計洪旭，王靈德，張國強

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730060）

1 引言

某公司16萬t/a聚丙烯裝置采用的是陶氏化學(xué)公司Unipol聚丙烯工藝，能生產(chǎn)出包括均聚物、無規(guī)共聚物和抗沖共聚物和抗沖共聚物在內(nèi)全范圍產(chǎn)品，可在較大操作范圍內(nèi)調(diào)節(jié)操作條件而使產(chǎn)品性能保持均一。氮氣迷宮壓縮機該聚丙烯裝置生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于丙烯循環(huán)氣離心壓縮機的干氣密封，反應(yīng)器e口吹掃、分壓及置換，要求氮氣壓縮機的氣體絕對純凈，無油潤滑。氮氣迷宮壓縮機活塞套和氣缸、填料和活塞桿采用的是迷宮密封，迷宮密封是依靠泄漏來保證密封的，迷宮密封包括許多順序排列的節(jié)流點和容積室，每個節(jié)流點作為一個微孔起作用，壓能在這里轉(zhuǎn)化為動能，下面的容積室降低氣體速度，將動能轉(zhuǎn)化為熱能和渦流能。這2個元件在密封范圍內(nèi)的重復(fù)應(yīng)用，降低了沿著活塞和活塞桿填料函蓋方向的壓力，因而達到密封效果。

氮氣迷宮壓縮機的隔離段采用的是敞開式結(jié)構(gòu)，活塞套和氣缸采用的迷宮密封，沒有因連續(xù)摩擦而引起活塞環(huán)和支承環(huán)磨損現(xiàn)象，維修費用低，開工率高，僅有極少的幾個部件要求特別維護，且凡要特別維護的部件都易于拆卸；氮氣迷宮壓縮機采用立式結(jié)構(gòu)占地面積??；迷宮活塞既可逾越非金屬材料活塞環(huán)允許的最高工作溫度安全運行，亦可高于氣缸有油潤滑壓縮機的壓縮機油閃點正常工作，大大提高了經(jīng)濟效益。

2 問題描述

聚丙烯裝置有2臺氮氣壓縮機（GC2584A/B），壓縮機型號：MG-2.3/6.8～42.4，設(shè)計參數(shù)詳見表1。正常工況下，壓縮機一級入口壓力為0.60～0.68 MPa，入口溫度基本接近環(huán)境溫度，二級排氣壓力要求不低于3.50 MPa，最高達到4.20 MPa。

在使用的過程中特別是夏季，壓縮機一級入口溫度達到最高達到35℃，此時提高壓縮機二級出口壓力，壓縮機一級排氣溫度就達到聯(lián)鎖值170℃停車，二級排氣溫度接近150℃（圖1），根據(jù)行業(yè)標準壓縮機的排氣溫度不能超過150℃，針對氮氣壓縮機存在的問題，從壓縮機冷卻系統(tǒng)、氣缸間隙控制及活塞材料、填料密封等方面來解決氮氣迷宮壓縮機排氣溫度的問題。

表1 氮氣壓縮機設(shè)計參數(shù)

圖1 壓縮機排氣溫度曲線

3 原因分析及改進措施

3.1 壓縮機氣缸冷卻系統(tǒng)

氮氣壓縮機的冷卻水采用公用工程提供的循環(huán)水（圖2），壓縮機氣缸和一、二氣缸蓋采用串聯(lián)冷卻，冷卻水進入氣缸套冷卻后，進入一級氣缸蓋冷卻再進入二級氣缸蓋冷卻，回流到總回水管路。

考慮到裝置位于鹽湖區(qū)域，公用工程循環(huán)冷卻水中氯離子含量較高，冷卻水質(zhì)對壓縮機的氣缸套、十字頭都是有影響的，長時間容易結(jié)成水垢，產(chǎn)生腐蝕，因此對壓縮機氣缸循環(huán)水系統(tǒng)進行改造，配置一套10 t的軟水循環(huán)水站，供兩臺氮氣壓縮機同時使用。從壓縮機運行的記錄來看，氮氣壓縮機氣缸溫度比較高，氣缸套冷卻后水溫已經(jīng)很高，此時再進入氣缸蓋進行冷卻，換熱效率大大降低，因此提出將一、二冷氣缸蓋從總管分流單獨供水，采用并聯(lián)的方式，降低壓縮機氣缸蓋進水溫度，氣缸蓋冷卻效果會提高，從而更好的降低氣缸排氣溫度（圖3）。

