氯甲烷壓縮機(jī)的密封結(jié)構(gòu)及進(jìn)排氣緩沖罐設(shè)計(jì)探析

摘?要：L型壓縮機(jī)具有占地面積小，生產(chǎn)制造成本低等特點(diǎn)。文章結(jié)合L型氯甲烷壓縮機(jī)項(xiàng)目，闡述了L型無潤(rùn)滑氯甲烷氣壓縮機(jī)的密封結(jié)構(gòu)及進(jìn)排氣緩沖罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期為類似壓縮機(jī)項(xiàng)目的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：氯甲烷壓縮機(jī);密封結(jié)構(gòu);排氣緩沖罐;設(shè)計(jì)方法

一、 引言

氯甲烷是一種應(yīng)用率比較高的化學(xué)品，高溫和強(qiáng)光容易發(fā)生分解，影響產(chǎn)品屬性，且具有易燃易爆和有毒性，所以在運(yùn)輸和儲(chǔ)存氯甲烷時(shí)，一般要求將其加壓液化處理，然后存于密封性鋼瓶中，這需要借助氯甲烷壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行處理。如何保證密封結(jié)構(gòu)防止泄漏，并配置大容量的進(jìn)排氣緩沖罐是氯甲烷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。文章結(jié)合L型無潤(rùn)滑氯甲烷氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，重點(diǎn)分析了壓縮機(jī)復(fù)合充氣密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

二、 項(xiàng)目概況

為滿足市場(chǎng)對(duì)小氣量、功率的工藝壓縮機(jī)的需求，公司開發(fā)L型系列工藝氣壓縮機(jī)，筆者于2016年11月至2017年4月負(fù)責(zé)L型氯甲烷壓縮機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制造等全面的統(tǒng)籌管理工作。本項(xiàng)目針對(duì)氯甲烷易燃有毒介質(zhì)設(shè)計(jì)，采用新工藝，特殊材料，延長(zhǎng)使用壽命。通過特殊防漏裝置設(shè)計(jì)，防止氣體泄漏對(duì)人體和環(huán)境造成的傷害。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，L型壓縮機(jī)也存在一定的設(shè)計(jì)通病，比如密封性不夠嚴(yán)謹(jǐn)，仍然存在液化物質(zhì)泄漏現(xiàn)象、潤(rùn)滑油容易串入氣缸內(nèi)部，以及儲(chǔ)罐內(nèi)壁刮油等，本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)這些問題進(jìn)行了優(yōu)化。此外，本次項(xiàng)目中通過配置大容量進(jìn)排氣緩沖罐，防止罐內(nèi)出現(xiàn)氣流脈動(dòng)，避免壓縮機(jī)管路振動(dòng)，從而有效延長(zhǎng)壓縮機(jī)氣閥的使用壽命。

三、 氯甲烷壓縮機(jī)主要部件設(shè)計(jì)

