乙烯装置用低温离心压缩机的制作方法

本发明属于石油化工装置用的离心压缩机技术领域，具体涉及到乙烯装置用低温离心压缩机。

背景技术：

乙烯是最简单的烯烃，它是由两个碳原子和四个氢原子组成的化合物，分子式为c2h4。它少量存在于植物体内，是植物的一种代谢产物，能使植物生长减慢，促进叶落和果实成熟。它本身是无色易燃气体。熔点－169℃，沸点－103.7℃。几乎不溶于水，难溶于乙醇，易溶于乙醚和丙酮。

乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料(聚乙烯及聚氯乙烯)、合成乙醇(酒精)的基础化工原料，也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等，尚可用作水果和蔬菜的催熟剂，是一种已证实的植物激素。

乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75％以上，在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。

乙烯装置用低温离心压缩机不同于普通的低温离心压缩机，它有着许多固有的特点，这是我们必须加以分析和考虑的。

首先，普通的低温压缩机一般仅在－50～－20℃条件下工作，而乙烯压缩机必须要在－115℃左右仍然能正常工作。所以乙烯压缩机不能采用传统压缩机所使用的钢材，不仅如此，考虑到钢材的低温脆变，还必须要制定出这种特殊性能的钢材的加工、焊接和热处理制度。否则，乙烯低温离心压缩机不可能正常工作。

其次，压缩机由于要将介质进行压缩，在它的工作过程中必然会使介质升温，这就会影响到乙烯的化学反应过程。必要时需要给压缩机相关部件采取降温手段。

正是基于这两点，设计和制造乙烯装置用低温离心压缩机一直是压缩机技术领域中的一大难题。尤其是设计和制造大型乙烯低温压缩机更为困难。

此外，由于压缩机都是在室温下装配和调试的，而它却是低温环境下运行，压缩机的各个部件低温收缩量的不同，为了保证压缩机低温工作的稳定性，还要尽量控制各部件相互配合处由于热胀冷缩所产生的变形。

以上三点就是乙烯压缩机的技术特点。综合上述各点，我们组织公司的科研设计人员突破各种技术难关，很好的完成了乙烯装置用低温离心压缩机的设计和制造，为用户提供出适用的乙烯低温离心压缩机。

技术实现要素：

设计新型的乙烯装置用低温离心压缩机首先要解决好在常温下设计、制造，而在低温下能正常运行的技术难题。并且要提供出包括机械设计、材料选择、部件加工、热处理到整机装配试车一整套制造乙烯装置用低温离心压缩机的新的技术方案。

本公司所设计制造的乙烯装置用低温压缩机，包括机壳组、隔板组、转子组、密封组、轴承组，其特征在于：

(1)机壳组包括上机壳、下机壳，上、下机壳通过中分面的把合螺栓连接。由于乙烯装置用低温压缩机，压缩机正常运行时温度达到-100℃以下，对机壳的要求较高，通常低温-100℃的机壳采用铸造不锈钢，如：zg10ni5、zg08cr18ni9。铸造机壳能够很好地避免焊接机壳中焊缝在低温下出现的缺陷，现有的乙烯压缩机没有充分考虑机壳的收缩性，往往使压缩机在低温下运转时出现机壳变形。它们的铸造机壳采用带浮环密封腔的结构，其下机壳区域大部分为空心结构，低温下机壳收缩造成了浮环密封腔“塌腰”变形，中分面产生缝隙，造成乙烯泄漏。我们创新设计适应低温乙烯机的铸造机壳，采用分体的轴承箱盖，取消空心结构，解决机壳低温变形的问题。为了保证压缩机的安全运行，螺栓、螺母把合时采用螺栓拉伸器来对机壳把合，能够更好地达到安装工艺的要求。

(2)隔板组的结构与常温下的压缩机的隔板组是相同的，都是由进口隔板、中间隔板以及出口隔板组成，但由于低温的原因，隔板在材料的选择和加工工艺上都有着特殊的要求。乙烯低温压缩机隔板的材质通常在zg08cr18ni9和25cr2ni3mo中选择。压缩机的进风口及出风口处的隔板要根据气动性能，做特殊的设计，保证气体在缸体内流动损失的能量最小，从而保证压缩机的整体气动效率。

