浅谈低温压缩机结构设计

1、浅谈低温压缩机结构设计【摘要】在石汕化工中，无论是制造合成氯、生产合成橡胶、乙烯等，还是气体液化等工业, 以及科学研究、精密机床加工、食品工业的空气调节，都需要大量的冷源。冷源是通过制冷 装置得到的。因此，压缩机是制冷装置的主要设备。例如，乙烯分离需利用丙烯制冷系统。 而乙烯压缩机系统中的乙烯压缩机和丙烯压缩机由于其进气温度低于-2(rc,所以被称作低 温床缩机。低温压缩机一直以來都是依靠进口來满足国内的需求，所以对于低温压缩机的研 究是白力吨乙烯等项ri的核心内容，对白力吨乙烯压缩机组中低温压缩机结构设计中关键技 术进行了充分的论述。【关键词】低温压缩机；材料；结构1前言乙烯的产量标志着一个

2、国家的工业水平，乙烯裂解装置主要设备总计380台左右，主要 包括反应器25台，塔器4台，换热器162台，废热锅炉52台，容器97台，压缩机6台，离心泵 124台，dcs£|动控制系统1套。其中，垂大关键设备包括：乙烯裂解炉9台，能力为15wa； 裂解气压缩机1台；丙烯压缩机1台；乙烯压缩机1台。还有一批大型塔器如丙烯精锚塔、乙 烯梢饰塔、气油分馅塔、急冷油塔和急冷水塔等以及20多台乙烯冷箱等，压缩机是该装置中 的核心设备。目前，世界上只有少数国家具备设计制造裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机能力。 近几年，为增加乙烯产彊，新建的几个80万100万t大型乙烯项目，如南京与徳国巴斯夫、

3、 上海与英国石油、广州惠州与荷兰壳牌、福建为美国埃克森等，都尽量采取合资、合作的方 式提高整体装置的技术水平。1997年，依托大庆乙烯改扩建工程，由沈阳鼓风机集团有限公 司、杭州汽伦机厂等研制成功裂解气压缩机、丙烯压缩机。沈阳鼓风机厂2005年为茂名石化 80力飞/a乙烯装置研制的单机能力为64at/a裂解气压缩机的运行表明，机组性能达到了国际 先进水平，是目前国内最大的裂解气床缩机。沈鼓研制的单机能力为64万t/a裂解气压缩机 终结了市万吨级乙烯裂解气压缩机必须依赖进口的被动局血，为我国在世界特大型气体压缩 机制造领域赢得话语权。到目前为止，现场运行的机组中，'三机中只有乙烯压缩机还

4、没 有实现国产化零的突破。乙烯装置屮的三机，除裂解气压缩机，丙烯压缩机和乙烯压缩机的进口工况状态都属于 低温压缩机的设计，丙烯压缩机的进口温度一般为-40°c,乙烯压缩机迓口温度一般为 -102°co按照gb150-1998钢制床力容器标准规定，当工作温度w-20°c时，就应该考虑材料 在低温条件下冲击试验和要求，而apt617标准规定当工作温度tw-29°c吋应考虑材料的低温 性能要求。在我公司一般遵照的是gb150-1998标准的规定，即低温的工作范围扩大了。所以 乙烯、丙烯压缩机都属于低温压缩机，而丙烯压缩机和乙烯压缩机之所以多年来没有实现国 产化

5、，其低温特性是困惑我们多年的主要因索之一。本文将从材料，结构等儿个方而对低温 压缩机的设计技术关键进行论述。2低温压缩机的材料选用在各种低温钢屮，不论是普通低合金钢还是特殊性能的不锈钢，碌(ni)元素的含童是材 料耐低温能力的决定因素，所以一般我们应用的低温钢，都含有一定的银元索，我们在选择 和验收低温材料时，一定严格要求材料化学成分中银元素的含量。2. 1低温压缩机转子的材料选用转子部件中与低温介质接触的零部件包括叶轮、隔套、轴套、螺钉和螺母等。当设计温 度低于lore,高于-183°c以上转子的上述零部件材料可以选川含錄高的合金钢；当机组设 计温度高于-lore以上，叶轮、隔套、