本次項(xiàng)目中所要求的L型壓縮機(jī)是一種全新機(jī)型，相關(guān)的設(shè)計(jì)案例比較少，設(shè)計(jì)難度較高，經(jīng)過與業(yè)主多次對(duì)接交流，了解其具體需求之后，又對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有的幾種壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了全面研究，然后通過對(duì)用戶參數(shù)和氣體介質(zhì)的綜合分析，最終基礎(chǔ)件設(shè)計(jì)采用了559形式，密封部分采用為雙中、雙作用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（一）填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氯甲烷的危險(xiǎn)性除了屬于一種有毒性化學(xué)物質(zhì)以外，其分子活躍性也比較高，與空氣混合容易發(fā)生爆炸，爆炸極限高達(dá)8.2～19.7%;并容易與鎂、鋁、鋅等合金物質(zhì)發(fā)生“格氏反應(yīng)”。在水分存在下加熱在100℃以上，會(huì)緩慢水解生成甲醇和氯化氫。潮濕環(huán)境下會(huì)腐蝕鋅、鎂，經(jīng)氯化鋁的催化，氯甲烷與鋁會(huì)發(fā)生激烈的爆炸反應(yīng)。因此，氯甲烷場(chǎng)所的濃度是有嚴(yán)格要求的，一般不允許超過50ppm，以防止其發(fā)生泄漏事件。壓縮機(jī)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是控制其內(nèi)部物質(zhì)濃度的主要手段，其中氣缸、活塞桿和填料都是密封結(jié)構(gòu)不可缺少的組成部分，最簡(jiǎn)單的壓縮機(jī)密封結(jié)構(gòu)就是由以上三部分組成的，密封時(shí)通過填料抱緊活塞桿，以阻止壓縮機(jī)內(nèi)部介質(zhì)的向外泄露。單集氣室壓縮機(jī)填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在此基礎(chǔ)上再增加單個(gè)中體構(gòu)件、集氣室以及配套氣體引出管，氣缸內(nèi)的高壓氣體沿活塞桿通過填料后，泄露的氣體則可以被集氣室吸收并通過引出管引出，未被引出的氣體被中體結(jié)構(gòu)回收。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能會(huì)吸入空氣，密封效果一般，適用于無毒、不燃不爆的工藝氣體。雙集氣室壓縮機(jī)填料密封結(jié)構(gòu)是在單集氣室壓縮機(jī)填料密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)集氣室和引出口，形成雙集氣室，填料也相應(yīng)分成了前填料和后填料，其使得前填料密封作用后泄露的氣體能夠以此再被第一集氣室以及第二集氣室收集并引出，然后再由后填料雙重封堵，密封性相對(duì)較強(qiáng)。

其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于氯甲烷氣體屬性特殊，以上三種密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都無法有效滿足其密封要求，因此，本次設(shè)計(jì)在雙集氣室壓縮機(jī)填料密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良和完善。

根據(jù)氯甲烷氣體壓縮過程進(jìn)排氣溫度比普通氣體低的特征，本次設(shè)計(jì)調(diào)整了填料間隙，有效降低了氯甲烷氣體在高壓氣缸中流動(dòng)經(jīng)過填料時(shí)的泄漏量。與此同時(shí)，考慮到氯甲烷的腐蝕特性，所以設(shè)計(jì)中還取消了常規(guī)的填料水冷卻方式，并將密封圈結(jié)構(gòu)采改為三六瓣剖分式，使用加厚碳纖維為主要材料，提高了密封圈的抗腐蝕能力。本次設(shè)計(jì)中針對(duì)集氣室的材質(zhì)做出了改良，采用了不銹鋼氣體引管，有效減少了泄漏氣體殘留量，降低了壓縮機(jī)內(nèi)部氣壓。在集氣室與填料式之間，本次設(shè)計(jì)還增加了充氮室，直接通過填料充氮口，向充氮室內(nèi)填充足夠的正壓力氮?dú)饣蛘邭怏w類似的不會(huì)與壓縮介質(zhì)產(chǎn)生物理或化學(xué)反應(yīng)的氣體，利用該類氣體的正壓力阻隔作用，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的雙向封堵作用，一方面，防止壓縮氣體向外泄漏，另一方面，則防止外部空氣等雜質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)。剩余微量氯甲烷和氮?dú)饣旌蠚怏w，則會(huì)繼續(xù)沿著活塞桿流動(dòng)到第二集氣室和充氮室被收納。相比較于第一集氣室而言，第二集氣室的空間設(shè)計(jì)更大，當(dāng)氯甲烷和氮?dú)饣旌蠚怏w進(jìn)入之后會(huì)迅速膨脹，原先的氣體壓力被釋放減低，最終氣壓值基本上保持比大氣壓力略高的狀態(tài)，此時(shí)只需要再通過利用第二引氣口將混合氣體引走即可。第四，考慮到氣體壓縮流動(dòng)過程中仍然有可能會(huì)存在極少量泄漏氣體混入填料和活塞桿間隙的問題，本次設(shè)計(jì)中還在中體刮油環(huán)部位設(shè)置了一道充氮裝置，該充氮結(jié)構(gòu)主要通過中體充氮口將正壓氮?dú)廨斔椭恋诙涞覂?nèi)。然后再由中體引氣口收集引走。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了氯甲烷壓縮的全過程氣體隔絕，杜絕了氯甲烷接觸空氣的各種可能性，同時(shí)阻斷了氯甲烷氣體向外泄露的各個(gè)路徑，具有很強(qiáng)的環(huán)保性。此外，這種充氮結(jié)構(gòu)可以有效避免氯甲烷氣體進(jìn)入曲軸箱，這樣就不會(huì)對(duì)箱內(nèi)的潤(rùn)滑油造成污染，也就不會(huì)破壞潤(rùn)滑油屬性，有助于維持壓縮機(jī)更長(zhǎng)久地運(yùn)行;與此同時(shí)，本次設(shè)計(jì)還對(duì)中體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)加長(zhǎng)，這樣就可以避免進(jìn)入填料的活塞部分和進(jìn)入刮油環(huán)的結(jié)構(gòu)二者之間出現(xiàn)交叉，減少結(jié)構(gòu)運(yùn)行沖突，以確保壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。具體的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

