迷宮壓縮機高壓隔室玻璃蓋板密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗與應(yīng)用

孔皓楠，白福慶，于朋(沈陽遠大壓縮機有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 概述

在多晶硅、天然氣等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用的立式迷宮壓縮機，其大部分為保證生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，禁止在壓縮機運轉(zhuǎn)狀態(tài)下將機身底部的潤滑油通過活塞帶入氣缸。當(dāng)有潤滑油進入氣缸時，無法第一時間知曉，一段時間后氣缸內(nèi)的潤滑油會使產(chǎn)品質(zhì)量下降從而觸發(fā)警報，逐層檢測并拆解壓縮機組后，方可了解為壓縮機氣缸進油導(dǎo)致。目前迷宮壓縮機高壓隔室(填料工作隔室)蓋板基本為金屬蓋板結(jié)構(gòu)，始終無法觀察到該區(qū)域內(nèi)部，無法判斷填料內(nèi)部是否已經(jīng)有油進入，而且填料至氣缸頂部區(qū)域內(nèi)無封油結(jié)構(gòu)，一旦有油進入填料部件，便會沿活塞桿進一步進入氣缸內(nèi)部[1]。

某現(xiàn)場的一臺多晶硅用立式迷宮壓縮機，因產(chǎn)品質(zhì)量問題，拆檢時曾幾次發(fā)現(xiàn)有潤滑油進入填料及氣缸的情況，當(dāng)氣缸進油后，大量的拆檢工作會嚴(yán)重阻礙現(xiàn)場的生產(chǎn)進度，為更好的觀察壓縮機運行時氣缸內(nèi)部的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)填料法蘭、填料盒附近存在潤滑油使，在其繼續(xù)沿活塞桿爬至氣缸內(nèi)部之前可及時對機組拆檢，檢查機組刮油環(huán)等相關(guān)零件的工作狀態(tài)，避免使?jié)櫥屠^續(xù)進入氣缸，造成重大損失。本文在此基礎(chǔ)上，提供原有隔室蓋板的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，即在壓縮機氣缸高壓隔室側(cè)加裝玻璃蓋板，以達到方便觀察的目的。

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

因填料隔室內(nèi)部存在一定的壓力(該現(xiàn)場高壓隔室壓力為0.8 MPa)，且該現(xiàn)場所用迷宮壓縮機內(nèi)部壓縮的氣體為氫氣，若內(nèi)部氣體泄漏，會導(dǎo)致重大的安全事故，所以必須保證隔室玻璃蓋板的強度及密封性能，即壓縮機組正常運行過程中，隔室玻璃蓋板不會因內(nèi)部壓力超過其自身耐壓極限從而發(fā)生碎裂的情況，同時保證在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加玻璃蓋板密封結(jié)構(gòu)后，不會造成機組隔室內(nèi)部氣體外泄的情況。

下圖所示為玻璃蓋板的三種密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，在壓縮機氣缸的高壓隔室密封蓋板上安裝玻璃視鏡，通過螺釘與金屬壓蓋壓緊O形圈(或墊片)以達到密封的作用，在玻璃視鏡與外部金屬壓蓋中間采用非金屬墊片將其隔開，從而達到保護玻璃視鏡不會因受到金屬零件擠壓而碎裂的作用。下圖1采用墊片+O形圈的雙重密封結(jié)構(gòu)；圖2結(jié)構(gòu)采用非金屬墊片進行密封；圖3結(jié)構(gòu)采用單一O形圈進行密封[2]。

圖1 墊片+O型圈的雙重密封結(jié)構(gòu)

圖2 非金屬墊片密封結(jié)構(gòu)

圖3 單一O形密封結(jié)構(gòu)

關(guān)于所增加的玻璃蓋板大小應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場機組原有結(jié)構(gòu)的尺寸和安裝空間進行設(shè)計，且其大小不應(yīng)過小，應(yīng)方便于外部人員的觀察；玻璃蓋板厚度應(yīng)按圓形高硼硅玻璃耐壓計算初步定義其使用厚度，避免其強度不足無法承載隔室壓力而碎裂的情況發(fā)生：

式中：σb為玻璃材質(zhì)的抗彎強度(MPa)，按選用膨脹系數(shù)α=3.3×10-6的硼硅玻璃，其鋼化后的σb取值一般為120～130 MPa；d為圓形玻璃蓋板的直徑(mm)；b為玻璃蓋板的厚度(mm)；P為玻璃蓋板的最高耐壓(MPa)；當(dāng)按上述計算所需玻璃蓋板厚度時，還需在所得結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)，安全系數(shù)一般取3～5。

為驗證上述三種玻璃蓋板結(jié)構(gòu)的密封性能以及玻璃蓋板的耐壓情況，我公司進行了廠內(nèi)試驗。

3 密封性能與耐壓試驗

試驗準(zhǔn)備：試驗工裝，其整體為圓柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空心用于充壓，上端面可安裝試驗用玻璃蓋板結(jié)構(gòu)；有機玻璃蓋板、硼硅玻璃蓋板各3個，按上述最終將該玻璃尺寸定義為直徑120 mm，厚度19 mm；PTFE墊片、耐油橡膠墊片各5個；幾種規(guī)格的O形圈以及密封膠若干[3]。

