� 34� � � � � � 压缩机技术 2007年第 4期 (总 204期 )
收稿日期: 2007- 07- 10
文章编号: 1006�2971 ( 2007) 04�0034�04
浅谈氢气压缩机设计
王 � 庆1,姜 � 静 2
( 1�三一重型装备有限公司,辽宁 沈阳 110000; 2�沈阳鼓风机 (集团 )有限公司,辽宁 沈阳 110142 )
摘 � 要: 介绍氢气压缩机的设计原则, 主要结构设计及其特点,材料的选择以及防爆措施等。
关键词: 氢气压缩机;设计; 防爆
中图分类号: TH 457� � 文献标识码: B�
1� 引言
随着我国石油炼制工业的迅猛发展, 炼油企业
广泛采用了先进的加氢工艺, 如: 加氢精制, 加氢裂
化和加氢脱硫等。上述工艺流程装置需要成套加氢
设备, 其中有新氢压缩机、循环氢压缩机等。由于往
复活塞压缩机具有节能高效的特点, 因而在石油精
炼化工流程中仍占有主导地位。
与国外相比,氢压机在我国起步较晚,刚开始是
引进国外氢压机,进而发展到自行测绘仿制,直至上
世纪 80年代后期才走上自行设计氢压机并不断完
善的阶段。
2� 氢气压缩机设计遵循的原则
2�1� 氢气的性质
氢气活动性强,在一定的条件下,对金属有强的
腐蚀作用,此特性严重地影响了氢气压缩机的使用
寿命。如碳钢发生氢腐蚀的条件是: 氢气压力 > 200
MPa,温度 > 200� , 而且温度是主要指标。对于氢
气压缩机设计的最高实际排气温度应小于 149� ,
富氢压缩机设计的排气温度应小于 135� (富氢分
子量 � 12)。
曾有学者指出: 氢腐蚀的潜伏期与晶界上氧化
铁的集中程度有直接关系。其中氢的压力、温度越
高,氢腐蚀的潜伏期就越短。
另外,氢气具有易燃、易爆特点, 稍有不慎就会
发生燃烧或爆炸事故, 造成人员伤亡及经济重大损
失的恶果,必须引起高度重视。氢气压缩机应当易
损件寿命长、密封性能好、运转效率高、运行平稳、安
全可靠性高,这是从事氢气压缩机设计人员必须遵
循的原则。
2�2� 材料选择时应遵循原则
( 1)应执行美国石油学会
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
API618中有关
氢压机主要零部件的材料规定;
( 2)应根据其工况条件 (气体压力、排气温度 ),
压缩介质成份 (尤其是介质中含硫化氢的成份 )的
不同区别对待。
2�3� 其它要求
关于炼油加氢装置用的大中型氢气压缩机, 不
论是无油润滑,少油润滑, 还是有油润滑,其活塞平
均速度应在 3~ 4 m /s左右,不宜过高。如果活塞平
均速度设计过高,将使气阀、气管路中气体的阻力损
失增大,功率的消耗增大及排气温度过高,严重地影
响压缩机运转的经济性和使用的可靠性,并且对运
动部件的磨损有直接影响。
关于材料的机械性能等特殊要求, 分别在压缩
机的结构设计中加以介绍。
3� 部分结构设计及其特点
3�1� 十字头结构设计及其特点
氢压机的十字头用 ZG230�450制成, 十字头销
材料用 42 C rM o。十字头部件由十字头体和用螺钉
紧固在十字头体上下的两个滑板组成,滑板的工作
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
面铸有一层轴承合金 ( CnSnSb11�b) ,滑板沿纵向
与十字头体以榫槽定位, 且由紧固螺钉以一定的紧
固力矩加以紧固。
十字头部件的结构见图 1, 其结构特点如下:
( 1)十字头体与滑板上下之间分别有厚度为
0�1 mm的黄铜调整垫片 3个,在安装时根据曲轴旋
转方向应将十字头滑履无侧向力侧拆下各 2个垫