3.2 氣缸間隙控制和活塞材料選擇

3.2.1 迷宮密封原理

圖2 改造前氮氣壓縮機氣缸冷卻系統(tǒng)流程圖

圖3 改造后氮氣壓縮機氣缸冷卻系統(tǒng)流程圖

迷宮壓縮機的迷宮密封有兩部分（圖4），一部分為迷宮活塞與氣缸間的密封，另一部分為迷宮填料與活塞桿間的密封，兩部分密封原理相同。如圖，在一定的小間隙下極少部分氣體通過各個節(jié)流點從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，在通過每個節(jié)流點時，氣體再此將壓力能轉(zhuǎn)化為動能，當氣體進入齒槽中后，由于容積的突然擴大，氣體速度急速下降（近乎于零），其一部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，另一部分轉(zhuǎn)化為渦流能，經(jīng)過連續(xù)均布的節(jié)流和齒槽旋渦室的重復(fù)作用，泄漏氣體的壓力降低到低壓側(cè)壓力，達到氣密性要求。

3.2.2 壓縮機活塞組件檢查及改進措施

現(xiàn)場拆檢氮氣壓縮機一、二活塞時發(fā)現(xiàn)二級活塞存在嚴重的磨損（圖5），一級活塞的迷宮槽是完整無劃傷的。分析二級活塞磨損的原因，發(fā)現(xiàn)二級活塞為整體鍛鋁結(jié)構(gòu)，不含有活塞上、下蓋，壓縮機活塞在150℃的工作溫度下，活塞的線性膨脹量超出活塞和氣缸的設(shè)計間隙。對二級活塞套進行試驗分析，活塞套的材質(zhì)2A80為一般的鍛鋁材質(zhì)，耐高溫性能較差。

圖4 迷宮活塞密封及迷宮填料密封

圖5 二級活塞磨損情況

考慮到整體鍛鋁活塞套的線性膨脹量大，將二級活塞結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，采用活塞上、下蓋的結(jié)構(gòu)，減薄二級活塞套的厚度，縮小活塞套的線性膨脹量?；钊撞捎脟鴥?nèi)某金屬研究所的研制的新型耐高溫鍛鋁材料，適應(yīng)耐高溫的工況。

3.2.3 壓縮機活塞止點間隙檢查及改進措施

現(xiàn)場拆檢氮氣壓縮機一、二級活塞時，測量一、二級活塞的上、下止點間隙（圖6），發(fā)現(xiàn)一級活塞的的上止點間隙偏大，S1達到了3.50 mm，一級氣缸蓋和氣缸結(jié)合面存在2 mm的四氟乙烯板墊，檢查發(fā)現(xiàn)氣缸蓋和氣缸O型圈密封倒角偏大，O型圈無法密封，增加了四氟乙烯板密封，這樣雖達到了密封的效果，但增加活塞上止點的間隙。根據(jù)試驗研究，增大止點間隙，會造成氣缸余隙系數(shù)增大，氣體被反復(fù)壓縮，排氣溫度急速升高。氣缸止點間隙是壓縮機排氣溫度的關(guān)鍵因素，壓縮機止點間隙要嚴格控制，此機型S1要嚴格控制在1.70～2.20 mm，S2要控制在0.8～1.3 mm。

將A處墊片去掉，測量O型圈的線徑5 mm，更換線徑為5.7 mm的O型圈，車削一級氣缸蓋的上端面厚度，調(diào)整一級活塞上止點的間隙到2.05 mm。

3.3 壓縮機填料密封檢查及改進措施

氮氣壓縮機的填料與活塞桿間采用接觸式密封和迷宮密封相結(jié)合的方式（圖7），填料采用多組填料環(huán)密封，現(xiàn)場拆檢填料時發(fā)現(xiàn)活塞桿磨損比較嚴重，特別是接觸填料部分磨損嚴重，填料磨損間隙大，會造成氣體泄漏量大，特別是一級的填料磨損比較嚴重，級間壓力降低，會造成二級負荷增加，二級排氣溫度升高。

圖6 現(xiàn)場氮氣壓縮機的氣缸剖面圖

圖7 氮氣壓縮機的填料密封結(jié)構(gòu)圖

填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，填料活塞桿段采用內(nèi)部油冷卻，考慮填料沒有通水冷卻，活塞桿要適應(yīng)耐高溫耐磨的工況，更換活塞桿，對活塞桿的表面進行處理，噴涂碳化鎢，增加其耐高溫耐磨性。

4 效果檢驗

改進后，該公司聚丙烯裝置氮氣壓縮機于2018年7月重新投入運行，氮氣壓縮機一級進口壓力0.68 MPa，進口溫度31℃，二級排氣壓力升至4.20 MPa，一級壓縮機的排氣溫度135℃，二級排氣溫度126℃，壓縮機各項運行參數(shù)運行穩(wěn)定，氮氣壓縮機的排氣溫度高的問題得到了徹底解決。

5 結(jié)語

氮氣迷宮壓縮機是聚丙烯裝置生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，壓縮機的排氣溫度要極為重視，它會嚴重影響壓縮機各方面的使用性能及壽命，要從壓縮機的水路系統(tǒng)、壓縮機間隙檢查、活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計及材質(zhì)和填料密封結(jié)構(gòu)等方面予以改進。