徐向榮，李登瑞

（甘肅金川集團(tuán)股份有限公司鎳冶煉廠(chǎng)，甘肅 金昌 737100）

我公司三條生產(chǎn)線(xiàn)合成工藝采用中壓轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)釜進(jìn)行合成，與傳統(tǒng)的固定合成釜比較，轉(zhuǎn)動(dòng)釜具有效率高、速度快、卸渣容易等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)釜為回轉(zhuǎn)式壓力容器，反應(yīng)釜簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)動(dòng)釜簡(jiǎn)圖

操作中，固體顆粒狀物料通過(guò)進(jìn)料口裝入反應(yīng)釜，封進(jìn)料蓋，具備條件后，通過(guò)進(jìn)氣管路持續(xù)向釜內(nèi)通入預(yù)熱好的高壓反應(yīng)氣體，同時(shí)通過(guò)排氣管路持續(xù)向釜外輸出反應(yīng)生成的合成氣體（夾帶有大量未反應(yīng)的反應(yīng)氣）。為了實(shí)現(xiàn)反應(yīng)氣連續(xù)進(jìn)入釜內(nèi)和反應(yīng)合成氣連續(xù)從釜內(nèi)出來(lái)的問(wèn)題，我們和北京化工大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)了動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置。

1 動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置的作用

轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)釜進(jìn)排氣口與轉(zhuǎn)動(dòng)釜是一體的，轉(zhuǎn)動(dòng)釜轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，進(jìn)排氣口與轉(zhuǎn)動(dòng)釜是隨動(dòng)的，轉(zhuǎn)動(dòng)釜運(yùn)行過(guò)程中，需要連續(xù)不斷地向釜內(nèi)通入高溫高壓反應(yīng)氣體，同時(shí)將反應(yīng)生成的高溫高壓合成氣體連續(xù)不斷地從釜內(nèi)導(dǎo)出來(lái)。該裝置的作用就是將反應(yīng)氣體從靜止管道轉(zhuǎn)換至轉(zhuǎn)動(dòng)管道送入轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)釜、同時(shí)將轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)的反應(yīng)生成的合成氣體從轉(zhuǎn)動(dòng)管道轉(zhuǎn)換到靜止管道。

2 動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)

動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置由密封組件1、密封組件2、密封組件3、密封組件4共四組密封裝置及轉(zhuǎn)子、軸承、腔體，軸承支座和底支座組成。裝置管口作用如下：

（1）反應(yīng)氣進(jìn)口(A1，A2)。

（2）合成氣出氣(B1，B2)。

（3）阻封氣進(jìn)口(C1)：阻封氣為純凈反應(yīng)氣，溫度為常溫，操作壓力略高于反應(yīng)氣壓力。

（4）阻封氣出口(C2)：輸入氣體為純凈的反應(yīng)氣。

（5）G1為潤(rùn)滑油進(jìn)口，溫度常溫；G2為潤(rùn)滑油出口，其作用是對(duì)軸承潤(rùn)滑和冷卻，防止軸承溫升過(guò)大。

（6）D口為密封組件2泄漏口；E口為備用泄漏口。

（7）F1和F2為潤(rùn)滑油排放和泄漏回收口。

2.1 動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置與轉(zhuǎn)動(dòng)釜的聯(lián)接

動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)子與中壓轉(zhuǎn)動(dòng)釜通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器聯(lián)接在一起，與轉(zhuǎn)動(dòng)釜一起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)氣口（A2）和出氣口（B1）通過(guò)撓性管分別與反應(yīng)釜的進(jìn)出氣口連接，另外一個(gè)進(jìn)氣口（A1）和另外一個(gè)出氣口（B2）分別與靜止的進(jìn)氣管和排氣管連接。進(jìn)出氣撓性管組的功能是將氣相原料介質(zhì)從動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置輸入釜內(nèi)、將氣相的生成物輸入到動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置。所以選用撓性管和萬(wàn)向聯(lián)軸器，是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)釜運(yùn)行過(guò)程中由于溫度、壓力變化會(huì)產(chǎn)生較大的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)，萬(wàn)向聯(lián)軸器可以消除轉(zhuǎn)動(dòng)釜軸向竄動(dòng)對(duì)動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置密封組件的破壞，撓性管不僅可以消除轉(zhuǎn)動(dòng)釜軸向竄動(dòng)對(duì)動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置密封組件的損壞，更能消除轉(zhuǎn)動(dòng)釜運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的徑向跳動(dòng)對(duì)動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置密封組件的影響。本裝置中，撓性管可以將軸向位移量控制在5mm以?xún)?nèi)，徑向位移量控制在4mm以?xún)?nèi)，萬(wàn)向聯(lián)軸器軸向可以伸縮100mm。因此，轉(zhuǎn)釜運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大軸向位移（50mm）和徑向位移量4mm的情況下，動(dòng)靜裝置的密封組件都要不會(huì)受到影響。