片, 以实现十字头与滑道之间的工作间隙,保证十字
头的轴心线与滑道轴心线一致, 使压缩机运动部件
第 4期 王庆,等 :浅谈氢气压缩机设计 � 35��� �
运行平稳。这种结构比国内其它十字头结构具有加
工工艺性好,加工简单等特点。
1�十字头滑履; 2�螺钉; 3�十字头销; 4�活塞杆; 5�压力体部件
图 1� 液压十字头结构
( 2)十字头与活塞杆的连接采用液压连接结构
方式。液压连接是通过向压力体环形活塞内腔注入
高压油,强制使活塞杆 (或连杆螺栓 )连接部位在弹
性范围内受压伸长,用很小的力矩让螺母靠紧,然后
泄掉高压油,这样可避免在螺母紧固时对螺纹造成
伤害, 使螺纹部位受力均匀。
这种新型连接方式的优点是: ( 1)安装操作简
单,拆装方便; ( 2)容易找正中心, 活塞杆上没有螺
纹可避免发生活塞杆的断裂; ( 3)各受力零件都进
行了强度校核,安全可靠。
3�2� 气缸的结构设计及其特点
3�2�1� 氢气压缩机的气缸设计原则
按压缩介质工作压力的高低不同分别采用铸铁
缸体和锻制缸体。当工作压力 < 4MPa时, 选用铸
铁缸体、缸盖、缸座; 当工作压力 > 4MPa时,通常选
用锻制缸体、缸盖、缸座。
3�2�2� 氢气压缩机的气缸结构 (见图 2)特点
( 1)一般设计缸体为筒型结构, 气阀在气缸上
为径向布置,都设计有气阀孔。气缸盖、气缸座及阀
盖与气缸的密封通常采用 O形橡胶圈密封, 防止氢
气的外泄漏。在高压或特殊介质时 (如含 H 2 S高 ) ,
必须采用刚性密封。
( 2)气缸设进气口、排气口; 有的在缸径的最下
面设有排液口,便于及时排放液体以免发生液击。
( 3)采用小气腔式气缸,利于增强气缸的强度。
( 4)气缸套设计: 气缸套材料一般低压 ( < 4
M Pa)选用 JT25�47C合金铸铁 (表面进行氮化处理,
硬化层深度为 0�17 ~ 0�30 mm, 硬度�HV380); 中
压 ( < 10M Pa)选用 JT25�47D合金铸铁; 高压 ( � 10
MPa)选用 38 C rM oA lA。如果气体中含 H 2S < 9%
时,气缸套选用 NSTCr20; H 2S < 4% 时, 选用 JT25�
47D。气缸套与气缸体采用静配合。
铸铁气缸 (图 2)为多层壁的筒形铸件, 它的工
作容积、气道和水道是铸成的,而锻制气缸的水道为
机械加工而成。
1、5�吸气阀口, 2、4排气阀, 5�进气口, 6�排气口, 7�水腔; 8�缸套
图 2� 铸铁气缸结构
3�3� 活塞部件结构设计及计算
3�3�1� 结构设计及材料选择
活塞部件由活塞、活塞杆、活塞环、支承环、活塞
背帽等组成。
3�3�1�1材料选择
( 1)活塞通常由铸件或者锻件制成。其材料按
活塞力的大小分别选用: 低压级 ( < 4MPa )选
HT200、HT250等铸铁件;中高压级 ( < 10MPa)选用
35#锻制件。如果考虑各级间往复惯性力平衡也可
选用铝合金 ZL401等材料。
( 2)无油润滑或少油润滑氢压机的活塞环、支
承环选用填充四氟乙烯自润滑性能好的材料。
( 3)活塞杆材料选用 42CrM o锻件, 如果压缩介
质为含有 H2 S成份 ( 3% ~ 11% )的富氢气, 其活塞
杆材料选用 17 - 4PH 锻件或采用金属表面非晶态
硬化处理新工艺; 在活塞杆摩擦表面利用激光技术
喷涂陶瓷涂层等新材料, 解决了介质对活塞杆零件
的腐蚀和磨损问题,提高了易损件的使用寿命。
3�3�1�2� 活塞部件的结构见图 3, 其特点:
1�活塞背帽, 2�活塞环, 3�支承环, 4�活塞杆
图 3� 活塞部件
� 36��� � 压缩机技术 第 4期
