综述
SUMMARY

国产BOG压缩机质量控制及设计探究

国产BOG压缩机质量控制及设计探究
   工程公司总包的某个LNG项目,面临着工期紧,任务重等困难。在以往的LNG等工程中工程公司一般采用进口BOG压缩机。但随着国内厂商逐步引进国外先进技术,国产BOG压缩机已经逐步成熟,在这个大背景下,应业主和工程公司要求采用国产BOG压缩机,这个决定对于工程公司具有划时代意义。
  BOG压缩机的特点特性:BOG 即Boil Off Gas,是指低温液体,如LNG(-172℃)、低温丙烷(-40~-42℃)、低温乙烷(0~-2℃)等在储罐内吸收外界热量后挥发而成的气体。随着储罐内挥发气体的增多,储罐内压力不断上升,为维持储罐压力在允许的范围内,一般需要把BOG压缩再冷凝成液体或压缩后输出。BOG压缩机就是用于气体压缩的压缩机。一般BOG压缩机采用无油润滑往复式压缩机,工作原理与普通的往复式压缩机一样。不同的是BOG压缩机入口吸入的是低温气体,因此压缩机的一级缸体、活塞等必须耐低温,还要防止结冰。无油润滑一般采用迷宫密封或特制的活塞环来实现。
 
  本压缩机的技术参数:
  本压缩机共3级压缩:低温工况  氮气:28.016%  甲烷:16.7379%  甲烷:16.042%  一级压缩机参数  进口最大压力 21KPa.G  进口温度:-157.9℃  出口温度:-31℃  出口压力:500KPa  流量:4600 kg/h。
  一、质量控制过程
  质量控制是在产品形成过程中各个环节采取积极有效的作业活动,其目的在于监控整个生产过程,排除质量环节中各个阶段不合格的因素,从而取得良好经济效益。质量控制体系体现了“预防为主”的思想,注重对产品质量产生、形成和实现的全过程进行控制,而不是仅仅剔除不合格品。此项目在项目组的领导下各专业团队通力合作对BOG压缩机从采购、设计、监造、出厂检验等各个方面进行卓有成效的质量控制,从而有力的保证了BOG压缩机质量。
  ● 采购控制
  ● 设计控制
  ● 低温材料控制
  ● 编制BOG压缩机检验试验计划
  ● 派监造工程师到厂商处现场监造
  ● 外购件质量控制
  ● 机械零件的可追溯性
  ● 无损探伤
 
  二、BOG压缩机全面质量控制过程
  1.BOG压缩机的采购控制
  好的开始是成功的一半,对于压缩机的全面质量控制确认非常重要,其中短名单的确认是最为关键的一个环节。工程公司采购部经过市场调查和对国内厂商的反复筛选。筛选首要条件之一,首先有成功使用此类设备的经验和良好的业绩。并且在类似工况、类似操作条件下,该设备至少曾连续操作三年,并且无主要部件损毁。经过反复筛选最终有四家公司入围,在招标之前对项目组组织工程技术专家进行市场调研,对四家入围的厂商工厂进行实地考察,并对厂商所产压缩机工作场地进行实地考察,并写出考察报告。经过严格招投标程序,并经过技术、商务评分,最终选择分数最高的厂商中标。
  2.BOG压缩机全面控制的难点和重点:低温材料
  上述技术条件述及此压缩机为立式迷宫压缩机,一级压缩进口最低温度:-157.9℃。如何选取材料并且最终控制BOG压缩机质量,是控制压缩机质量的重点和难点。
  根据国家标准,球墨铸铁QT400,最低温度-20℃左右,已经不能满足此类压缩机的一级气缸工况要求。厂商据自己多年的工作经验,研制开发出YDQ-196低温铸铁作为一级气缸的低温材料(气缸、活塞、气缸盖等)。项目组为保证质量,要求厂商对此材料一定要做低温条件的机械性能、化学成分以及低温冲击试验,试验的部门必须是国家权威部门的鉴定机构。厂商在项目组的要求下,将试验件送到国家钢铁材料测试中心,对低温缸体进行了-196℃V型缺口冲击试验,三件试样平均值≥20J,单件试样≥15J的材料低温试验,含机械性能、低温冲击性能试验等,其基本数据均满足要求。经项目组设计部门认定:合格。这样成功的解决了BOG压缩机一级气缸材料的难点和重点。
