分析了普通型PTFE內襯旋塞閥在醋酸系統(tǒng)合成反應釜自循環(huán)管線上應用時出現內襯損壞的原因，介紹了T475材料的性能和特點，論述了采用T475替代原有的普通型PTFE內襯和改變旋塞閥內部結構的方法。

1、概述

　　在30萬噸醋酸生產裝置的合成反應釜自循環(huán)管線上對溫度有著嚴格的要求。為了能夠達到應有的運行效果，此循環(huán)管線一般溫度控制在185~195℃，壓力控制在218~410MPa。此管線上大部分采用普通型PTFE內襯的旋塞閥，在系統(tǒng)運行2~3個月停車檢修時，發(fā)現閥門無法關緊，不能進行應有的工藝處理。查看原因主要是由于旋塞閥內襯均有不用程度的脫落，更嚴重的有撕裂現象。

2、故障分析

　　(1)冷流導致內襯脫落

　　在常溫下，塑料、橡膠和金屬等固體在負荷下發(fā)生變形，去掉負荷后不能恢復原形的變形現象稱之為冷流。冷流現象在內襯旋塞閥中普遍存在，尤其是在醋酸工藝條件下使用的特殊內襯旋塞閥。由于特殊閥門訂貨周期較長，一般在基礎建設前期進行采購，有時會存放半年，當閥門安裝于系統(tǒng)上時，可能由于存放原因導致內襯受力，當應力取消時，又無法回到原有的理想狀態(tài)，造成變形。對此現象解決方法一方面是注意閥門存儲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)封閉旋塞閥的進出口，使其形成一密閉的環(huán)境。另一方面要求對旋塞閥進行全開式存放，也就是使旋塞、內襯和閥體保持緊密貼合，防止內襯由于外力作用發(fā)生變形。

　　(2)操作不穩(wěn)導致內襯錯位

　　由于系統(tǒng)運行過程中經常會開啟或關閉旋塞閥，并且用于此循環(huán)管線上的閥門尺寸為大口徑閥門(一般為8in.(200mm)或10in.(250mm))，這就會導致內襯和旋塞的摩擦力過大，當操作人員在旋轉手輪時不能均勻的使旋塞受力，就有可能使旋塞和內襯發(fā)生錯位，導致高流速、大流量和高溫度液體沖刷內襯材料，并在內襯和閥體之間積存大量的介質，使內襯逐漸的從閥體上脫落。因此，在操作過程中用加長桿或F型扳手均勻用力，可以減少由于用力不均衡而導致的內襯錯位或損壞。

　　(3)閥門部分開啟導致內襯變形

　　開車初期系統(tǒng)處于試車調試階段，不能立刻達到滿負荷運行，要通過調節(jié)閥門的開度控制流量的大小。流量調節(jié)一般采用自調式截止閥。一方面數據能很直觀的反映在控制室里，有利于控制人員進行操作。另一方面能保證系統(tǒng)調試時現場無人，確保人員安全。而旋塞閥主要做切斷用，不用于流量調節(jié)。但是開車初期系統(tǒng)波動頻繁，系統(tǒng)溫度和流量如果只采用自調式截止閥控制不能起到微調的作用。所以只能是控制室和現場人員互相配合，通過調節(jié)旋塞閥開度進行微調，這就出現了旋塞閥存在半開半閉的現象。

　　當旋塞閥處于全開狀態(tài)時，旋塞和閥體完全把內襯包裹起來，基本上不和介質接觸。當旋塞閥處于全關狀態(tài)時，旋塞把介質和內襯全部隔離，內襯基本上也不會和介質發(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。但是受條件限制，旋塞閥經常處于部分開啟狀態(tài)(圖1a)，工藝介質在不斷的沖刷旋塞閥內襯。而開車初期系統(tǒng)處于不穩(wěn)定階段，溫度、壓力和流量等不斷的變化，使內襯受到無規(guī)律的交變應力。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，閥門入口處內襯因介質沖刷變形與閥體脫離(圖1b)。

1.旋塞 2.閥體 3.內襯

(a)旋塞閥部分開啟 (b)內襯脫落

圖1 閥門工作狀態(tài)