（二）緩沖罐設(shè)計(jì)

因?yàn)楸敬温燃淄閴嚎s機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目對(duì)進(jìn)排氣的容量要求較高，瞬時(shí)氣壓的增加容易對(duì)氣閥造成損壞，所以項(xiàng)目設(shè)計(jì)中配置了大容量的進(jìn)排氣緩沖罐，該裝置的作用主要是可以防止壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)氣流脈動(dòng)，從而降低壓縮機(jī)管路振動(dòng)頻率，減少設(shè)備磨損，延長(zhǎng)氣閥結(jié)構(gòu)等的使用壽命，從而提高壓縮機(jī)整體性能質(zhì)量。緩沖容積計(jì)算按照API618-2007?3.9.2.2.2的規(guī)范執(zhí)行，具體計(jì)算公式如下：

其中Vs代表最小進(jìn)氣緩沖容積;Vd代表最小排氣緩沖容積;K代表介質(zhì)在平均壓力和溫度時(shí)的等熵壓縮指數(shù);Ts代表絕對(duì)吸入溫度，K和M代表分子量;PD代表與緩沖容積相連的壓縮機(jī)氣缸的排出總凈容積，m3/r;R則代表氣缸法蘭處級(jí)壓力比。通過計(jì)算，需保證項(xiàng)目最小進(jìn)氣緩沖容積不低于0.028m3，最小排氣緩沖容積不低于0.028m3。經(jīng)測(cè)試，項(xiàng)目壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)和管路振動(dòng)現(xiàn)象都得以改善，此緩沖罐設(shè)計(jì)起到了良好的進(jìn)排氣緩沖作用。

四、 ?結(jié)語

綜上所述，項(xiàng)目氯甲烷壓縮機(jī)采用雙作用、雙中體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)雙集氣室壓縮機(jī)填料密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過集氣室和充氮室結(jié)構(gòu)把絕大部分泄漏氣體引走和阻隔在第一充氮室之前，通過第二集氣室收集及引氣，進(jìn)一步避免了被壓縮氣體泄漏現(xiàn)象的產(chǎn)生，于中體刮油環(huán)上設(shè)置充氮結(jié)構(gòu)，把中體內(nèi)的氣體徹底與大氣隔絕;此外，項(xiàng)目配置大容量的進(jìn)排氣緩沖罐，防止氣流脈動(dòng)，壓縮機(jī)管路振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合充氣密封功能。項(xiàng)目不僅將壓縮介質(zhì)存在污染的問題徹底解決，而且還消除了介質(zhì)向外泄露以及外界空氣、水等雜質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部的安全隱患，使得氯甲烷壓縮機(jī)的安全性能得到大大提升，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，未來應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：常愛華，南京順風(fēng)壓縮機(jī)有限公司。