在某300kt/a乙酸裝置中，合成反應釜自循環(huán)管線上所采用的普通型PTFE(聚四氟乙烯)內襯旋塞閥經(jīng)常出現(xiàn)內襯損壞的情況，經(jīng)分析主要原因是冷流現(xiàn)象導致內襯脫落，現(xiàn)場操作導致內襯錯位，閥門半開半閉導致內襯變形，內襯熱膨脹導致閥芯旋轉時剪切脫落，溫度升高導致PTFE力學性能下降。通過采用T475材質來取代原有的普通型PTFE內襯，并改變旋塞閥的內部結構，使旋塞閥內襯損壞的問題得到解決，取得了較好的結果。

　　乙酸作為重要的化工中間體產(chǎn)品，有著廣泛的應用，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)的不斷增長和乙酸下游產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)力度的不斷加大為中國乙酸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的背景環(huán)境和機遇。

　　兗礦國泰化工有限公司已從建廠初期的1套200kt/a的乙酸裝置擴產(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，尤其是在合成反應釜自循環(huán)管線上有著嚴格的溫度要求。為能達到應有的運行效果，該循環(huán)管線溫度一般控制在185~195℃之間，壓力等級在2.8~4.0MPa之間。但在該管線上大部分采用的是內襯普通型PTFE(聚四氟乙烯)材質的旋塞閥，在系統(tǒng)運行2~3個月時間進行停車檢修時，發(fā)現(xiàn)閥門無法關緊，不能進行應有的工藝處理。檢查發(fā)現(xiàn)旋塞閥內襯有不同程度的脫落，更嚴重者有撕裂現(xiàn)象發(fā)生。為保證生產(chǎn)的正常進行，對此問題進行了分析與處理。

1、旋塞閥內襯變形和脫落的原因分析

1.1、冷流現(xiàn)象導致內襯脫落

　　在常溫下，塑料、橡膠、金屬等固體在負荷下發(fā)生形變，去掉負荷后不能恢復原形的變形現(xiàn)象稱之為冷流。冷流現(xiàn)象在內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襯旋塞閥，由于特材閥門訂貨周期較長，有時怕影響工期，會提前半年到貨，因此當應用于系統(tǒng)中時，可能已在倉庫存放半年之久，這樣就有可能由于存放不善導致內襯受力，當應力取消時，又無法回到原有的理想狀態(tài)，造成形變。對該問題的解決方法一是在保存時保持內襯材料不受任何應力作用，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)封閉好旋塞閥的進出口，使其形成一個密閉的環(huán)境;二是要求管理員對旋塞閥進行全開式存放，也就是使閥芯、內襯和殼體保持緊密貼合，防止內襯因外力作用發(fā)生變形。以上2種方法基本能解決冷流現(xiàn)象造成的變形問題。

1.2、現(xiàn)場操作導致內襯錯位

　　由于操作人員在操作過程中經(jīng)常會開啟或關閉旋塞閥，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)，這就導致內襯和旋塞的摩擦力過大。若操作人員在旋轉手輪時不能均勻地使旋塞受力，就有可能使旋塞和內襯發(fā)生錯位，導致高流速、大流量和高溫的液體一直沖刷內襯材料，時間一長，內襯與殼體之間存在了大量的介質，就會使內襯逐漸從殼體上脫落。這種現(xiàn)象造成的內襯脫落主要是人為因素引起的，因此，在操作過程中用加長桿或F型扳手進行均勻用力，以減少由于用力過猛而導致的內襯錯位或損壞現(xiàn)象，類似問題可以較容易地解決。

1.3、閥門半開半閉導致內襯變形

　　當旋塞閥處于全開狀態(tài)時，閥芯和閥體完全將內襯包裹起來，基本上不與介質接觸;當旋塞閥處于全關狀態(tài)時，閥芯將介質與內襯全部隔離，內襯基本上也不會與介質發(fā)生接觸。這是正確的使用旋塞閥的方法，同時也能延長閥門的使用壽命。但在實際生產(chǎn)過程中，旋塞閥經(jīng)常處于半開半閉狀態(tài)，如圖1(a)所示，工藝介質不斷地沖刷旋塞閥內襯，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，使內襯受到溫度變化和無規(guī)律的交變應力。而普通型PTFE內襯為軟材料，受到交變應力會發(fā)生變形，影響其使用壽命。隨著旋塞閥使用時間的加長，閥門入口處內襯就會不斷地被介質沖刷變形，發(fā)生脫落，如圖1(b)所示。

