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高壓氧氣壓縮機(jī)及充灌設(shè)備安全分析

  【壓縮機(jī)網(wǎng)】本文就超高壓氧氣壓縮充灌系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到使用過程中的安全性做一全面分析與評(píng)價(jià),提出預(yù)防燃爆事故發(fā)生的措施。

  物質(zhì)燃燒具備三個(gè)必要條件:可燃物、助燃物和燃燒溫度(點(diǎn)火源)。氧氣是一種最常見的助燃物(氧化劑),本系統(tǒng)是制取儲(chǔ)運(yùn)高純度氧氣,所以防止燃爆要從可燃物及燃燒溫度兩方面采取措施控制燃爆的發(fā)生。

  一、壓縮機(jī)及充灌系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)

  氧氣是一種強(qiáng)氧化劑,易于與其它物質(zhì)反應(yīng)起火,所以,氧氣壓縮充灌過程中除要遵從一般的安全氣體壓縮充灌如空氣、氮?dú)獾纫?guī)律規(guī)則外,還一定要注重燃爆的防范。

  從設(shè)計(jì)角度來看,筆者公司設(shè)計(jì)制造的超高壓氧氣壓縮機(jī)及充灌系統(tǒng),從以下幾個(gè)方面確保了使用安全:

  1.壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)

  采用全無油潤(rùn)滑往復(fù)活塞結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)。

  壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖:

01.JPG

  從上圖可知,壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),如曲軸連桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)向活塞及活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)都是無需另加稀油潤(rùn)滑。這臺(tái)壓縮機(jī),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用的是密封脂潤(rùn)滑軸承,往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的是自潤(rùn)滑材料。壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)無稀潤(rùn)滑油,密封軸承采用抗氧化全氟潤(rùn)滑脂。

  因?yàn)楦邷馗邏貉鯕馀c油接觸會(huì)發(fā)生巨烈反應(yīng),壓縮機(jī)完全無油,大幅度降低了燃爆事故的可能性,為壓縮機(jī)的安全使用奠定了基礎(chǔ);

  壓縮機(jī)采用四列立式結(jié)構(gòu),各級(jí)氣缸聚集在一起,利用一個(gè)外置風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)換熱,換熱充分,控制氧氣壓縮過程溫度處于較低水平。壓縮機(jī)外形如下圖所示:

02.JPG

  理論各級(jí)排氣溫度不大于130℃,實(shí)際控制在100℃以內(nèi)。

  為保證壓縮機(jī)性能的可靠性及安全性,壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采取低轉(zhuǎn)速的方式。理論計(jì)算轉(zhuǎn)速為200rpm。極低的轉(zhuǎn)速延長(zhǎng)易損件使用壽命,確保了壓縮機(jī)運(yùn)行安全。

  壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮的氣體介質(zhì),其流速的快慢不僅影響壓縮機(jī)的效率,對(duì)于氧氣介質(zhì),過快的流速也可導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生燃爆的安全事故,因此壓縮機(jī)各管路內(nèi)的氧氣流速嚴(yán)格按管內(nèi)允許流速選取。根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè),具體流速數(shù)值如下表:

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  據(jù)此,壓縮機(jī)高壓級(jí)30.0MPa狀態(tài)下,氣流設(shè)計(jì)流速為0.07m/s。

  2.壓縮機(jī)安全用材

  前文述及,氧氣能與許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此,壓縮機(jī)與高純氧氣接觸的零部件必須是化學(xué)惰性。所以壓縮機(jī)的氣缸、氣、缸蓋、管道等材料均選用含碳量低的不銹鋼材料;壓縮機(jī)的活塞,由于壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)要求采用鋁合金及銅合金,這些材料導(dǎo)熱快,磨擦?xí)r不產(chǎn)生火花。壓縮機(jī)的活塞環(huán)、支承環(huán),采用塑料王之稱的聚四氟乙烯,該材料抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿不氧化的特性。壓縮機(jī)的靜態(tài)密封環(huán)采用化學(xué)穩(wěn)定性極好的氟膠O型圈;壓縮機(jī)的螺紋密封采用四氟生料帶,密封效果好耐老化。

