迷宮壓縮機高壓隔室玻璃蓋板密封結構設計、試驗與應用

孔皓楠，白福慶，于朋(沈陽遠大壓縮機有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 概述

在多晶硅、天然氣等眾多領域中應用的立式迷宮壓縮機，其大部分為保證生產產品的質量，禁止在壓縮機運轉狀態下將機身底部的潤滑油通過活塞帶入氣缸。當有潤滑油進入氣缸時，無法第一時間知曉，一段時間后氣缸內的潤滑油會使產品質量下降從而觸發警報，逐層檢測并拆解壓縮機組后，方可了解為壓縮機氣缸進油導致。目前迷宮壓縮機高壓隔室(填料工作隔室)蓋板基本為金屬蓋板結構，始終無法觀察到該區域內部，無法判斷填料內部是否已經有油進入，而且填料至氣缸頂部區域內無封油結構，一旦有油進入填料部件，便會沿活塞桿進一步進入氣缸內部[1]。

某現場的一臺多晶硅用立式迷宮壓縮機，因產品質量問題，拆檢時曾幾次發現有潤滑油進入填料及氣缸的情況，當氣缸進油后，大量的拆檢工作會嚴重阻礙現場的生產進度，為更好的觀察壓縮機運行時氣缸內部的狀態，當發現填料法蘭、填料盒附近存在潤滑油使，在其繼續沿活塞桿爬至氣缸內部之前可及時對機組拆檢，檢查機組刮油環等相關零件的工作狀態，避免使潤滑油繼續進入氣缸，造成重大損失。本文在此基礎上，提供原有隔室蓋板的優化結構設計，即在壓縮機氣缸高壓隔室側加裝玻璃蓋板，以達到方便觀察的目的。

2 密封結構設計

因填料隔室內部存在一定的壓力(該現場高壓隔室壓力為0.8 MPa)，且該現場所用迷宮壓縮機內部壓縮的氣體為氫氣，若內部氣體泄漏，會導致重大的安全事故，所以必須保證隔室玻璃蓋板的強度及密封性能，即壓縮機組正常運行過程中，隔室玻璃蓋板不會因內部壓力超過其自身耐壓極限從而發生碎裂的情況，同時保證在原有結構基礎上增加玻璃蓋板密封結構后，不會造成機組隔室內部氣體外泄的情況。

下圖所示為玻璃蓋板的三種密封結構設計，在壓縮機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，從而達到保護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形圈的雙重密封結構；圖2結構采用非金屬墊片進行密封；圖3結構采用單一O形圈進行密封[2]。

圖1 墊片+O型圈的雙重密封結構

圖2 非金屬墊片密封結構

圖3 單一O形密封結構

關于所增加的玻璃蓋板大小應根據現場機組原有結構的尺寸和安裝空間進行設計，且其大小不應過小，應方便于外部人員的觀察；玻璃蓋板厚度應按圓形高硼硅玻璃耐壓計算初步定義其使用厚度，避免其強度不足無法承載隔室壓力而碎裂的情況發生：

式中：σb為玻璃材質的抗彎強度(MPa)，按選用膨脹系數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)；當按上述計算所需玻璃蓋板厚度時，還需在所得結果的基礎上乘以安全系數，安全系數一般取3～5。

為驗證上述三種玻璃蓋板結構的密封性能以及玻璃蓋板的耐壓情況，我公司進行了廠內試驗。

3 密封性能與耐壓試驗

試驗準備：試驗工裝，其整體為圓柱結構，內部空心用于充壓，上端面可安裝試驗用玻璃蓋板結構；有機玻璃蓋板、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；幾種規格的O形圈以及密封膠若干[3]。

試驗目的：驗證在一定壓力(按使用現場機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下的強度與密封性能情況。

試驗過程：工裝與玻璃蓋板組裝后(三種玻璃蓋板密封結構一起試驗，對比較為明顯)，將其整體放入水中，在工裝內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生，若無明顯狀況，表明該結構可用于現場機組，并進一步繼續充壓至2 MPa與4 MPa，探求該尺寸結構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為有機玻璃+PTFE墊片的密封組合結構試驗；試驗2為有機玻璃+耐油橡膠墊片的密封組合結構試驗；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構試驗；其中每組試驗均包含圖1、圖2及圖3的三種密封結構型式。

試驗結果：初次充壓至0.8 MPa時，以上結構均未觀察到泄露的情況發生，繼續充壓至4 MPa壓力的過程中，以上結構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，并未發現玻璃表面存在裂痕或其他痕跡，表明此次實驗用有機玻璃與硼硅玻璃在三種密封結構型式下，在4 MPa的壓力范圍內均無泄露或其它狀況(玻璃碎裂等)發生[4]。

4 應用

通過試驗數據，在同等條件與壓力范圍下，有機玻璃與硼硅玻璃均可滿足現場的使用條件。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產工藝制成的一種強化耐火性能的玻璃，其具有高強度、高硬度、高化學穩定性等性能。而有機玻璃的本質為非結晶體塑料，其透明性好，機械強度好，因其本身材料組分，更易于加工。考慮現場壓縮機拆裝的方便與安全，對比同樣大小的材料，有機玻璃的重量只有硼硅玻璃的一半，機組維修人員更容易安裝與拆卸，且硼硅玻璃雖相比有機玻璃有更高的強度，但其本質的玻璃結構易受磕碰等情況而導致碎裂，不便于現場繼續的頻繁拆卸與安裝。根據以上原因分析，我司最終選擇有機玻璃作為玻璃蓋板的主體材料，因現場機組的隔室壓力遠低于試驗過程中的最高充氮壓力，故而采用單一O形圈+PTFE墊片的密封結構即可，并按上述將其安裝在壓縮機氣缸的高壓隔室下。

如圖所示4為將試驗驗證下的高壓隔室玻璃蓋板結構，應用在排氣壓力1.25 MPa(G)、轉速589 r/min多晶硅項目中的立式氫氣迷宮壓縮機上。現場壓縮機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域內部，對壓縮機運行過程中活塞桿否有會攜帶潤滑油進入填料的情況可直觀的查看[5]。

圖4 高壓隔室玻璃蓋板結構

5 結語

國內石化等工業發展的越來越快，多晶硅、天然氣等領域應用的禁油迷宮壓縮機也越來越多，在其氣缸高壓隔室(填料區域)側加裝玻璃蓋板結構是一件合理的機組優化方案，盡早發現的問題可以得到及時的分析與處理，避免給企業帶來重大損失。本文以實際的試驗數據為支持，對現場將要整改的玻璃蓋板密封結構提供可靠的保障及說服力，避免所更換的玻璃視鏡因缸內壓力超過其耐壓極限而碎裂，或結構密封性能不達標造成氣體外泄的情況。對于后續產品的結構或優化設計，也應有可靠的理論數據或者試驗數據作為支持，盲目的設計通常會帶來不可估量的損失。