0 概述
PTA（精對苯二甲酸）作為聚酯工業的首選原料，在最近幾年得到迅猛發展，截止2012年底我國PTA產能已超過3000萬t，裝置規模的大型化趨勢日漸明顯。在PTA工藝裝置中，介質自氧化反應器開始多以漿料形態存在于整個反應過程，并采用高腐蝕性的乙酸作為溶劑，同時在一些操作工段會伴隨著高溫。在高溫、高壓、強腐蝕性、易黏結、易結晶、頻繁開關的嚴苛工況條件下，PTA裝置中絕大部分緊急切斷及順序控制都是依靠耐磨球閥來實現，并且耐磨球閥的材料根據介質腐蝕性的強弱不同，普遍需要選用不銹鋼、雙相鋼、哈氏合金或鈦等材質，價格普遍比較昂貴。
目前國內已建或在建的PTA項目中，耐磨球閥主要依賴進口。因此，研制能夠滿足PTA嚴苛裝置中使用的耐磨球閥，打破國外產品壟斷，對于降低PTA裝置建設及運行成本，延長裝置的使用壽命，提高產品的市場競爭力具有重要意義。
1 PTA裝置工況特點
（1）高溫：精制反應在280℃以上，氧化反應在180℃以上，尾氣處理催化焚燒溫度在300℃以上，蒸汽溫度更高達350℃以上；
（2）高壓：精制反應需要8.0MPa以上的反應壓力，物料預熱所用蒸汽壓力達9.5MPa，氫氣壓力也在9.0MPa以上；
（3）強腐蝕性：介質中含有各種濃度的乙酸、氫溴酸等腐蝕性介質，同時PTA，粗對苯二甲酸（CTA）等溶解后的化學屬性也屬酸性；
（4）漿料中含固體顆粒：漿料中的主要物料均為含PTA固體顆粒，閥門在運轉過程中容易出現卡澀、密封面磨損和沖刷、閥座彈簧預緊系統失效等故障；
（5）介質黏度大易結晶：PTA介質黏度較大，顆粒容易黏結在密封面上，閥門開關過程容易將球體拉傷，球體表面結晶會造成閥門開啟扭矩增大；
（6）頻繁開關：緊急切斷及順序控制的耐磨球閥要求開關時間短且頻繁動作。
2 耐磨球閥結構特點
（1）自清潔閥座設計：閥座密封面上設置帶有鋒利刀口的刮削式結構，從而在閥門開關過程中刮削掉球面的黏接物。
（2）防塵設計———“封閉式設計”：防塵設計主要是針對閥座組合件中的彈簧而言的，固定球閥的閥座為浮動結構，預緊力依靠彈簧提供。若顆粒性介質進入彈簧腔，就會導致彈簧失效，閥球與閥座摩擦力矩增加，直至執行機構無法帶動閥門，閥門卡死。
（3）球體、閥座的表面及流道進行特殊硬化處理：耐磨球閥在開啟和即將關閉的瞬間流速最大，容易造成球體和閥座流道的沖刷。因此將球體和閥座的表面和流道進行噴涂處理，并采用同種噴涂基材，從而保證高溫下球體與閥座具有相同的熱膨脹系數，提高球體和閥座的抗沖刷能力，延長使用壽命。所噴涂的硬質合涂層根據PTA具體工況靈活選擇，從而滿足嚴苛工況要求。
（4）“活載”組合填料設計：閥桿采用組合填料，上下部采用加鎳絲的柔性石墨盤根，中間采用模壓成型石墨填料，填料壓板的緊固螺栓設置蝶型彈簧預緊（即活載結構），在閥門溫度和應力交變中，使填料的預緊力得到連續性補償，杜絕外泄漏發生。
（5）防塵軸承腔設計：采用石墨與軸承組合的預緊軸承腔設計，軸承擠壓石墨，使柔性石墨緊貼閥桿及主閥體，有效防止顆粒性物料進入軸承與填料之間的空腔，避免因物料堆積沉淀、擠壓閥桿而造成閥桿卡死的故障出現。
