1、淺談低溫壓縮機結構設計【摘要】在石油化工中，無論是制造合成氯、生產合成橡膠、乙烯等，還是氣體液化等工業，以及科學研究、精密機床加工、食品工業的空氣調節，都需要大量的冷源。冷源是通過制冷裝置得到的。因此，壓縮機是制冷裝置的主要設備。例如，乙烯分離需利用丙烯制冷系統。而乙烯壓縮機系統中的乙烯壓縮機和丙烯壓縮機由于其進氣溫度低于-20，所以被稱作低溫壓縮機。低溫壓縮機一直以來都是依靠進口來滿足國內的需求，所以對于低溫壓縮機的研究是百萬噸乙烯等項目的核心內容，對百萬噸乙烯壓縮機組中低溫壓縮機結構設計中關鍵技術進行了充分的論述。【關鍵詞】低溫壓縮機；材料；結構1 前言乙烯的產量標志著一個國家的工業水平，

2、乙烯裂解裝置主要設備總計380臺左右，主要包括反應器25臺，塔器4臺，換熱器162臺，廢熱鍋爐52臺，容器97臺，壓縮機6臺，離心泵124臺，DCS自動控制系統1套。其中，重大關鍵設備包括：乙烯裂解爐9臺，能力為l5萬t/a；裂解氣壓縮機1臺；丙烯壓縮機1臺；乙烯壓縮機1臺。還有一批大型塔器如丙烯精餾塔、乙烯精餾塔、氣油分餾塔、急冷油塔和急冷水塔等以及20多臺乙烯冷箱等，壓縮機是該裝置中的核心設備。目前，世界上只有少數國家具備設計制造裂解氣壓縮機、丙烯壓縮機和乙烯壓縮機能力。近幾年，為增加乙烯產量，新建的幾個80萬100萬t大型乙烯項目，如南京與德國巴斯夫、上海與英國石油、廣州惠州與荷蘭殼牌、

3、福建與美國埃克森等，都盡量采取合資、合作的方式提高整體裝置的技術水平。1997年，依托大慶乙烯改擴建工程，由沈陽鼓風機集團有限公司、杭州汽輪機廠等研制成功裂解氣壓縮機、丙烯壓縮機。沈陽鼓風機廠2005年為茂名石化80萬t/a乙烯裝置研制的單機能力為64萬t/a裂解氣壓縮機的運行表明，機組性能達到了國際先進水平，是目前國內最大的裂解氣壓縮機。沈鼓研制的單機能力為64萬t/a裂解氣壓縮機終結了百萬噸級乙烯裂解氣壓縮機必須依賴進口的被動局面，為我國在世界特大型氣體壓縮機制造領域贏得話語權。到目前為止，現場運行的機組中，三機中只有乙烯壓縮機還沒有實現國產化零的突破。乙烯裝置中的三機，除裂解氣壓縮機，丙

4、烯壓縮機和乙烯壓縮機的進口工況狀態都屬于低溫壓縮機的設計，丙烯壓縮機的進口溫度一般為-40，乙烯壓縮機進口溫度一般為-102。按照GB150-1998鋼制壓力容器標準規定，當工作溫度-20時，就應該考慮材料在低溫條件下沖擊試驗和要求，而API617標準規定當工作溫度t-29時應考慮材料的低溫性能要求。在我公司一般遵照的是GB150-1998標準的規定，即低溫的工作范圍擴大了。所以乙烯、丙烯壓縮機都屬于低溫壓縮機，而丙烯壓縮機和乙烯壓縮機之所以多年來沒有實現國產化，其低溫特性是困惑我們多年的主要因素之一。本文將從材料，結構等幾個方面對低溫壓縮機的設計技術關鍵進行論述。2 低溫壓縮機的材料選用在各