圖1 旋塞閥半開半閉導致內襯變形

1.4、內襯熱膨脹導致閥芯旋轉時剪切脫落

　　PTFE晶體在19℃和30℃左右存在2個可逆轉變，第1個轉變是PTFE晶體由三斜晶系轉變?yōu)榱�方晶系，體積約增加1.2%;而在30℃時，PTFE晶體發(fā)生結晶松弛，C-C鏈螺旋變成無規(guī)則纏繞，體積變化約為19℃時的10%。由于在結晶轉變和結晶松弛過程中PTFE的體積發(fā)生明顯的變化，對普通型PTFE內襯的應用性能會產(chǎn)生一定影響。而旋塞閥的工作溫度大大超過了19℃和30℃這2個溫度膨脹點，因此當旋塞閥處于正常工作狀態(tài)下時，會發(fā)生熱膨脹變形，如圖2(a)。當關閉閥門時，旋塞閥閥芯會和內襯形成一定的剪切力造成如圖2(b)所示的內襯變形。由于PTFE內襯是軟材料，隨著閥芯的進一步旋轉，過大的剪切力很可能把邊緣的內襯材料從旋塞閥中剪切掉，這也是導致旋塞閥內漏的一個重要原因。

圖2 內襯熱膨脹變形

1.5、溫度升高導致PTFE力學性能下降

　　PTFE材料的拉伸強度隨溫度的升高逐步降低，約以100℃為拐點。當溫度小于100℃時，拉伸強度的變化梯度較高于100℃時的變化梯度大。

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

　　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，分子間的結合力逐漸減弱的緣故。

2、防止旋塞閥內襯損害的處理方法

　　由于旋塞閥的保管、現(xiàn)場工藝人員的操作和普通型PTFE內襯的固有特性等，導致旋塞閥使用過程中內襯易變形和脫落。如何在不改變現(xiàn)有工藝和操作的前提下，解決存在的問題，可以從以下2個方面進行。

2.1、采用T475材質取代原有的普通型PTFE內襯

　　2.1.1、T475內襯材質的溫度應用范圍廣

　　T475內襯比普通型PTFE內襯有著更廣泛的溫度應用范圍。圖3為T475和普通型PTFE 2種內襯材質，在旋塞閥都采用class300壓力等級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，壓力等級在2.8~4.0MPa之間。由圖3可見，在正常溫度控制范圍內，普通型PTFE的性能曲線直線下降，而T475內襯材質在該溫度和壓力等級下未發(fā)現(xiàn)明顯的性能下降趨勢。

圖3 2種內襯材質的溫度-壓力變化曲線

　　2.1.2、T475內襯材質能更好地減少冷流現(xiàn)象

　　圖4所示是在15N/mm2壓力等級和23℃的溫度條件下，操作100h，對比普通型PTFE和T475內襯材質的冷流情況�？梢�，T475材質抗冷流效果比PTFE優(yōu)越。

圖4 2種內襯材質抗冷流對比

　　2.1.3、采用T475可以改善內襯材質的變形特性

　　T475在承載負荷時會發(fā)生極小的蠕變與變形，主要原因是其微觀結構是由改進的非晶相及鏈狀分枝組成的。T475在承載負荷條件下的變形與含有25%的碳的PTFE相似，見圖5。

圖5 2種內襯材質的壓力-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，同時純度降低。填充物對介質的撞擊更加敏感，這也會使密封性大大下降。T475不僅抗變形，而且密封特性、抗介質撞擊及純度都得到了改善。

　　2.1.4、T475內襯的強度和韌性提高

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

　　拉伸載荷位移比較表明，T475比PTFE更耐應力龜裂，如圖6所示。

圖6 2種內襯材質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滑性，降低了摩擦、扭矩等。

2.2、改變旋塞閥的內部結構

　　對旋塞閥的殼體和內襯結構進行改造，如圖7所示，以減少內襯的損壞。

　　a)由于閥芯和內襯的摩擦力過大，當閥門開關時，內襯與殼體之間發(fā)生一定的位移，而改造后的殼體阻止了內襯材料發(fā)生錯位現(xiàn)象，也就減少了內襯損害的可能。

圖7 旋塞閥殼體和內襯的結構改造

　　b)由于旋塞閥內襯材料固有的熱膨脹因素，因此，在旋塞閥鑄造成型時留有一定的空腔，當內襯因溫度上升而膨脹時，膨脹出來的內襯也不會出現(xiàn)在流道口，避免了被介質反復的沖刷。

3、結語

　　綜上所述，現(xiàn)在所采用的T475內襯材質，對普通型PTFE因冷流、摩擦力過大、溫度的頻繁波動和熱膨脹對內襯的影響都有很好的預防效果。再加上對殼體的改造，也進一步減輕了內襯材料的損壞情況。