（6）氣動執行機構的選型：在PTA裝置中并不能僅僅依據計算結果來選擇執行機構，還需要考慮其他因素的影響。例如漿料類管線安裝的閥門需要考慮隨著時間的推移物料會黏附在球體表面并結晶，造成閥門開關不到位功能失效，因此氣動執行機構的選型對于耐磨球閥至關重要，其安全系數應大于2。
3 閥門設計計算
耐磨球閥的結構圖如圖1所示。耐磨球閥采用2段式固定球結構，主要由閥體、球體、閥座、上下閥桿、填料函、支架、氣動執行機構組成。
1.下閥桿；2.主閥體；3.球體；4.副閥體；5.彈簧；
6.密封圈；7.閥座；8.閥座防塵圈；9.閥桿；10.閥桿防塵圈；
11.填料箱；12.填料；13.蝶型彈簧；14.支架；15.氣動執行機構。
圖1 耐磨球閥的結構
為了保證閥門的密封性能、開關動作順暢、應對耐磨球閥密封比壓、閥桿扭矩、閥桿扭轉強度、中法蘭強度進行計算和校核。
3.1 密封比壓計算
（1）密封面上工作比壓：
計算簡圖如圖2所示：
圖2 密封面上工作比壓計算簡圖
式中：q為密封面上工作比壓（MPa）；p為設計壓力；DJH為活塞套筒外徑（mm）；DMN為閥座密封面內徑（mm）；D2MW為閥座密封面外徑（mm）；R為球體內徑（mm）；h為密封面投影寬度（mm）；φ為密封面與球體中心夾角（°）。
（2）密封面上必須比壓：qMF，密封面必須比壓值根據密封面寬度查《球閥設計與選用》表4-2。
（3）密封面上許用比壓：［q］；
（4）上述結果滿足qMF＜q＜［q］，合格。
3.2 閥桿扭矩計算
M=Mm+MT+Mu+Mc。
式中：M為全壓差下啟閉扭矩（N•mm）；Mm為閥座密封圈對球體摩擦力矩（N•mm）；MT我為填料與閥桿間摩擦力矩（N•mm）；Mu為止推墊的摩擦力矩（N•mm）；Mc為軸承的摩擦力矩（N•mm）。
3.3 閥桿扭轉強度
設計時閥桿截面積最小值應在閥桿頂部與驅動機構連接處，即對該處直徑d1進行校核。
式中：M為全壓差下啟閉扭矩（N•mm）；WS為斷面d1的抗扭斷面系數（mm3）；［τN］為材料許用扭應力，（MPa）。
3.4 中法蘭計算
（1）中法蘭厚度計算：
式中：t為中法蘭厚度（mm）；MP為作用于法蘭上總力矩（N•mm）；［σL］為材料許用應力（MPa）；C為螺栓孔中心圓直徑（mm）；
（2）中法蘭螺栓驗算
式中：PC為壓力額定值磅級數，如CL•150，則Pc=150；CL•300，則PC=300，依此類推；Ag為墊片外徑或O形圈外徑面積或者環連接中徑面積；Ab為螺栓抗拉應力總面積；K1為系數，65.26MPa；Sa為38℃時螺栓許用應力，當Sa≥138MPa時，按照138MPa取值。
（3）中法蘭螺栓間距與螺栓直徑比計算：
LJ=πD1/（Z•dL）
式中：LJ為螺栓間距與螺栓直徑比；D1為螺栓孔中心圓直徑（mm）；Z為螺栓數量；dL為螺栓直徑（mm）。
4 結論
鑒于PTA工藝過程的復雜性、應用工況的嚴苛性，以及緊急切斷及順序控制的苛刻要求，耐磨球閥必須從閥門結構、球體、閥座及流道的噴涂等方面引起足夠的重視，對于采用氣動執行機構的耐磨球閥，必須考慮安全系數，從而保證耐磨球閥能夠完全滿足PTA嚴苛工況要求，保證其具備卓越的使用性能，并保持長周期穩定運行。本文所研制的PTA裝置用耐磨球閥已在國內多個PTA裝置上投入使用，證明本研制方案是成熟的，并已經實現規?；a，在PTA裝置中與國外品牌具有較強競爭力，可以實現替代進口。