圖2 動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置簡(jiǎn)圖

2.2 密封組件

動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置密封組件1為單端面密封裝置，正常工作時(shí)只對(duì)密封組件2泄漏介質(zhì)起密封作用。密封組件2失效時(shí)，可在一定時(shí)間內(nèi)承受阻封氣壓力。

密封組件2和密封組件3組成密封腔，腔內(nèi)充以可循環(huán)的、壓力略高于反應(yīng)氣的純凈反應(yīng)氣作為阻封氣。正常工況下密封組件2的密封端面一側(cè)通向泄漏腔，另一側(cè)為高壓的阻封氣，密封端面兩側(cè)壓差較高，工作條件苛刻；密封組件3密封端面一側(cè)為阻封氣（常溫高壓），另一側(cè)為溫度和壓力都比較高的反應(yīng)氣體，密封端面兩側(cè)存在有不大的壓差?？紤]到有阻封氣失效問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了防反壓結(jié)構(gòu)。

密封組件4為單端面密封裝置，其密封端面兩側(cè)介質(zhì)分別為反應(yīng)氣和合成氣，工作壓力均很高，在正常工作情況下壓差小。但兩側(cè)介質(zhì)溫度不同。動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裴置中四組密封組件裝置均工作在氣相干摩擦狀態(tài)。

2.3 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子為雙層同心圓管組成的套焊接結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖中涂黑部分為焊縫，內(nèi)筒內(nèi)部輸送的介質(zhì)是從合成釜中輸出的合成氣；兩層同心圓管組成的套管空間是向合成釜中輸入的反應(yīng)氣。軸頭上部接口傾斜15°的原因是減小軸頭尺寸。軸頭最左側(cè)的直口和螺紋孔用來(lái)連接萬(wàn)向連軸器。軸頭上的兩個(gè)與撓性螺旋軟管相連接的管口加工制造也按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，方便與外部管道連接。軸頭上為了連接內(nèi)筒和外套加工了焊接坡口。為了減小應(yīng)力，軸頭過(guò)渡處設(shè)計(jì)成大圓角，組焊件焊后熱處理，進(jìn)行固熔處理，焊縫焊后修平。內(nèi)筒的三個(gè)軸向位置上共焊接九個(gè)支撐板。車(chē)削支撐板至要求尺寸，將加工好坡口尺寸的外筒加熱，熱裝到內(nèi)筒上，待冷卻后，焊接外套與軸頭的焊縫。轉(zhuǎn)子加工完成后要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)轉(zhuǎn)子整體熱處理。

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 軸承

氣體轉(zhuǎn)換裝置的軸承組為雙列圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的組合結(jié)構(gòu)，圓錐滾子軸承位于右側(cè)，即靠近轉(zhuǎn)子的中間部位及靠近密封組件的位置，該軸承軸向定位轉(zhuǎn)子，承受轉(zhuǎn)子的全部軸向力及部分徑向力。圓柱滾子軸承位于轉(zhuǎn)子的左側(cè)，承受轉(zhuǎn)子的部分徑向力，并能保證轉(zhuǎn)子可在該軸承自由軸向伸縮。這樣在雙列圓錐滾子軸承位置為固定點(diǎn)，轉(zhuǎn)子溫度變化產(chǎn)生的軸向伸縮以雙列圓錐滾子軸承為基點(diǎn)向兩側(cè)發(fā)展，以減小密封位置的轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹變化。

2.5 反應(yīng)氣系統(tǒng)

反應(yīng)氣是用于合成而循環(huán)利用的氣體，氣體中可能含有少量的殘余合成氣，反應(yīng)氣體從A1口進(jìn)入氣體轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置中的反應(yīng)氣輸送套管，由A2口流出轉(zhuǎn)換裝置，輸送至合成釜中。在A1接口處，輸入氣體的接管是固定不轉(zhuǎn)動(dòng)的，該管口與外部反應(yīng)氣進(jìn)氣裝置相連接；在A2接口位置接管與合成釜通過(guò)螺旋軟管、閥門(mén)等管件連接到一起并同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)氣體輸送到合成釜的目的，完成了反應(yīng)氣由靜止到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換。

2.6 合成氣系統(tǒng)

