祁志剛

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

乙烯是世界上產(chǎn)量最大的化學(xué)產(chǎn)品之一，乙烯裝置是石油化工產(chǎn)業(yè)的核心，乙烯產(chǎn)品占石化產(chǎn)品的75%以上。公司目前成套生產(chǎn)乙烯壓縮機(jī)組10余套，從起初的技術(shù)引進(jìn)、消化吸收，到自主研發(fā)成套，積累的豐富的經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)以某項(xiàng)目為對(duì)象，針對(duì)乙烯低溫壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)、成本、材料、性能、開(kāi)車(chē)、運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

1 乙烯低溫鑄造機(jī)殼的新結(jié)構(gòu)

低溫壓縮機(jī)一般工作在-50～-20℃，乙烯低溫壓縮機(jī)的工作溫度更低，達(dá)到-115℃。由于-115℃低溫下焊接機(jī)殼焊縫處強(qiáng)度難以保證，考慮低溫結(jié)霜等因素，乙烯壓縮機(jī)均采用鑄造不銹鋼的結(jié)構(gòu)。圖1為原鑄殼結(jié)構(gòu)、圖2為改進(jìn)后鑄殼結(jié)構(gòu)。

圖1 原鑄殼結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)后鑄殼結(jié)構(gòu)

圖1的鑄造機(jī)殼體積龐大，軸承箱腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造加工等成本較高，且鑄殼一般都要根據(jù)工藝要求重新設(shè)計(jì)，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大困難。通用-新比隆(GE-NuoVo Pignone)公司壓縮機(jī)采用一種M+B的結(jié)構(gòu)，即MCL水平剖分的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)+BCL垂直剖分的端蓋結(jié)構(gòu)。針對(duì)中壓（40kg/cm2左右）壓縮機(jī)，能夠有效的降低BCL筒形壓縮的鍛造成本保證機(jī)組安全運(yùn)行，又汲取了MCL水平剖分結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)易于安裝檢修、加工制造周期短的優(yōu)勢(shì)。圖2是公司根據(jù)M+B結(jié)構(gòu)所做的改進(jìn)鑄造機(jī)殼，也是采用MCL水平剖分結(jié)構(gòu)，根據(jù)MCL水平焊接機(jī)殼的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜的軸承區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，降低了鑄造難度，減少鑄造缺陷點(diǎn)。原鑄造不銹鋼機(jī)殼因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺陷較多，國(guó)內(nèi)廠家的鑄造質(zhì)量很難滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)后的鑄造機(jī)殼則完全彌補(bǔ)了這一缺陷，不但能節(jié)省成本，還縮短了制造周期。

2 低溫材料的選用

低溫壓縮的材料選擇，鎳元素(Ni)是衡量材料低溫性能最重要的指標(biāo)。與乙烯介質(zhì)完全接觸的轉(zhuǎn)子部件有葉輪、隔套、平衡盤(pán)、鎖緊螺母及螺釘。葉輪、隔套、平衡盤(pán)、鎖緊螺母等均采用Ni含量高的合金鋼（低強(qiáng)度）或不銹鋼（高強(qiáng)度），材料采購(gòu)需對(duì)Ni含量嚴(yán)格控制，鎖緊螺釘?shù)葏⒖糋B/T 3098.6《緊固件機(jī)械性能不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》，選用奧氏體不銹鋼材料。與乙烯介質(zhì)完全接觸的定子部件有：機(jī)殼、隔板、密封。機(jī)殼采用圖2所示18-9型鑄造鉻鎳不銹鋼結(jié)構(gòu)，隔板材料與機(jī)殼相同。密封采用5083防銹鋁板，執(zhí)行GB/T 3190《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》。其余材料均選用一般的低溫鋼，所有材料需做低溫沖擊試驗(yàn)，執(zhí)行NB/T47009《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》、GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》，不銹鋼可免做沖擊試驗(yàn)，但須滿(mǎn)足材料的強(qiáng)度使用要求。