  3.检验试验计划的编制
  检验试验计划是对检验活动及其所需资源做出整体安排。检验试验计划是规范和指导检验工作,这在工程公司已经得到普遍的应用并取得良好效果。检验试验计划是对产品从原材料进厂到产品出厂的整个生产流程中的所有检验工作做出周密安排。它使检验工作更加规范化、科学化和标准化。
  检验试验计划的编制基础是根据厂商生产工艺规程、技术条件、生产条件以及双方签订的技术协议。检验试验计划规定了检验要素、检验标准等。规定了使用量器具、各种实验内容和试验要求。
  BOG压缩机检验试验计划的零部件有:机身、气缸、连杆、活塞等。特别规定了一级气缸、一级气缸盖、一级气缸、活塞、二级气缸、三级气缸等重要零部件的检验要求。使驻厂监造工程师和项目组质量工程师根据此检验试验计划能够有效的对压缩机生产过程进行监控。
 
  4.设计控制:本BOG压缩机经选择和研究用后最终采用:3K165MG-36/0.1-5型立式迷宫压缩机
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  4.1 本压缩机技术特点:
  4.1.1 技术先进性: 主要表现在以下几方面:设计软件、主要件结构、选料、热处理、专利技术、系统化设计
  4.1.2 本压缩机取得国外著名厂商的生产许可证资格,设计软件均为国外厂商的的设计软件;设计理念均为国外厂商的设计理念
  4.2 本压缩机采用无油润滑水冷闭式迷宫压缩机,三列三缸二级压缩,气缸为立式双作用
  4.2.1 压缩机组采用撬装式结构,主机,润滑油系统及电机一个撬,水站一个撬,水站空冷器一个撬,每个撬块整体供货。
  主机及附属设备的底撬采用高强度H型钢,整体焊接,并带有静电接地耳。气体、负荷和充氮管路均在卖方场内进行安装和预制。所有管线均提供可靠的支撑并采用高分子聚合材料管卡固定牢固。管线进行水压试验及射线探伤检验。由于运输条件所限,部分管路和压缩机零部件在运输过程中需要拆解,拆解的部分管路和压缩机零部件由买方现场进行现场安装,卖方负责现场指导。
  4.2.2 机组应在压缩机数据表所规定的全部工况下能有效地安全可靠地连续运行操作。
  4.2.3 气缸和曲轴箱连接由定位稍定位,保证检修及保养精确对中。
  4.2.4 压缩机曲轴转数为590rpm,活塞的平均速度为3.25m/s
  4.2.5 压缩机的气缸和活塞之间、活塞杆密封填料均采用非接触式迷宫密封;填料泄露的气体通过导管引回一级入口缓冲分离器。
  4.2.6 压缩机设手动气控卸荷器及固定余隙做气量调节:设0,25%,50%。,75%,100%五档。卸荷器在所有气缸上的进气阀上装备。卸荷器为指示,给气卸荷,手动卸荷开关安装于就地盘上。同时,通过控制室给电磁的开关信号,实现远程控制调节负荷的能力。
  4.2.7 压缩机设置未回调节阀,用于启停机。
  4.2.8 压缩机活塞杆和十字接头采用契形连接。为减少海塞杆运动时的摆动量,活塞杆导向轴承作定位导向,保证活塞杆运行时精确对中。导向轴承上方设有刮油环。导轴承做定位导向,保证活塞杆往复运行时精确对中。导向轴承上方设有刮油环。
  4.2.9 曲轴轴身端轴封采用双端面机械密封,保证机组为全封闭。
  4.2.10 曲轴、连杆、活塞杆采用锻钢制造。
  4.2.11 压缩机十字头本体采用锻钢制造。
  4.3 选用材料(见表1):