5、種低溫鋼中，不論是普通低合金鋼還是特殊性能的不銹鋼，鎳(Ni元素的含量是材料耐低溫能力的決定因素，所以一般我們應用的低溫鋼，都含有一定的鎳元素，我們在選擇和驗收低溫材料時，一定嚴格要求材料化學成分中鎳元素的含量。2.1 低溫壓縮機轉子的材料選用轉子部件中與低溫介質接觸的零部件包括葉輪、隔套、軸套、螺釘和螺母等。當設計溫度低于101，高于-183以上轉子的上述零部件材料可以選用含鎳高的合金鋼；當機組設計溫度高于-101以上，葉輪、隔套、軸套和平衡盤材料選用含鎳的合金鋼。當機組的設計溫度高于-50以上，主軸材料可以選用一般的合金鋼，但在主軸加工圖樣上應標明低溫試驗溫度和沖擊功值，并給出合適的力學性

6、能指標。壓縮機定子部件是壓縮機中最大的組部件，零件數量最多，使用材料種類繁多，但主要與低溫介質接觸的零部件包括機殼、隔板、螺柱、螺母和密封等。(1低溫壓縮機的機殼1焊接機殼低溫壓縮機的焊接機殼的材料一般分為兩種，當設計溫度在-40以上，板材選用16MnDR和鍛件選用16MnD鍛件。當設計溫度低于-40以下且設計溫度高于-70以上，板材選用09MnNiDR和鍛件選用09MnNiD鍛件。板材的標準為低溫壓力容器用低合金鋼板，鍛件的使用標準為JB/T4727低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件。2鑄造機殼低溫壓縮機的機殼采用鑄造機殼，機殼的材料和熱處理及沖擊試驗溫度，見表1。表1低溫及耐腐蝕條件使用的

7、鑄造機殼材料機殼設計條件鋼號對照美國牌號使用狀態最低沖擊試驗溫度/tD-40ZG230-450ASTM.A352Gr.LCB調質-40tD-73ZG20Ni3ASTM.A352Gr.LC2調質-73tD-115ZG10Ni5ASTM.A352Gr.LG4調質-115除上述材料，如果設計溫度低于-115，鑄造的材料可以選用奧氏體不銹鋼。(2隔板材料的選用隔板材料比機殼材料的溫度限提高一級。例如，乙烯機組機殼用ZG10Ni5(-115，隔板用25Cr2Ni3Mo(-75鍛件。丙烯機組機殼用ZG10Ni3(-75，隔板用16MnD鋼鍛件或板材，或鑄鋼ZG200-400/ZG230-450，或鑄鐵QT

8、400-18。設計溫度低于-115，隔板的材料可以選用奧氏體不銹鋼板材或鍛件。(3螺柱、螺母材料的選用1螺柱，低溫用螺柱的鋼號及沖擊試驗按國家標準執行，具體要求見表2的規定。2螺母，螺母許用應力見表3。表2 低溫用螺柱的鋼號及沖擊試驗要求鋼號規格/mm最低沖擊試驗溫度沖擊功A kv/J30CrMoAM56-1002735CrMoAM56-10027M60-M80-702740CrNiMoAM52-M80-7031M85-M140-5031表3 螺母許用應力螺柱鋼號鋼號鋼材標準使用狀態使用溫度范圍/30CrMoA30CrMoAGB3077調質-10050035CrMoA30CrMoAGB3077

9、調質-10050035CrMoA40CrNiMoA35CrMoAGB3077調質-7035040CrMoAOCr18Ni9TiOCr18Ni9TiGB1220固溶-196700國家標準件可以按上表進行選取，特殊的緊固件，比如中分面螺柱、螺母材料的選用可以按葉輪的材料鎳合金，但必須在圖樣上注明低溫沖擊要求的數值和熱處理后的力學性能等。2.2 封材料的選用低溫壓縮機的軸端密封采用干氣密封，而低溫壓縮機其余的密封一般均為防銹鋁，標準號為5083，該材料為板材，適用于低溫機組，即機器進口氣溫低于一20C的機組。3 低溫材料選用的注意事項3.1 材料的許用應力主軸軸頭設計時，應注意主軸選用不同的材料，許