  壓縮機(jī)各承壓零部件做1.5倍工作壓力的水壓試驗(yàn),壓縮機(jī)氣管路壁厚適中,能夠承受相應(yīng)的氣體壓力。

  高壓管道采用焊接方式的,做射線探傷檢查。

  3.壓縮機(jī)安全防護(hù)設(shè)計(jì)

  為保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行,各級(jí)設(shè)的安全,在級(jí)間壓力超過其設(shè)定值時(shí),安全閥打開,泄放壓縮機(jī)壓縮腔及管道內(nèi)壓力。

  各級(jí)設(shè)溫度顯示,末級(jí)設(shè)溫度超標(biāo)強(qiáng)制停機(jī)。

  風(fēng)機(jī)故障強(qiáng)制停機(jī)。

  壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)設(shè)置過載停機(jī)。

  壓縮機(jī)設(shè)置進(jìn)氣壓低保護(hù),當(dāng)進(jìn)氣壓力低于設(shè)定值時(shí)壓縮機(jī)停機(jī)。

  壓縮機(jī)設(shè)置排氣壓力保護(hù),當(dāng)排氣壓力高于30.0MPa時(shí),壓縮機(jī)停機(jī)。

  壓縮機(jī)進(jìn)氣及各級(jí)排氣設(shè)過濾器,防止固態(tài)顆粒在氣流中移動(dòng)磨擦而發(fā)生燃爆。

  壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)帶輪以及換熱風(fēng)機(jī)等設(shè)置防護(hù)網(wǎng)或防護(hù)罩,對(duì)人身進(jìn)行防護(hù)。

  超高壓氧氣充灌系統(tǒng),設(shè)計(jì)成下圖所示的流程:

04.JPG

  經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升壓的高純度高壓力氧氣,由連接管道送至充灌排,在充灌排上裝有壓力傳感器,當(dāng)氣瓶壓力低于設(shè)定值時(shí),高壓自動(dòng)閥門打開,同時(shí)對(duì)三個(gè)氣瓶充裝。當(dāng)壓力達(dá)到30MPa時(shí),壓力傳感器動(dòng)作,高壓自動(dòng)閥門關(guān)閉,完成一個(gè)周期的充裝。

  充灌壓力可于系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定,低壓1.0MPa,高壓30.0MPa;高壓電動(dòng)閥門并聯(lián)手動(dòng)閥門,高壓電動(dòng)閥門出問題時(shí),可改為手動(dòng)操作;

  每路充灌排上安裝壓力傳感器,到壓力開關(guān)機(jī)或轉(zhuǎn)換充灌;

  充灌排上安裝有安全閥,超壓自動(dòng)打開,確保使用安全;

  為提高充裝效率,設(shè)為一用一備兩路每路3個(gè)共6個(gè)充注接口,兩路壓力控制自動(dòng)切換;

  為保證充裝高壓氧氣操作過程的安全性,要求三個(gè)充注口同時(shí)對(duì)三個(gè)氧氣瓶充注,達(dá)到控制充灌速度,確保碳纖維瓶充注溫度不大于50℃:

  高壓氧氣充瓶速率的控制:采用三只20L碳纖維瓶同時(shí)充注的操作方式,壓縮機(jī)流量每小時(shí)6標(biāo)態(tài)立方米,換算每分鐘為:0.1標(biāo)態(tài)立方米,即100升。3只20L碳纖維瓶總共容積60升,充瓶速率約為0.17MPa/min,充灌限速0.2MPa/min。