3 轉(zhuǎn)子件低溫運(yùn)行的分析

常溫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部件中葉輪、隔套、平衡盤(pán)等與主軸采用熱裝過(guò)盈的配合方式。過(guò)盈量：葉輪＞平衡盤(pán)＞隔套，過(guò)盈值依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取?；蚋鶕?jù)ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，計(jì)算轉(zhuǎn)子件軸孔變形量，滿(mǎn)足一定的接觸要求即可。對(duì)于葉輪部件，在保證接觸要求后，還可根據(jù)扭矩復(fù)核，傳遞扭矩＞所需扭矩×安全系數(shù)?；蚋鶕?jù)CAL47程序計(jì)算工程松動(dòng)轉(zhuǎn)速、絕對(duì)松動(dòng)轉(zhuǎn)速，且絕對(duì)松動(dòng)轉(zhuǎn)速＞工程松動(dòng)轉(zhuǎn)速＞最大連續(xù)轉(zhuǎn)速×安全系數(shù)。低溫壓縮機(jī)在常溫裝配后，低溫運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子冷縮，且葉輪、隔套、平衡盤(pán)等與介質(zhì)直接接觸的部件的冷縮量要大于主軸的冷縮量，實(shí)際運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)的過(guò)盈量要大于設(shè)計(jì)過(guò)盈量。乙烯開(kāi)車(chē)運(yùn)行也是常溫開(kāi)車(chē)，氮?dú)庵脫Q，到壓縮乙烯介質(zhì)，介質(zhì)切換過(guò)程中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度也在發(fā)生變化。如果保證開(kāi)車(chē)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子部件的過(guò)盈量，則低溫運(yùn)行時(shí)機(jī)組過(guò)盈量過(guò)大，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)值，轉(zhuǎn)子冷縮變形不均勻，容易引起轉(zhuǎn)子部件彎曲變形，導(dǎo)致機(jī)組嚴(yán)重不平衡，帶來(lái)機(jī)組聯(lián)鎖停車(chē)。

針對(duì)以上問(wèn)題，低溫乙烯壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子部件采取了低過(guò)盈帶鍵配合的方式。鍵、鍵槽均采用圓形、半圓形的結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生低溫脆裂現(xiàn)象。降低轉(zhuǎn)子部件的過(guò)盈，常溫輕載開(kāi)車(chē)時(shí)，鍵起主要傳遞扭矩作用，正常低溫運(yùn)行時(shí)，鍵和過(guò)盈共同保證傳遞扭矩。Ni基合金鋼材料的轉(zhuǎn)子在低溫下性能變化大，葉輪、主軸選用該材料時(shí)須做冷凍試驗(yàn)，改善轉(zhuǎn)子低溫工作的應(yīng)力狀態(tài)。

4 隔板優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)的出口蝸室采用矩形截面，見(jiàn)圖3，矩形蝸室常用于焊接機(jī)殼，由焊殼和隔板圍成一個(gè)矩形或正方形的蝸室截面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，常用于對(duì)性能考核不是很?chē)?yán)格的機(jī)組中。鑄造機(jī)殼鑄造的優(yōu)勢(shì)是可以借助鑄殼形成圓形出口截面，見(jiàn)圖4。通過(guò)三維建模、ANSYS進(jìn)行CFD模擬，從擴(kuò)壓器、蝸室截面流場(chǎng)分析矩形出口蝸室截面存在一個(gè)大的漩渦和一個(gè)小漩渦，蝸室截面流場(chǎng)紊亂，擴(kuò)壓器和蝸室的流線很不均勻。圓形截面蝸室的流場(chǎng)分布均勻，葉輪及擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)較好。在設(shè)計(jì)工況，圓形截面蝸室相比矩形截面蝸室多變效率提高約1.1%，能頭提高約0.5%，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖3 矩形出口蝸室截面

圖4 圓形出口蝸室截面

表1 CFD分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)際上有新比隆公司（Nuovo Pignone）、德馬格（Demag）公司、三菱重工（MHI）、埃利奧特（ELLIOTT）公司提供乙烯領(lǐng)域壓縮機(jī)，國(guó)內(nèi)有沈鼓（SBW）成套乙烯三機(jī)。

從天津石化百萬(wàn)噸乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)組、鎮(zhèn)海煉化百萬(wàn)噸乙烯裝置丙烯壓縮機(jī)組、撫順石化百萬(wàn)噸乙烯裝置用乙烯壓縮機(jī)組，到武漢80萬(wàn)噸乙烯裝置三機(jī)。乙烯低溫壓縮機(jī)新技術(shù)的研究：壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使設(shè)計(jì)制造周期縮短、大幅降低生產(chǎn)成本、提高壓縮機(jī)效率、降低運(yùn)行成本。優(yōu)質(zhì)低溫材料的合理選用，機(jī)組轉(zhuǎn)子低溫運(yùn)行的分析改進(jìn)，能夠保證機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。新技術(shù)的儲(chǔ)備，增強(qiáng)了我公司在乙烯市場(chǎng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。