合成氣是在合成釜中由反應(yīng)氣和釜中的固體物料生成的氣體和反應(yīng)剩余的反應(yīng)氣體組成的混合氣體。合成氣極度毒性，易燃易爆。合成氣通過(guò)螺旋軟管及閥門(mén)等管件從合成釜中由B1口進(jìn)入轉(zhuǎn)換裝置，經(jīng)由轉(zhuǎn)換裝置中的合成氣中心輸出管，由B2口輸出。B1接口同合成釜一起旋轉(zhuǎn)，B2口與整個(gè)密封轉(zhuǎn)換裝置外腔體固定在一起，靜止不動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了合成氣從旋轉(zhuǎn)的合成釜中輸出的目的，完成合成氣由旋轉(zhuǎn)到靜止的轉(zhuǎn)換。

2.7 阻封氣系統(tǒng)

為了防止反應(yīng)氣體的泄漏并有效地降低密封的工作溫度，在動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置中引入的比反應(yīng)氣壓力稍高的純凈反應(yīng)氣體作為阻封氣。阻封氣由C1接口引入到轉(zhuǎn)換裝置中密封組件2的兩個(gè)密封端面之間，進(jìn)氣溫度為常溫（≤30℃），由C2流出氣體轉(zhuǎn)換裝置。阻封氣的壓力略高于A1接口輸入的反應(yīng)氣，起到阻止反應(yīng)氣體向外界泄漏的作用，由于阻封氣壓力高于A1接口輸入的反應(yīng)氣壓力，所以只可能是純凈的阻封氣泄漏到毒性更高的反應(yīng)氣中，因而提高了系統(tǒng)的安全性。同時(shí)阻封氣的溫度低，可以起到對(duì)密封組件進(jìn)行沖洗冷卻的作用。

2.8 泄漏氣系統(tǒng)

D口為2級(jí)密封泄漏口，正常情況下密封組件2的左側(cè)高壓差密封端面的泄漏氣體由此口收集；E口為備用泄漏口，僅在密封組件2左端面失效，密封組件2起作用時(shí)，才有泄漏氣體。正常情況下E口無(wú)泄漏，一旦其中發(fā)現(xiàn)泄漏氣體，則表示密封組件2的左側(cè)密封失效。D口和E口上設(shè)置流量報(bào)警。泄漏的氣體輸送到安全處理系統(tǒng)中。

2.9 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

為了對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑并進(jìn)行冷卻，采用循環(huán)油冷卻潤(rùn)滑的方式。G1為潤(rùn)滑油進(jìn)口，溫度常溫；G2為潤(rùn)滑油出口。起到對(duì)軸承潤(rùn)滑和冷卻的作用，防止軸承溫升過(guò)大。潤(rùn)滑油系統(tǒng)是動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置的輔助系統(tǒng)，由專(zhuān)門(mén)的潤(rùn)滑油站提供潤(rùn)滑油路還設(shè)置集油箱、換熱器、過(guò)濾器、油泵等設(shè)備。

3 動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置的特點(diǎn)

3.1 集裝結(jié)構(gòu)

該動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置為整體集裝式結(jié)構(gòu)，通過(guò)柔性螺旋軟管與合成釜連接，如圖3所示，與合成釜相連接的接口都設(shè)置閥門(mén)，當(dāng)合成釜出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉這些閥門(mén)，就可使釜內(nèi)的反應(yīng)氣、合成氣和釜中的物料封閉在反應(yīng)釜內(nèi)，避免有毒、易燃的物質(zhì)排放到大氣中去。該密封裝置出現(xiàn)故障時(shí)關(guān)閉裝置對(duì)外接口的閥門(mén)就可使密封裝置完全獨(dú)立于系統(tǒng)，可直接拆卸檢修或更換。氣體轉(zhuǎn)換裝置采用集裝結(jié)構(gòu)，方便維護(hù)、修理。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)釜與轉(zhuǎn)換裝置連接圖

3.2 良好的抗振性

反應(yīng)釜與轉(zhuǎn)換裝置采用柔性管連接，如圖3所示，有效地吸收了反應(yīng)釜的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)對(duì)動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置的影響，保證轉(zhuǎn)換裝置平穩(wěn)運(yùn)行。有效提高裝置中軸承和各密封的工作環(huán)境。