(3)转子组包括主轴、叶轮、隔套、平衡盘、锁母、推力盘等。根据选型参数的差异，乙烯压缩机设计为一段压缩，转子的叶轮的排布为顺排结构，平衡盘安装在最后一个叶轮的后部；乙烯压缩机设计为二段压缩，转子的叶轮排布采用背靠背的结构，平衡盘安装在中间。

(4)密封组包括压缩机的口圈密封、级间密封、平衡盘密封、轴端密封等。结构形式为迷宫式，密封材质考虑到低温条件，材质选用5083。同时防止介质的泄露，两侧轴端还安装有干气密封，保证气体的零泄漏。

(5)轴承组包括支撑轴承和推力轴承。其中支撑轴承选用可倾瓦轴承。推力轴承可选用金斯伯雷或米契尔轴承中的一种。

叶轮、平衡盘、隔套、锁母、推力盘等零件等零件如图2所示，按相对为安装在主轴上，组合成压缩机的转子。压缩机转子上的叶轮数量根据参数的不同而不同。转子上叶轮采用高效的三元后弯型闭式叶轮加二元后弯型闭式叶轮。

转子组是压缩机的核心部件，而对于乙烯低温压缩机来说，转子组上各零件的选择材料以及零件之间的配合是低温乙烯压缩机是否运行平稳的关键。下面分别说明一下转子组中各零件材料及配合的特点：

低温钢通常有铁素体型低温钢和奥氏体型低温钢两种，铁素体型低温钢在低温下会发生韧性脆性转变，从而使其韧性会急剧恶化，故不适合于乙烯压缩机的制造。奥氏体低温钢一般不存在韧脆转变现象，在低温下具有较高的韧性。奥氏体低温钢按其成分又分为三种，即(1)fe-cr-ni系低温钢；(2)fe-cr-ni-mn系和fe-cr-ni-mn-n系低温钢(3)fe-mn-al系低温钢。除了钢材的低温性能之外，我们还要考虑三个因素，一是材料的抗腐蚀的能力；二是磁导率的大小；三是钢材本身的价格的高低。我们在给乙烯压缩机各部件选材的时候，都曾经综合地考虑到上述各方面的因素。

1、主轴的材质：节镍型7ni钢或9ni钢。采用两相区热处理(qlt热处理)工艺，改善材料的低温韧性。主轴加工之前要对主轴的毛坯料进行低温冲击试验，如试验合格后方可进行金加工。加工完的成品主轴，首先要满足主轴选用的对应材料的力学性能的要求，其次主轴要做磁粉及超声波的探伤，最后主轴要按照api617的要求对主轴的测振区域进行去磁处理。

2、叶轮的材质：x3crni134或25crni3mo。其中叶轮与主轴之间的配合除了考虑过盈配合外还需额外采用键连接的结构。保证压缩机在低温运行时的稳定、高效、安全。

叶轮加工之前要对叶轮的毛坯料进行低温冲击功试验，如试验合格后方可进行叶轮的精加工。加工完的成品叶轮，要对成品叶轮进行超速试验，试验合格后进行叶轮的动平衡试验。叶轮所有的试验均合格后，方可进行转子的装配。

3、隔套、平衡盘、螺母材质：采用节镍型7ni钢或9ni钢。隔套、平衡盘与主轴配合采用过盈配合，但与正常温度的用压缩机的过盈量是存在差异的。隔套、平衡盘、螺母的毛坯料在加工前同样要做低温冲击功试验，试验合格后方可进行静工。考虑到压缩机是在常温下调试而在低温下运行，所以各部件之间相配合的间隙要比普通的离心压缩机要小一些。

4、圆盘、推力盘在压缩机运行中，不与低温介质接触，材料选用45号钢机壳满足要求。

5.密封材质考虑到低温条件，选用5083低温铝材。

我们所设计、制造的乙烯压缩机采用的节镍型7ni钢,按重量百分比(wt％)计算其主要化学成分为：

ni:7.00～7.60；c:0.02～0.10；si:0.50～0.80；mn:0.10～0.30；p:≤0.010；s≤0.005；cr:0.30～0.60；mo:0.10～0.20；nb:0.03～0.06；余量为fe。

