叶世佳
广东美芝精密制造有限公司
摘要：随着我国综合国力的不断提升，国内的先进科学技术水平也随之不断提升。乙烯压缩机是乙烯装置中工作温度最低的压缩机，达到-115℃。乙烯低温压缩机低温材料的选择，影响机组的安全运行。转子件常温开车、低温运行的特性，需要对转子件部件的过盈传递特殊分析。压缩机出口隔板蜗室截面优化，提高机组效率、降低运营成本。乙烯低温铸造机壳结构的改进，减小铸造难度，缩短生产周期，降低生产成本。乙烯低温新技术研究提升了乙烯装置国产化水平，增强国际竞争力。
关键词：乙烯低温；压缩机；新技术
引言
乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯装置是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75%以上。公司目前成套生产乙烯压缩机组10余套，从起初的技术引进、消化吸收，到自主研发成套，积累的丰富的经验。现以某项目为对象，针对乙烯低温压缩机组结构、成本、材料、性能、开车、运行中出现的问题，对压缩机的设计进行改进与优化。
1乙烯低温铸造机壳的新结构
低温压缩机一般工作在-50～-20℃，乙烯低温压缩机的工作温度更低，达到-115℃。由于-115℃低温下焊接机壳焊缝处强度难以保证，考虑低温结霜等因素，乙烯压缩机均采用铸造不锈钢的结构。铸造机壳体积庞大，轴承箱腔体结构复杂，铸造加工等成本较高，且铸壳一般都要根据工艺要求重新设计，给实际应用带来很大困难。通用-新比隆(GE-NuoVoPignone)公司压缩机采用一种M+B的结构，即MCL水平剖分的压缩机结构+BCL垂直剖分的端盖结构。针对中压（40kg/cm2左右）压缩机，能够有效的降低BCL筒形压缩的锻造成本保证机组安全运行，又汲取了MCL水平剖分结构压缩机易于安装检修、加工制造周期短的优势。公司根据M+B结构所做的改进铸造机壳，也是采用MCL水平剖分结构，根据MCL水平焊接机壳的经验，对复杂的轴承区结构进行了优化，降低了铸造难度，减少铸造缺陷点。原铸造不锈钢机壳因结构复杂，缺陷较多，国内厂家的铸造质量很难满足设计要求，改进后的铸造机壳则完全弥补了这一缺陷，不但能节省成本，还缩短了制造周期。
2低温压缩机的材料选用
2.1低温压缩机转子的材料选用
转子部件中与低温介质接触的零部件包括叶轮、隔套、轴套、螺钉和螺母等。当设计温度低于－101℃，高于－183℃以上转子的上述零部件材料可以选用含镍高的合金钢；当机组设计温度高于－101℃以上，叶轮、隔套、轴套和平衡盘材料选用含镍的合金钢。当机组的设计温度高于－50℃以上，主轴材料可以选用一般的合金钢，但在主轴加工图样上应标明低温试验温度和冲击功值，并给出合适的力学性能指标。
2.2低温压缩机定子的材料选用
压缩机定子部件是压缩机中最大的组部件，零件数量最多，使用材料种类繁多，但主要与低温介质接触的零部件包括机壳、隔板、螺柱、螺母和密封等。（1）焊接机壳：低温压缩机的焊接机壳的材料一般分为两种，当设计温度在－40℃以上，板材选用16MnDR和锻件选用16MnD锻件。当设计温度低于－40℃以下且设计温度高于－70℃以上，板材选用09MnNiDR和锻件选用09MnNiD锻件。板材的标准为《低温压力容器用低合金钢板》，锻件的使用标准为JB/T4727《低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》。（2）隔板材料的选用：隔板材料比机壳材料的温度限提高一级。例如，乙烯机组机壳用ZG10Ni5（－115℃），隔板用25Cr2Ni3Mo（－75℃）锻件。丙烯机组机壳用ZG10Ni3（－75℃），隔板用16MnD钢锻件或板材，或铸钢ZG200-400/ZG230-450，或铸铁QT400－18。
