孔皓楠，白福慶，于朋(沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)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(jī)，其大部分為保證生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，禁止在壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下將機(jī)身底部的潤滑油通過活塞帶入氣缸。當(dāng)有潤滑油進(jìn)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(jī)組后，方可了解為壓縮機(jī)氣缸進(jìn)油導(dǎo)致。目前迷宮壓縮機(jī)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(jìn)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(jìn)入填料部件，便會沿活塞桿進(jìn)一步進(jìn)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(jī)，因產(chǎn)品質(zhì)量問題，拆檢時曾幾次發(fā)現(xiàn)有潤滑油進(jìn)入填料及氣缸的情況，當(dāng)氣缸進(jìn)油后，大量的拆檢工作會嚴(yán)重阻礙現(xiàn)場的生產(chǎn)進(jìn)度，為更好的觀察壓縮機(jī)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(jī)組拆檢，檢查機(jī)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(jìn)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(jī)氣缸高壓隔室側(cè)加裝玻璃蓋板，以達(dá)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(jī)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(qiáng)度及密封性能，即壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(dá)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(dá)到保護(hù)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(jìn)行密封；圖3結(jié)構(gòu)采用單一O形圈進(jìn)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(jī)組原有結(jié)構(gòu)的尺寸和安裝空間進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)組，并進(jìn)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(jī)玻璃+PTFE墊片的密封組合結(jié)構(gòu)試驗；試驗2為有機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)產(chǎn)工藝制成的一種強(qiáng)化耐火性能的玻璃，其具有高強(qiáng)度、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性等性能。而有機(jī)玻璃的本質(zhì)為非結(jié)晶體塑料，其透明性好，機(jī)械強(qiáng)度好，因其本身材料組分，更易于加工。考慮現(xiàn)場壓縮機(jī)拆裝的方便與安全，對比同樣大小的材料，有機(jī)玻璃的重量只有硼硅玻璃的一半，機(jī)組維修人員更容易安裝與拆卸，且硼硅玻璃雖相比有機(jī)玻璃有更高的強(qiáng)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(jī)玻璃作為玻璃蓋板的主體材料，因現(xiàn)場機(jī)組的隔室壓力遠(yuǎn)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(jī)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(jī)上?，F(xiàn)場壓縮機(jī)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(jī)運行過程中活塞桿否有會攜帶潤滑油進(jìn)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(jī)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(jī)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(dá)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。