我们所采用的两相区热处理(qlt)工艺包括如下步骤：

(1)将空冷后的轧制钢在a3温度以上进行高温淬火，其a3温度为750～800℃；

(2)将上述高温淬火后的钢在两相区进行亚温淬火，两相区温度为：630～780℃

(3)将两相区雅文淬火后的钢材在a1温度下进行回火并水冷，其a1温度为620～650℃

考虑到乙烯在压缩的过程中会产生热量，尤其是压缩比大的压缩机出口气流温度肯定会有所升高。为了保证化学反应的正常进行，因此还必须冷却装置。本发明的乙烯装置用低温离心压缩机还设计有中间冷却器。

附图说明

图1为本发明乙烯装置用低温压缩机的主剖视图，图中：机壳组1、隔板组2、转子组3、密封组4、轴承组5。

图2为本发明乙烯装置用低温压缩机的隔板组图，图中：进口隔板21、中间隔板22、出口隔板23。

图3为本发明乙烯装置用低温压缩机的转子组图，图中：主轴31、叶轮32、隔套33、平衡盘34、锁母35、推力盘36、推力锁母37。

图4为支撑轴承可倾瓦轴承示意图。

图5为金斯伯雷式推力轴承示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的的乙烯低温压缩机具体实施方式作进一步的详细说明。

选取节镍型7ni钢，按重量百分比(wt％)计算其主要化学成分为：

ni:7.00～7.60；c:0.02～0.10；si:0.50～0.80；mn:0.10～0.30；p:≤0.010；s≤0.005；cr:0.30～0.60；mo:0.10～0.20；nb:0.03～0.06；余量为fe。

采用的两相区热处理(qlt)工艺对钢材进行热处理，热处理的步骤如下：

(4)将空冷后的轧制钢在a3温度以上进行高温淬火，其a3温度为750～800℃；

(5)将上述高温淬火后的钢在两相区进行亚温淬火，两相区温度为：630～780℃

(6)将两相区雅文淬火后的钢材在a1温度下进行回火并水冷，其a1温度为620～650℃

将热处理的钢材进行低温冲击功试验，其-196℃低温冲击功达到160j即为合格，可进入机加工工序。

按照设计的图纸，先加工出压缩机的主轴31，再分别加工出叶轮32、隔套33、平衡盘34、锁母35、推力盘36、推力锁母37。如图2所示，将各零件按顺序依次安装在主轴上，形成了压缩机的转子。

分别加工出隔板组中的进口隔板21、中间隔板22、出口隔板23。分别将各隔板安装在加工完成的上、下机壳中。分别将级间密封、口圈密封、平衡盘密封，轴端密封依次安装在压缩机的上下机壳的隔板中。

将装配完成的各部件按照图1所示的压缩机的总剖图的位置装配到一起，即完成了本发明的低温乙烯压缩机。

对于不同规模的烯烃产量的要求，设计选择出来的压缩机的机型的大小也是不同的。列举几个实例如下：

实施例1:15万吨/年卤化丁基橡胶装置

入口压力：0.04mpa(a)入口温度：-112℃出口压力：1.9mpa(a)

流量：66618nm3/h叶轮直径：700mm

实施例2：100万吨/年烯烃联合装置

入口压力：0.07mpa(a)入口温度：-96.5℃出口压力：1.665mpa(a)

流量：23180nm3/h叶轮直径：400mm

实施例3：100万吨/年轻烃联合优化装置

入口压力：0.05mpa(a)入口温度：-110℃出口压力：1.45mpa(a)

流量：88248nm3/h叶轮直径：800mm

上述三个实施例仅仅是根据整套乙烯装置工艺的不同要求而提出的设计方案，上述各方案是为不同的用户现场运行的乙烯装置用离心压缩机的实施例，本发明并不局限上述三个实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明的形式可做相应的变更和修改，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。