫時(shí)延伸率高、強(qiáng)度小。

　　PTFE材料的彈性模量隨溫度的升高而降低。主要是隨著溫度的逐漸升高，分子間的結(jié)合力逐漸減弱的緣故。

2、防止旋塞閥內(nèi)襯損害的處理方法

　　由于旋塞閥的保管、現(xiàn)場(chǎng)工藝人員的操作和普通型PTFE內(nèi)襯的固有特性等，導(dǎo)致旋塞閥使用過(guò)程中內(nèi)襯易變形和脫落。如何在不改變現(xiàn)有工藝和操作的前提下，解決存在的問(wèn)題，可以從以下2個(gè)方面進(jìn)行。

2.1、采用T475材質(zhì)取代原有的普通型PTFE內(nèi)襯

　　2.1.1、T475內(nèi)襯材質(zhì)的溫度應(yīng)用范圍廣

　　T475內(nèi)襯比普通型PTFE內(nèi)襯有著更廣泛的溫度應(yīng)用范圍。圖3為T475和普通型PTFE 2種內(nèi)襯材質(zhì)，在旋塞閥都采用class300壓力等級(jí)下溫度和壓力的性能變化曲線。在旋塞閥經(jīng)常損害的管線上，溫度范圍在185~195℃之間，壓力等級(jí)在2.8~4.0MPa之間。由圖3可見(jiàn)，在正常溫度控制范圍內(nèi)，普通型PTFE的性能曲線直線下降，而T475內(nèi)襯材質(zhì)在該溫度和壓力等級(jí)下未發(fā)現(xiàn)明顯的性能下降趨勢(shì)。

圖3 2種內(nèi)襯材質(zhì)的溫度-壓力變化曲線

　　2.1.2、T475內(nèi)襯材質(zhì)能更好地減少冷流現(xiàn)象

　　圖4所示是在15N/mm2壓力等級(jí)和23℃的溫度條件下，操作100h，對(duì)比普通型PTFE和T475內(nèi)襯材質(zhì)的冷流情況。可見(jiàn)，T475材質(zhì)抗冷流效果比PTFE優(yōu)越。

圖4 2種內(nèi)襯材質(zhì)抗冷流對(duì)比

　　2.1.3、采用T475可以改善內(nèi)襯材質(zhì)的變形特性

　　T475在承載負(fù)荷時(shí)會(huì)發(fā)生極小的蠕變與變形，主要原因是其微觀結(jié)構(gòu)是由改進(jìn)的非晶相及鏈狀分枝組成的。T475在承載負(fù)荷條件下的變形與含有25%的碳的PTFE相似，見(jiàn)圖5。

圖5 2種內(nèi)襯材質(zhì)的壓力-變形系數(shù)曲線

　　填充了碳或填充了玻璃纖維的PTFE可以抗變形，但密封的整體性變差，同時(shí)純度降低。填充物對(duì)介質(zhì)的撞擊更加敏感，這也會(huì)使密封性大大下降。T475不僅抗變形，而且密封特性、抗介質(zhì)撞擊及純度都得到了改善。

　　2.1.4、T475內(nèi)襯的強(qiáng)度和韌性提高

　　由于改善了顆粒聚結(jié)，T475在成型過(guò)程中的微裂縫的發(fā)展得到改善。而PTFE的微裂縫不僅增加滲透，也有利于應(yīng)力開裂，不適當(dāng)?shù)臒釞C(jī)械性能會(huì)使內(nèi)襯面臨著巨大的應(yīng)力。應(yīng)力和伸展往往產(chǎn)生“空洞”，這樣就容易形成“微裂縫”或“擴(kuò)散流道”，促使內(nèi)襯加速開裂。

　　拉伸載荷位移比較表明，T475比PTFE更耐應(yīng)力龜裂，如圖6所示。

圖6 2種內(nèi)襯材質(zhì)的拉伸載荷位移比較

　　2.1.5、T475的表面更加光滑

　　T475比PTFE的表面更加光滑。光滑的表面提高了密封性和潤(rùn)滑性，降低了摩擦、扭矩等。

2.2、改變旋塞閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　對(duì)旋塞閥的殼體和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，如圖7所示，以減少內(nèi)襯的損壞。

　　a)由于閥芯和內(nèi)襯的摩擦力過(guò)大，當(dāng)閥門開關(guān)時(shí)，內(nèi)襯與殼體之間發(fā)生一定的位移，而改造后的殼體阻止了內(nèi)襯材料發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象，也就減少了內(nèi)襯損害的可能。

圖7 旋塞閥殼體和內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)改造

　　b)由于旋塞閥內(nèi)襯材料固有的熱膨脹因素，因此，在旋塞閥鑄造成型時(shí)留有一定的空腔，當(dāng)內(nèi)襯因溫度上升而膨脹時(shí)，膨脹出來(lái)的內(nèi)襯也不會(huì)出現(xiàn)在流道口，避免了被介質(zhì)反復(fù)的沖刷。

3、結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，現(xiàn)在所采用的T475內(nèi)襯材質(zhì)，對(duì)普通型PTFE因冷流、摩擦力過(guò)大、溫度的頻繁波動(dòng)和熱膨脹對(duì)內(nèi)襯的影響都有很好的預(yù)防效果。再加上對(duì)殼體的改造，也進(jìn)一步減輕了內(nèi)襯材料的損壞情況。