試驗?zāi)康模候炞C在一定壓力(按使用現(xiàn)場機組運行壓力至少可承受0.8 MPa)的條件下，兩種玻璃蓋板與兩種墊片在不同組合狀態(tài)下的強度與密封性能情況。

試驗過程：工裝與玻璃蓋板組裝后(三種玻璃蓋板密封結(jié)構(gòu)一起試驗，對比較為明顯)，將其整體放入水中，在工裝內(nèi)部第一次緩慢充壓至0.8 MPa，查看過程中是否有泄露情況或其它狀況發(fā)生，若無明顯狀況，表明該結(jié)構(gòu)可用于現(xiàn)場機組，并進一步繼續(xù)充壓至2 MPa與4 MPa，探求該尺寸結(jié)構(gòu)下兩種玻璃蓋板的耐壓極限。

試驗說明：本次共做4組對比試驗，試驗1為有機玻璃+PTFE墊片的密封組合結(jié)構(gòu)試驗；試驗2為有機玻璃+耐油橡膠墊片的密封組合結(jié)構(gòu)試驗；試驗3為硼硅玻璃+PTFE墊片的密封組合試驗，試驗4為硼硅玻璃+耐油橡膠墊片的密封組合結(jié)構(gòu)試驗；其中每組試驗均包含圖1、圖2及圖3的三種密封結(jié)構(gòu)型式。

試驗結(jié)果：初次充壓至0.8 MPa時，以上結(jié)構(gòu)均未觀察到泄露的情況發(fā)生，繼續(xù)充壓至4 MPa壓力的過程中，以上結(jié)構(gòu)仍未觀察到泄露的情況，將試驗工裝從水中拿出，并拆解玻璃蓋板，并未發(fā)現(xiàn)玻璃表面存在裂痕或其他痕跡，表明此次實驗用有機玻璃與硼硅玻璃在三種密封結(jié)構(gòu)型式下，在4 MPa的壓力范圍內(nèi)均無泄露或其它狀況(玻璃碎裂等)發(fā)生[4]。

4 應(yīng)用

通過試驗數(shù)據(jù)，在同等條件與壓力范圍下，有機玻璃與硼硅玻璃均可滿足現(xiàn)場的使用條件。其中硼硅玻璃是在玻璃中加入蘇打水和石灰等材料通過新型先進產(chǎn)工藝制成的一種強化耐火性能的玻璃，其具有高強度、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性等性能。而有機玻璃的本質(zhì)為非結(jié)晶體塑料，其透明性好，機械強度好，因其本身材料組分，更易于加工。考慮現(xiàn)場壓縮機拆裝的方便與安全，對比同樣大小的材料，有機玻璃的重量只有硼硅玻璃的一半，機組維修人員更容易安裝與拆卸，且硼硅玻璃雖相比有機玻璃有更高的強度，但其本質(zhì)的玻璃結(jié)構(gòu)易受磕碰等情況而導(dǎo)致碎裂，不便于現(xiàn)場繼續(xù)的頻繁拆卸與安裝。根據(jù)以上原因分析，我司最終選擇有機玻璃作為玻璃蓋板的主體材料，因現(xiàn)場機組的隔室壓力遠低于試驗過程中的最高充氮壓力，故而采用單一O形圈+PTFE墊片的密封結(jié)構(gòu)即可，并按上述將其安裝在壓縮機氣缸的高壓隔室下。

如圖所示4為將試驗驗證下的高壓隔室玻璃蓋板結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在排氣壓力1.25 MPa(G)、轉(zhuǎn)速589 r/min多晶硅項目中的立式氫氣迷宮壓縮機上?，F(xiàn)場壓縮機高壓隔室更換玻璃蓋板后，操作及巡檢人員可直觀的觀察到隔室區(qū)域內(nèi)部，對壓縮機運行過程中活塞桿否有會攜帶潤滑油進入填料的情況可直觀的查看[5]。

圖4 高壓隔室玻璃蓋板結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

國內(nèi)石化等工業(yè)發(fā)展的越來越快，多晶硅、天然氣等領(lǐng)域應(yīng)用的禁油迷宮壓縮機也越來越多，在其氣缸高壓隔室(填料區(qū)域)側(cè)加裝玻璃蓋板結(jié)構(gòu)是一件合理的機組優(yōu)化方案，盡早發(fā)現(xiàn)的問題可以得到及時的分析與處理，避免給企業(yè)帶來重大損失。本文以實際的試驗數(shù)據(jù)為支持，對現(xiàn)場將要整改的玻璃蓋板密封結(jié)構(gòu)提供可靠的保障及說服力，避免所更換的玻璃視鏡因缸內(nèi)壓力超過其耐壓極限而碎裂，或結(jié)構(gòu)密封性能不達標(biāo)造成氣體外泄的情況。對于后續(xù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)或優(yōu)化設(shè)計，也應(yīng)有可靠的理論數(shù)據(jù)或者試驗數(shù)據(jù)作為支持，盲目的設(shè)計通常會帶來不可估量的損失。