3.3 安全性能優(yōu)良

反應(yīng)釜中高壓的的反應(yīng)氣體和反應(yīng)生成的合成氣體都是易燃易爆、劇毒性物質(zhì)，一旦泄漏到環(huán)境中，后果非常嚴(yán)重。反應(yīng)氣的流動(dòng)是從A1口流入，如果從動(dòng)密封中產(chǎn)生泄露有兩個(gè)方向。第一條泄漏路線(xiàn)是：密封組件2→密封組件1→泄漏孔，在這一條路徑上有三個(gè)端面機(jī)械密封，安全性較高。而且密封組件2之間的阻封氣體的壓力高于反應(yīng)氣的壓力，正常情況下反應(yīng)氣不會(huì)從低壓端向高壓端泄漏。反應(yīng)氣另一條泄漏途徑是：機(jī)械密封組件3→B2口中的合成氣中，而不會(huì)直接泄漏到大氣中，且密封組件3即使失效也不會(huì)造成大的事故，動(dòng)密封不會(huì)產(chǎn)生任何的危險(xiǎn)；合成氣的流動(dòng)是從B1流經(jīng)密封組件3，從旋轉(zhuǎn)件過(guò)渡到靜止件，然后流到接口B2，主要發(fā)生泄漏的可能是密封組件3。但密封組件3的外側(cè)為A1進(jìn)入的反應(yīng)氣，內(nèi)側(cè)為合成釜反應(yīng)生成的合成氣，該密封內(nèi)外側(cè)的壓差很小，能夠較好地實(shí)現(xiàn)密封，且即使該密封失效也是A1口的反應(yīng)氣進(jìn)入到合成氣或是合成氣進(jìn)入到A1口的反應(yīng)氣中并重新進(jìn)入到合成釜中，而不會(huì)有任何的有毒有害的介質(zhì)進(jìn)入到大氣去；從本密封轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)可以看出有毒有害的反應(yīng)氣體和反應(yīng)生成的氣體與外部相連接的都為靜密封，靜密封容易得到保證。動(dòng)密封即使泄漏也是在裝置內(nèi)部，而不會(huì)使這些有毒、有害氣體泄漏到大氣中。所以，該轉(zhuǎn)換裝置的安全性很高，最容易失效的動(dòng)密封即使失效也不會(huì)造成非常大的后果。

圖6 阻風(fēng)氣及泄漏系統(tǒng)示意圖

3.4 可靠性較高

在密封組件1和密封組件2都設(shè)置了泄漏口，這些密封組件失效或損壞產(chǎn)生泄漏時(shí)，可以通過(guò)泄漏口檢測(cè)出泄漏情況從而采取相應(yīng)的措施，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。密封組件1還可做為密封負(fù)載最大的密封組件2的左端面的備用密封，在密封組件2的左端面失效后，密封組件1可代替其繼續(xù)工作，直到完成一個(gè)生產(chǎn)周期。密封3采用高可靠性的填料密封，不容易出現(xiàn)事故。

4 實(shí)用效果

該生產(chǎn)線(xiàn)共有3臺(tái)釜，配套有3臺(tái)動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置。2019年8月，編號(hào)為 A的 釜開(kāi)始試運(yùn)行，做為附屬設(shè)備的A轉(zhuǎn)換裝置并沒(méi)有達(dá)到原設(shè)計(jì)的效果，有時(shí)開(kāi)一釜就出現(xiàn)泄漏，有時(shí)開(kāi)兩釜就泄漏，最多開(kāi)了4釜出現(xiàn)了泄漏，給試生產(chǎn)造成了極大的影響，甚至有人開(kāi)始懷疑該裝置的結(jié)構(gòu)。在原設(shè)計(jì)人員、設(shè)備制造廠(chǎng)家和本廠(chǎng)技術(shù)人員的共同努力下，一次又一次地總結(jié)故障原因，并有針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)密封組件2的三次結(jié)構(gòu)優(yōu)化，轉(zhuǎn)換裝置運(yùn)行周期不斷延長(zhǎng)，從1釜2釜至5釜6釜，甚至達(dá)到了16釜。2020年9月，A轉(zhuǎn)換裝置連續(xù)運(yùn)行16個(gè)周期，沒(méi)有出現(xiàn)故障。利用停產(chǎn)檢修時(shí)間，我們對(duì)轉(zhuǎn)換裝置解體全面檢查，內(nèi)部所有零部件沒(méi)有任何損壞。至于2021年度4月，該套裝置已連續(xù)運(yùn)行35釜，沒(méi)有出現(xiàn)故障。2020年6月，B釜也投入運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行15釜，轉(zhuǎn)換裝置沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。2021年2月開(kāi)始，C釜也運(yùn)行了10釜，轉(zhuǎn)換裝置效果良好。

5 結(jié)論

（1）我公司通過(guò)與國(guó)內(nèi)密封領(lǐng)域?qū)＜衣?lián)合攻關(guān)，在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備上研發(fā)應(yīng)用的高溫中壓氣體動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置，采用多級(jí)密封結(jié)構(gòu)和氣頂氣密封技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)釜與進(jìn)出口工藝管道的動(dòng)靜轉(zhuǎn)換。配合撓性管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)釜長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）動(dòng)靜轉(zhuǎn)換裝置的成功使用，根本上解決了中壓轉(zhuǎn)動(dòng)合成釜的密封難題，保證了轉(zhuǎn)動(dòng)釜在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用，解決了轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備密封穩(wěn)定性的世界級(jí)難題，在密封領(lǐng)域影響深遠(yuǎn)。