10、用的比壓值，扭應力值和鍵的剪應力值都不同于常規的主軸材料的應力值，應進行比較計算后，選取適當的值。對于低溫壓縮機中選用的奧氏體不銹鋼還應注意做好強度方面的計算，由于奧氏體不銹鋼的的強度指標低于其他常用的普通低合金鋼的值，所以不能憑經驗選取，必須進行嚴格的計算。例如在小于等于20C時16MnDR的許用應力為163MPa，而0Cr18Ni9的的許用應力為137MPa，所以設計時注意。3.2 低溫沖擊試驗的要求材料的最低使用溫度等于最低沖擊試驗溫度時，要保證焊縫的熱影響區低溫沖擊試驗時的沖擊功值不低于母材的沖擊功值。否則，材料的最低使用溫度應高于最低沖擊試驗溫度。應考慮焊縫熱影響區沖擊功值的下降。低

11、溫沖擊試驗功的規定值見表4。表4低溫夏比(V形缺口沖擊試驗最低沖擊鋼材標準抗拉強度下限值b1/MPa三個試樣的沖擊功平均值A kv/J10mm×10mm×55mm450184505152051565027奧氏體焊縫金屬31注：1試驗溫度下三個試樣的沖擊功平均值不得低于表中的規定，其中單個試樣的沖擊功可小于平均值，但不得小于平均值的7O。2標準抗拉強度下限值大于650MPa，螺栓等鋼材的沖擊功值按標準抗拉強度下限值等于650MPa，鋼材的要求，但40CrNiMo的低溫沖擊功值應不小于31J(三個試驗樣平均值。3.3 檢驗的要求用于低溫壓縮機的板材應符合GB3531中規定的正火

12、狀態，鍛件應符合JB4727中級正火狀態規定。板材和鍛件均應進行超聲波探傷檢查，符合JBT47303(承壓設備無損檢測中級規定，且表面不允許存在有裂紋、夾層、折疊和夾渣等缺陷。3.4 材料選用的誤區壓縮機中常用的不銹鋼耐低溫，但不包括我們常用的1Cr13，2Cr13，GB150中明確規定，奧氏體不銹鋼的使用溫度高于或等于-196，可以免做沖擊試驗。所以，耐低溫的不銹鋼專指奧氏體不銹鋼，而目前我國生產的奧氏體不銹鋼主要是鉻鎳不銹鋼(189型，共有5個鋼號，HI10Crl8Ni9，1Cr18Ni9，2Cr18Ni9，0Crl8Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti。壓縮機中最常用于鎖緊螺母、隔套和軸套材

13、料的1Crl3有非常高的耐蝕性，是馬氏體型不銹鋼，只能用于常溫的壓縮機中。4 低溫壓縮機的結構設計1由于鋼材在低溫狀態下容易發生脆裂現象，所以在設計上也進行了充分的考慮，整體結構上盡量簡單，減少約束；避免產生的溫度梯度；盡量避免結構形狀的突然變化，以減小局部高應力。2由于低溫壓縮機的級間和口圈密封工作狀態時和常規的壓縮機密封不同，低溫壓縮機密封工作時同制造時比較是處于冷縮狀態，而一般常規的密封工作時處于膨脹狀態，所以設計時進行了充分的考慮，不再采用以往的整體加工后切開，中間留有一定的間隙，而是采用上下密封分半加工，不留間隙。但試車時又處于高溫狀態，所以應采用抽真空試車，不安裝口圈和級間密封的試

14、車方式。3在低溫壓縮機的設計過程中，盡量選用同種規格的材料。因為低溫壓縮機是一種特殊的壓縮機，其材料也具有自己的特殊性，用量很少，所以設計時盡可能的采用同種規格的材料，以降低制造成本。5 結束語在石油化工中，無論是制造合成氦、合成橡膠、乙烯等，還是氣體液化等工業，以及科學研究、精密機床加工、食品工業的空氣調節，都需要大量的冷源。冷源是通過制冷裝置得到的。采用的制冷工質有氟里昂、氨、丙烯、乙烯等。制冷的基本原理是：利用壓縮機將氣體壓縮，經冷水吸收其熱量，使之變為液體，再膨脹至低壓，液體經蒸發吸熱作用以達到制冷的目的。因此，壓縮機是制冷裝置的主要設備。制冷壓縮機中的氨冷凍壓縮機，丙烯壓縮機，乙烯壓縮機是我集團生產主要低溫壓縮機。目前，只有氨冷凍壓縮機我們在國內市場