6、轴套和平衡盘材料选川含铢的合金钢。当机组的设计 温度高于-50°c以上，主轴材料可以选用一般的合金钢，但在主轴加工图样上应标明低温试 验温度和冲击功值，并给;i*.合适的力学性能指标。压缩机定子部件是压缩机中最大的组部件，零件数量最多，使用材料种类繁多，但主要 与低温介质接触的零部件包括机壳、隔板、螺柱、螺母和密封等。低温压缩机的机売1) 焊接机壳低温压缩机的焊接机壳的材料一般分为两种，当设计温度在-40°c以上，板 材选用16mndr和锻件选用16mnd锻件。当设计温度低于-40°c以卜设计温度高于-70 °c以上, 板材选用09mnnidr和锻件选用

7、09mnnid锻件。板材的标准为低温床力容器用低合金钢板， 锻件的使川标准为jb/t4727低温压力容器川碳素钢和低合金钢锻件。2) 铸造机壳低温压缩机的机壳采川铸造机壳，机壳的材料和热处理及冲击试验温度，见 表1。表1低温及耐腐蚀条件使用的铸造机壳材料机壳设计条件钢号对照美国牌号使用状态最低冲击试验温度/°ctd>-4o°czg230-450astm. a352gr. lcb调质-40td>-73°czg20ni3astm. a352gr. lc2调质-73td>-115°czg10ni5astm. a352gr. lg4调质-115

8、除上述材料，如果设计温度低于-115°c,铸造的材料可以选用奥氏体不锈钢。(2)隔板材料的选用隔板材料比机売材料的温度限提高一级。例如，乙烯机组机売用zg10ni5(-115°c),隔 板用25cr2ni3mo(-75°c)锻件。丙烯机组机壳用zgloni 3 (-75°0 ,隔板用16mnd钢锻件或板林 或铸钢zg200-400/zg230-450,或铸铁qt400-18。设计温度低于t15°c，隔板的材料可以选 用奥氏体不锈钢板材或锻件。(3)螺柱、螺母材料的选川1) 螺柱，低温川螺柱的钢号及冲击试验按国家标准执行，具体要求见表2的规定。2

9、) 螺母，螺母许用应力见表3。表2低温用螺柱的钢号及冲击试验要求钢号规格/mm最低冲击试验温度°c冲击功a臥/j30crmoawm56-100°c$2735crmoawm56-100°c227m60-m80-70 °c$2740crnimoam52-m80-70 °c$31m85-m140-50 °cm31表3螺毋许用应力螺柱钢号钢号钢材标准使用状态使用温度范围/°c30crmoa30crmoagb3077调质too 50035crmoa30crmoagb3077调质too 50035crmoa40crnimoa35crmo

10、agb3077调质-7035040crmoa0crl8ni9ti0crl8ni9tigb1220固溶-196700国家标准件可以按上衣进行选取，特殊的紧固件，比如中分血螺柱、螺母材料的选用可 以按叶轮的材料银合金，但必须在图样上注明低温冲击耍求的数值和热处理后的力学性能 等。2. 2封材料的选用低温床缩机的轴端密封采用干气密封，而低温床缩机莫余的密封一般均为防锈铝，标准 号为5083,该材料为板材，适用于低温机组，即机器进口气温低于一20、c的机组。3低温材料选用的注意事项3.1材料的许用应力主轴轴头设计时，应注意主轴选川不同的材料，许川的比压值，扭应力值和键的剪应力 值都不同于常规的主轴材料