　　(4)內襯受熱膨脹導致旋塞旋轉時剪切脫落

　　PTFE晶體在19℃和30℃時存在2個可逆轉變。第一個轉變是PTFE晶體由三斜晶系轉變?yōu)榱�方晶系，體積約增加112%。第二個轉變是30℃時PTFE晶體又發(fā)生結晶松弛，C-C鏈螺旋變成無規(guī)則纏繞，30℃時的體積變化約為19℃時的10%。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，相應對普通型PTFE內襯的應用性能產生一定影響。

1.旋塞 2.閥體 3.內襯

(a)內襯受熱膨脹(b)內襯邊緣受剪切

圖2 內襯在熱態(tài)下工作

　　由于旋塞閥的工作溫度超過了19℃和30℃這兩個溫度膨脹點，所以當旋塞閥處于正常工作狀態(tài)時，會發(fā)生熱膨脹變形(圖2a)。當關閉閥門時，旋塞會和內襯形成一定的剪切力造成內襯變形。隨著旋塞的進一步旋轉，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(圖2b)，這也是導致旋塞閥內漏的一個重要原因。

　　(5)溫度升高導致PTFE性能下降

　　PTFE材料的拉伸強度隨溫度的升高逐步降低，大約以100℃為拐點。在溫度小于100℃時，拉伸強度的變化梯度較溫度高于100℃時的變化梯度大(圖3a)。PTFE材料的極限名義應變?yōu)闇囟鹊倪f增凸函數。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，強度高，高溫時延伸率高，強度低(圖3b)。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(圖3c)。

(a)溫度-拉伸強度變化

(b)溫度-極限名義應變的變化

(c)溫度-彈性模量的變化

圖3 PTFE性能

3、解決方法

　　由于旋塞閥的保管、操作和普通型PTFE內襯的固有特性等導致旋塞閥內襯變形和脫落，所以從材料選擇和結構改進兩方面解決存在的問題。

　　(a)溫度-壓力變化(b)冷流特性

(c)壓力-變形系數(在100e，不同的壓力等級下工作100小時)(d)壓力-位移變化

圖4 T475與PTFE性能分析

　　(1)材料選擇

　　采用T475材料取代普通型PTFE內襯。T475內襯性能較好(圖4)，例如在300磅級壓力下，在正常溫度控制范圍內，普通型PTFE的性能下降很快，而T475在相同的工作條件下沒有明顯的性能下降(圖4a)。在15N/mm2壓力等級和23e的溫度條件下，操作100h，普通型PTFE的冷流現象明顯。而T475抗冷流效果比PTFE優(yōu)越2~3倍(圖4b)。在任何溫度下PTFE都會有粘滯性和彈性，所以會發(fā)生流動和蠕動現象。T475在承載負荷時發(fā)生的蠕變與變形極小，因為其微觀結構是由改進的非晶相及鏈狀分枝組成的。并且在承載負荷條件下的變形與含有25%碳的PTFE相似(圖4c)。溫度升到150e時，兩種材料附加測試得出的結果相似。雖然填充了碳或玻璃纖維的PTFE可以抗變形，但是密封性能下降，同時降低了純度。填充物對介質撞擊更加敏感，這也會使密封性下降。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。拉伸載荷位移比較表明，T475比PTFE更耐應力龜裂(圖4d)。T475比PTFE的表面光滑，光滑的表面提高了密封性和潤滑性，降低了摩擦力和扭矩等。

　　(2)結構改進

　　為了減少熱膨脹和介質沖刷等因素對內襯損壞的影響，對其閥體和內襯結構進行了改進(圖5)。

1.旋塞 2.閥體 3.內襯

圖5 閥體結構改進

　　由于旋塞和內襯的摩擦力過大，當閥門開關時，內襯和閥體之間發(fā)生一定的位移，而新的閥體結構阻止了內襯材料發(fā)生錯位，減小了對內襯的損害。為了消除內襯材料的熱膨脹影響，在旋塞閥鑄造成型時留有空腔，使內襯材料受熱膨脹部分不會出現在流道口，避免了介質的沖刷。

4、結語

　　T475材料對普通型PTFE所出現的冷流、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。通過對閥體結構的改進，改善了內襯材料的特性，提高了閥門的使用壽命。