①支承环设计成托瓦式结构, 其承载面积设计
为沿圆周方向下部的 120�范围。避免整体式支承
环由于开口值选择不当而发生涨死引起烧缸现象,
造成支承环局部磨损严重而影响支承环的使用寿
命。如图 3中 A - A剖面图所示, 这种结构比整体
式支承环结构简单,加工工艺性好,且节省材料。该
结构已应用在各种型号氢气压缩机上, 经用户满负
荷运行效果良好。
②活塞与活塞杆采取活塞背帽拧紧, 通常在拧
紧后将活塞背帽垫片翻边到活塞凹窝中。这种方法
开车运行中易发生松动造成恶性事故。为避免事故
发生可采取活塞杆与活塞电加热锁紧方法予以紧
固。
具体方法是:在活塞杆顶端加工带螺纹的孔,将
电加热棒放在孔里边通电加热, 使活塞杆在弹性范
围内受热伸长,然后用很小的力矩使活塞螺母旋转
一个规定的角度 (该角度经过程序精确计算 ), 拆下
电加热器待冷却到室温后, 预紧力即可均匀地加在
螺纹的配合表面上,确保机器安全长期运行。
3�3�2� 活塞部件中活塞环数量的选择
( 1)对于无油润滑压缩机, 活塞环的数量根据
密封压力差大小加以确定,如表 1所示;
( 2)活塞环槽宽度, 内径与气缸直径, 活塞直径
间关系按有关规定加以确定。
表 1� 活塞环数量
密封压力差 (M Pa) 0�1~ 0�6 0�6~ 1�6 1�6~ 3�2 3�2~ 5�0 5�0~ 8�0 8�0~ 12�5 12�5~ 15�0
活塞环数量 (个 ) 2~ 4 4~ 6 5~ 7 6~ 8 8~ 10 10~ 12 12~ 14
4� 氢气压缩机的防爆措施
严防压缩机介质氢气的外泄漏是防爆措施的关
键。从事氢气压缩机设计的科技人员, 在结构设计
时要严格贯彻执行美国石油学会 API618《一般炼油
厂用往复压缩机》标准。在设计过程中必须采取下
列防爆设计。
4�1� 氢气压缩机结构设计中的防爆措施
4�1�1� 氢气压缩机必须采用长双室隔爆型中间接
筒结构
氢气压缩机必须采用具有中间隔离层的长双室
结构, 以防止空气与氢气相混合而发生爆炸事故。
中间接筒结构为铸铁制成的长双室型筒形部件,它
是机身和气缸联接的桥梁。在与机身、气缸联接的
法兰面上采用 O形橡胶圈密封, 并通过弹性螺栓专
用垫圈及盖形螺母把它们联在一起。其中接筒与机
身连接侧设置安装刮油环部件的隔板, 用以把机身
滑道与接筒分开。双室式中间接筒, 中间设有隔板,
并装有填料函,用以防止填料泄漏出的易爆氢气进
入机身内。中间接筒每室上部分设有气体排放口;
下部设有废液排放口; 靠近气缸填料室内设有充氮
气进出口;冷却填料的冷却水进出口;填料注润滑油
进口及填料漏气回收排放口,将外泄漏的易燃、易爆
氢气安全地收集起来或放空燃烧掉。
4�1�2� 刮油环的合理设计
刮油环安装于中间接筒靠近机身端侧, 来阻止
机身中的润滑油通过活塞杆进入气缸。其结构为一
个密封环、挡圈、一个槽环和压盖组成。两个环材质
为耐油橡胶,其作用是刮下活塞杆上粘附的机身的
润滑油,防止油通过活塞杆带入气缸内。刮油环刮
下来的油仍流入机身油池。槽环的开口永远向着机
身, 其内径略大于活塞杆直径,这样就对活塞杆产生
不变的低的接触压力来实现刮油。
4�1�3� 活塞杆密封填料结构的设计特点
由于压缩介质氢气是易燃易爆气体, 在设计活
塞杆密封填料结构时, 当气体工作压力大于 2MPa
时, 应设有漏气回收,充氮气保护以及填料结构设注
油点等有效防泄漏措施。由于油的粘度比氢气的粘
度大得多,故填料注油对减少泄漏是有益的。为此,
在填料结构设计上设有注油点。有油润滑填料孔的
数目和位置的设定原则如下:
( 1)填料注油润滑孔数目确定, 根据气体工作
压力大小而定。当气体压力达到 8 MPa时, 设置一