11、的应力值，应进行比较计算后，选取适当的值。对于低温压缩机中选用的奥氏体不锈钢还应注意做好强度方血的计算，由于奥氏体不锈 钢的的强度指标低丁洪他常用的普通低合金钢的值，所以不能凭经验选取，必须进行严格的 计算。例如在小于等于20c时16mndr的许川应力为163mpa, rfoocrl8ni9的的许川应力为 137mpa,所以设计时注意。3.2低温冲击试验的要求材料的最低使用温度等于最低冲击试验温度时，要保证焊缝的热影响区低温冲击试验时 的冲击功值不低于母材的冲击功值。否则，材料的最低使用温度应高于最低冲击试验温度。 应考虑焊缝热影响区冲击功值的下降。低温冲击试验功的规定值见表4。农4低温夏比（

12、v形缺i i）冲击试验最低冲击钢材标准抗拉强度下限值0 bl/mpa三个试样的冲击功平均值a 3jlommx 1 omm x 55mmw45018>450 51520>515 65027奥氏体焊缝金属31注：1试验温度下三个试样的冲击功平均值不得低丁表中的规定，其中单个试样的冲击功 可小于平均值，但不得小于平均值的70%。2.标准抗拉强度下限值大于650mpa,螺栓等钢材的冲击功值按标准抗拉强度下限值等于650mpa,钢材的要求，但40crnimo的低温冲击功值应不小于31j （三个试验样平均值）。3. 3检验的要求川于低温压缩机的板材应符合gb3531+规定的正火状态，锻件应符合

13、jb4727+iii级正火 状态规定。板材和锻件均应进行超肖波探伤检查，符合jb/t4730. 3（承压设备无损检测中 iii级规定，且表面不允许存在有裂纹、夹层、折叠和夹渣等缺陷。3.4材料选用的误区压缩机中常用的不锈钢耐低温，但不包括我们常用的10rl3, 2crl3, gb150中明确规定, 奥氏体不锈钢的使川温度高于或等于-196°c,可以免做冲击试验。所以，耐低温的不锈钢专 指奥氏体不锈钢，而口询我国生产的奥氏体不锈钢主要是锯银不锈钢（189型），斯5个钢号, ht10crl8ni9, lcrl8ni9, 2crl8ni9, 0crl8ni9ti, lcrl8ni9tie

14、压缩机中最常用于锁紧螺 母、隔套和轴套材料的1c门3有非常高的耐蚀性，是马氏体型不锈钢，只能用于常温的压缩 机中。4低温压缩机的结构设计1）由于钢材在低温状态下容易发生脆裂现象，所以在设计上也进行了充分的考虑，整体 结构上尽量简单，减少约束；避免产生的温度梯度；尽量避免结构形状的突然变化，以减小 局部高应力。2）由于低温压缩机的级间和口圈密封工作状态时和常规的压缩机密封不同，低温压缩机 密封工作时同制造时比较是处于冷縮状态，而一般常规的密封工作时处于膨胀状态，所以设 计时进行了充分的考虑，不再采用以往的整体加工后切开，中间留有一定的间隙，而是采用 上下密封分半加工，不留间隙。但试车时又处于高温

15、状态，所以应采用抽真空试车，不安装 口圈和级间密封的试午方式。3）在低温压缩机的设计过程中，尽量选用同种规格的材料。因为低温压缩机是一种特殊 的压缩机，其材料也具有口己的特殊性，川量很少，所以设计时尽可能的采川同种规格的材 料，以降低制造成木。5结束语在石油化工中，无论是制造合成氨、合成橡胶、乙烯等，还是气体液化等工业，以及科 学研究、粘密机床加工、食品工业的空气调节，都需要人量的冷源。冷源是通过制冷装置得 到的。采用的制冷工质有氣里昂、氨、丙烯、乙烯等。制冷的基木原理是：利用压缩机将气 体压缩，经冷水吸收其热量，使之变为液体，再膨胀至低压，液体经蒸发吸热作川以达到制 冷的目的。因此，压缩机是制冷装置的主要设备。制冷压缩机中的氨冷冻压缩机，丙烯压缩 机，乙烯压缩机是我集团牛产主要低温压缩机。h前，只有氨冷冻压