  規(guī)定高壓碳纖維氧氣瓶充灌過程中的溫升不得超過50℃。

  二、壓縮機(jī)及充灌系統(tǒng)的工藝安全保障

  1.脫脂

  機(jī)器零件裝配前采用超聲波加脫脂劑的方法脫脂。具體方法是:將勾兌好的脫脂液在超聲波容劑槽內(nèi)加熱后,放入要脫脂的零配件,開啟超聲波在加熱的狀況下清洗至少15分鐘,然后取出已脫脂的零部件,用高壓水槍在無油的環(huán)境中沖洗,然后用無油壓縮空氣吹除零件表面的水漬。

  脫脂后的壓縮機(jī)零配件,在無油的環(huán)境下進(jìn)行安裝,安裝過程中不得再帶入油脂。某些零件因潤(rùn)滑考慮必須涂抹潤(rùn)滑脂,如螺紋防咬死、O型圈涂脂安裝不被切破等,可以涂抹少量的抗氧化全氟潤(rùn)滑脂。

  安裝過程中若發(fā)現(xiàn)有零配件沾染油脂,必須重新脫脂后再安裝。

  高壓充灌系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)必須采用無油空壓機(jī),從空壓機(jī)到制氧機(jī)之間的連接管道及過濾器閥門等都要求進(jìn)行脫脂處理,以利于系統(tǒng)運(yùn)行安全。高壓充灌系統(tǒng)中從制氧機(jī)出口到氧氣瓶為止,所有的連接管道都要進(jìn)行脫脂。

  管道的脫脂方法為:

  拆散管道,然后封閉一端,從另一端注入四氯化碳清洗液,直至灌滿,晃動(dòng)管道數(shù)分鐘,倒出清洗液,用不含油的壓縮空氣吹干管內(nèi)清洗液。

  管路中的各類閥門的脫脂:閥門類的零配件采用四氯化碳浸洗的方式,將閥門上的線圈等通電元件拆下后,將閥門整體放入清洗液中浸洗攪拌,取出后用無油壓縮空氣吹干。

  2.超高壓氧氣灌裝系統(tǒng)裝配工藝安全性

  裝配場(chǎng)所:

  要求無油無塵的環(huán)境進(jìn)行裝配;

  所用工器具必須脫脂。

  裝配人員嚴(yán)禁配戴含植物纖維的手套進(jìn)行裝配,裝配人員熟悉裝配要求。裝配過程中時(shí)刻注意零配件表面情況,若發(fā)現(xiàn)零配件表面有油污,立即中斷裝配重新進(jìn)行脫脂。

  裝配過程中各緊固件必須按規(guī)定鈕矩?cái)Q緊,管路做好密封,不得將密封膠等密封材料帶入管道內(nèi)。

  裝配完成的機(jī)器設(shè)備,再一次檢查各零配件正確位置及整機(jī)清潔度。

  三、高壓氧氣充灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及使用安全性

  高壓氧氣充灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)按下圖流程進(jìn)行:

05.JPG

  實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所必須無油及其它具危險(xiǎn)性物質(zhì)存在;

  管線連接時(shí)必須確保無油,并密封無泄漏;

  碳纖維氧氣瓶必須完好固定在支架上;

  充裝系統(tǒng)電器連接線符合規(guī)范,有接地保護(hù)錯(cuò)施;

  充灌過程中或充灌結(jié)束后及時(shí)關(guān)閉制氧系統(tǒng),及時(shí)卸下充滿的氧氣瓶;

  滿瓶(30MPa)氧氣瓶若要放空,必須加放空減壓閥或控制低速小流量;

  充裝過程中必須有人值守,及時(shí)處理異常情況。

  實(shí)際使用中,壓力表、安全閥等配件要按期檢定,不合格禁用。

  總結(jié)

  結(jié)合已往高壓氧氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn),遵從本文要求設(shè)計(jì)制造的超高壓制供氧系統(tǒng),完全具備使用的安全性。

  參考文獻(xiàn)

  郁永章《容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)》

  楊紹侃《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》

  成大先  《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》

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來源:本站原創(chuàng)

標(biāo)簽: 壓縮機(jī)氧氣高壓  

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