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  4.4 设计过程控制
  压缩机系统设计是整个压缩机系统质量保证的前提和基础,BOG压缩机的辅机有:油站、水站、电机、缓冲器等。各个分系统和整个系统的设计澄清是很重要的。在和厂商签订完合同后,项目部要求厂商做出初步设计。从厂商的初步设计到最终设计完成,来往的设计澄清文件共有23版,足见BOG压缩机系统的复杂性。
  在压缩机设计过程中发现,当活塞材质整体采用YDQ-196时,活塞重量较重,并已接近该机型允许使用的最大往复惯性力,会对活塞运行时的稳定性及机组运行产生不良影响,故改变材质。
  具体方案将活塞设计为分体结构,由活塞外套+活塞上、下盖组成,活塞外套仍采用技术协议中的YDQ-196材质,保证活塞和气缸的间隙在低温工况下变化最小;而为了减轻活塞的整体重量,故将活塞上下盖的材质变更为锻铝2A12,此材料的强度及耐低温完全可满足本机工况使用,并且在其它项目的低温迷宫机上厂方有成熟的使用经验,活塞使用性能良好,机组运行稳定。
  针对这种情况项目部向厂商提出质疑和澄清:
  1.活塞重量较重,并已接近该机型允许使用的最大往复惯性力,会对活塞运行时的稳定性及机组运行产生不良影响。
  工程公司项目部提出:两种材质的活塞重量差多少,使用不同材质的活塞往复惯性力是多少?最大往复惯性力是多少?如采用YDQ-196可能会有哪些不良影响?远大对于换材质这个问题是如何分析的?请尽量详细说明。
  厂方回复:目前使用的是铝制上下盖和YDQ-196球铁活塞套组合结构方案,活塞重量83KG,机组往复惯性力将增加至97KN;接近本机型最大往复惯性力为110KN。由于立式迷宫压缩机对活塞的稳定性要求极为严格。如稳定性差将导致活塞在往复运动中发生摆动和气缸发生碰撞或摩擦。由于其立式结构并且整个运动部件中心位置较高,而固定点导向轴承位于活塞体下方,因此决定活塞运行稳定性的因素有以下几点:
  1.1 活塞杆直径、刚性;
  1.2 支撑点(导向轴承)在整个往复运动构件中的位置:
  1.3 位于支撑点上方活塞运动零件的重量。
  针对本机型活塞杆的直径、材质,支撑点的位置都已经进行了最优设计,因此降低活塞体重量是增加稳定性的最有效方案。厂方在研制迷宫压缩机初期进行相关测试,当活塞体重量降低,活塞摆动量明显降低,机组稳定性更高。
  对于低温BOG压缩机厂方有丰富的设计、使用经验,在活塞材质选配方面主要考虑强度和耐低温性能,由于BOG压缩机压力很低,铝活塞的强度完全可以满足,并且该材质的耐低温性能良好,最低-269℃工况,因此设计活塞结构将活塞的上下盖设计成铝材完全可满足本机工况使用。对于活塞材质,由于需保证低温运行工况的密封要求,活塞套和缸体的颈向间隙不应有较大的变化量,故活塞套选用膨胀系数和缸体相同的YDQ材料,不能更改。
  2.故该司将活塞设计为分体结构,由活塞外套+活塞上、下盖组成,活塞外套仍采用技术协议中的YDQ-196。
  工程公司项目部澄清内容:除了更换活塞材质这种方案,贵司是否还分析和比选过其它方案,例如,是否可以通过调整飞轮来平衡惯性力?建议贵司详细分析一下,并选取出最优方案。
  厂方回复:调整飞轮可以降低由往复惯性力产生的机组旋转不均匀度,虽然也是增加机组运行稳定性的,但不能解决第一条中所讲述的由活塞重量增大导致的活塞杆稳定性下降问题。
  3.关于2A12
  工程公司项目部澄清内容:本文件中可不具体说明,但贵司是否可以提供一下相关的使用经验?那个项目的BOG压缩机使用了该机型号?且活塞是锻铝,压缩机的大致参数是多少?