个润滑点;当气体压力在 8~ 36MPa时,设置两个润
滑点;当气体压力在 36~ 50MPa时,应设置 3个润
滑点。
( 2)填料注润滑油孔位置的选择, 从理论上讲
应选择在因摩擦和相对高压差而产生高温热传导的
地方效果最佳,要找准非常困难, 通常当氢压机是立
式结构,其润滑油孔的排列可分布于圆周上。对于
卧式氢压机,其注润滑油孔应按填料盒的垂直方向
排列。
( 3)填料结构的充气保护措施为了防止氢气从
填料往外泄漏,在结构上增设氮气进出口接头,往填
第 4期 王庆,等 :浅谈氢气压缩机设计 � 37��� �
料内充 0�3~ 0�4MPa压力的氮气。如果有少量低
压的氢气泄漏的话, 在填料最外侧设计了漏气回收
室。采用以上措施后, 即使还有少量氮氢混合气泄
漏出来的话,在中间接筒每室的顶部设有气体排放
接口, 以便及时安全地排放掉, 确保氢压机的安全可
靠运行。
4�2� 氢气压缩机配套电器设备及仪表元件的合理
选购
由于使用氢压机设备的场所规定防爆区域为 2
区。所以氢压机配套用的电器设备 (电动机、电控、
自控项目 )必须选用防爆电气设备及仪表元件。
4�2�1� 电控、自控及仪表元件的选择
氢气压缩机配套的电控、自控系统的报警,发声
光讯号元件必须选用防爆型压力控制器、差压控制
器、温度控制器。
4�2�2� 氢气压缩机配套电动机的选用
大中型氢压机选用无刷励磁增安型同步电机,
防爆等级为 eⅡ T3; 或者选用正压通风型电动机。
小型氢压机选用三相增安型异步电动机,防爆等级
为 eⅡT3。氢压机运动部件的润滑油系统 -稀油站
配套用的电机必须选防爆电机, 防爆等级为
dⅡCT4。
4�2�3� 选用防爆的仪表元件
电机轴承温度计应选择防爆铂热电阻 WZP�
tkzB级 (型号 Pt100)。
5� 结束语
本文介绍的氢气压缩机结构设计中的十字头的
液压联接结构,活塞部件的支承环、刮油环结构、填
料密封结构等采用了国外先进技术。产品具有自润
滑性好、耐磨性强、使用寿命长。
关于召开 �中国通用机械工业协会第五届会员代表大会 �
暨 �振兴我国通用机械行业研讨会 �的通知
各会员代表:
根据我会《
章程
公司章程范本下载项目章程下载公司章程下载公司章程下载公司章程下载
》和《组织工作条例》的有关规定,并经中国机械工业联合会批准, 定于 2007年 9月
17日至 24日在昆明市召开 �中国通用机械工业协会第五届会员代表大会 �。为了促进我国通用机械行
业的健康、快速发展,决定同时召开 �振兴我国通用机械行业研讨会�。
会议内容
1�中国通用机械工业协会第五届会员代表大会
( 1)总结第四届会员代表大会以来的工作,研究部署第五届会员代表大会期间的重点工作
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
;
( 2)修订《章程》和《组织工作条例》;
( 3)制定新的《会费交纳和
管理办法
关于高温津贴发放的管理办法稽核管理办法下载并购贷款管理办法下载商业信用卡管理办法下载处方管理办法word下载
》;
( 4)换届选举第五届理事会;
( 5)研究决定成立行业专家工作委员会、标准化工作委员会及促进行业技术进步等重大事项。
2�振兴我国通用机械行业研讨会
( 1)研讨振兴我国通用机械行业面临的形势和任务;
( 2)研讨我国通用机械行业的现状和发展对策;
( 3)交流行业企业改革与发展的先进经验。
请各会员代表积极参加。
�中国通用机械工业协会
地 � � 址:北京市西城区车公庄大街 9号院 1号楼 2单元 502室
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