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2.3密封材料的选用
低温压缩机的轴端密封采用干气密封，而低温压缩机其余的密封一般均为防锈铝，标准号为5083，该材料为板材，适用于低温机组，即机器进口气温低于－20℃的机组。
3转子件低温运行的分析
常温压缩机转子部件中叶轮、隔套、平衡盘等与主轴采用热装过盈的配合方式。过盈量：叶轮＞平衡盘＞隔套，过盈值依据经验选龋或根据ANSYS有限元结构分析软件，计算转子件轴孔变形量，满足一定的接触要求即可。对于叶轮部件，在保证接触要求后，还可根据扭矩复核，传递扭矩＞所需扭矩×安全系数。或根据CAL47程序计算工程松动转速、绝对松动转速，且绝对松动转速＞工程松动转速＞最大连续转速×安全系数。低温压缩机在常温装配后，低温运行时转子冷缩，且叶轮、隔套、平衡盘等与介质直接接触的部件的冷缩量要大于主轴的冷缩量，实际运行时压缩机的过盈量要大于设计过盈量。乙烯开车运行也是常温开车，氮气置换，到压缩乙烯介质，介质切换过程中，压缩机转子的温度也在发生变化。如果保证开车状态的转子部件的过盈量，则低温运行时机组过盈量过大，远超出设计值，转子冷缩变形不均匀，容易引起转子部件弯曲变形，导致机组严重不平衡，带来机组联锁停车。针对以上问题，低温乙烯压缩机组转子部件采取了低过盈带键配合的方式。键、键槽均采用圆形、半圆形的结构，避免结构形状的突然变化导致的应力集中，进而产生低温脆裂现象。降低转子部件的过盈，常温轻载开车时，键起主要传递扭矩作用，正常低温运行时，键和过盈共同保证传递扭矩。Ni基合金钢材料的转子在低温下性能变化大，叶轮、主轴选用该材料时须做冷冻试验，改善转子低温工作的应力状态。
4隔板优化设计
常规的出口蜗室采用矩形截面，矩形蜗室常用于焊接机壳，由焊壳和隔板围成一个矩形或正方形的蜗室截面，结构简单，制造方便，常用于对性能考核不是很严格的机组中。铸造机壳铸造的优势是可以借助铸壳形成圆形出口截面。通过三维建模、ANSYS进行CFD模拟，从扩压器、蜗室截面流场分析矩形出口蜗室截面存在一个大的漩涡和一个小漩涡，蜗室截面流场紊乱，扩压器和蜗室的流线很不均匀。圆形截面蜗室的流场分布均匀，叶轮及扩压器内部流动较好。
结语
在石油化工中，无论是制造合成氨、合成橡胶、乙烯等，还是气体液化等工业，以及科学研究、精密机床加工、食品工业的空气调节，都需要大量的冷源。冷源是通过制冷装置得到的。采用的制冷工质有氟里昂、氨、丙烯、乙烯等。制冷的基本原理是：利用压缩机将气体压缩，经冷水吸收其热量，使之变为液体，再膨胀至低压，液体经蒸发吸热作用以达到制冷的目的。因此，压缩机是制冷装置的主要设备。制冷压缩机中的氨冷冻压缩机，丙烯压缩机，乙烯压缩机是我集团生产主要低温压缩机。目前，只有氨冷冻压缩机我们在国内市场上有很高的占有率，其他两种压缩机还主要依赖于进口，所以，还需要继续努力，从材料上及结构等方面进一步优化，使低温压缩机设计制造水平更上一层楼。乙烯低温压缩机新技术的研究：压缩机结构的改进，使设计制造周期缩短、大幅降低生产成本、提高压缩机效率、降低运行成本。优质低温材料的合理选用，机组转子低温运行的分析改进，能够保证机组长期安全稳定运行。新技术的储备，增强了我公司在乙烯市场的国际竞争力。
参考文献
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［4］王红光，肖观秀．乙烯低温储存系统中的节能技术［J］．化学工程，2016，37(6):71-73．
论文作者:叶世佳
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/27
标签：低温论文; 压缩机论文; 乙烯论文; 转子论文; 机壳论文; 机组论文; 结构论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;