  厂方回复:
  3K-165MG-20.6/0.01-3.23-18.98/3.21-17.41低温乙烯BOG压缩机用于中原乙烯项目;
  4K-165MG-51.5/1-18.5 低温乙烯BOG压缩机用于山东阳煤恒通项目;
  4K-300MG77/18 低温乙烯BOG压缩机用于惠生清洁能源项目。
 
  4.《特种设备安全技术规范》中指出,锻铝2A12属于有色金属材料,不会产生低温脆性并可在低温环境中保持较好的塑性和冲击韧性。其低温性能良好,最低-269度,可完全满足使用要求。
  工程项目部澄清内容:除了低温工况,贵司是否已对其它工况进行了分析,例如本压缩机的高温工况等。另外,规范中仅涉及设计温度范围为-269℃~-200℃,但并没有明确不做低温冲击试验,因此项目认为还得需要做低温工况下的冲击试验。
  本压缩机技术协议数据表中列出的工况均进行考虑分析,铝+YDQ的活塞结构仍旧适用。
  关于铝材的特性:“铝是面心立方晶格,没有其它同素异构体,低温下不存在像铁素体钢那样的脆性转变”  摘自《化工压力容器设计》化学工业出版社。
  由此可见铝在低温工况下的应用更加安全可靠,JB/T4734-2002《铝制焊接容器》标准中规定2A12的最低使用温度-269℃,但没有要求对铝材进行低温冲击试验,而且没有标准数据来衡量铝材低温冲击功数值是否合格。
  综上厂商活塞材料更改方案,后得到工程公司项目部同意。
  5.外购设备质量控制
  配套设备的质量控制是BOG压缩机质量控制的重要组成部分,因为外购设备产品控制不严格而造成的产品故障的事件比比皆是。所以要在源头上严格控制配套厂商的名单是很重要的,一般是由业内有良好声誉的厂商和与工程公司有良好配合的厂商组成。为确保外购件产品质量,遵照ISO9000体系要求,对外购件厂商实行严格的质量体系审核,审核合格分包商才能准许成为本压缩机组的分供应商。对于关键、重要外购设备,严格实行现场质量监造和见证制度,尽量将质量问题暴露在制造厂内。为压缩机的稳定运行打下良好的基础,如电机、水站、油站。项目组都派出了高水平的技术人员和检查人员到这些外购设备厂家实施质量监造和现场见证。此外,还加强了外购设备进厂的验收工作。验收完全按照双方签订的技术协议进行,对于油站做了24小时机械运转和性能试验。在电机在验收时,项目部派检验专家到电机厂验收,按照检验试验规定,分别作了电机性能试验、4小时机械运转试验。螺杆泵的出厂验收也一样。其它外购件如:水站、缓冲器、工艺气止回阀、液位开关等要求配套厂商出具合格证及试验报告。这样外购设备质量基本得到有力的控制。
  建立零件追溯制:为了防止在产品实现过程中混淆和误用产品,更好的分析失效产品并采取纠正措施,并实现必要的产品(零件)追溯性。确保产品(零件)能追溯至其原始状态。主要对零部件的属性:如品名、规格、型号、来源、加工日期等进行监控.这样可以有效的控制产品的质量。
  6.监造工程师到厂商现场监造
  项目部派监造师到工厂进行设备监造,对压缩机整个生产过程进行质量、进度监控。由于此项目工期紧任务重,项目要求驻厂监造工程师每日写监理报告,汇报进度和质量情况以便实施动态管理和对压缩机生产过程进行监控。
  监造工程师的监造工作对于本项目的压缩机生产进度和产品质量起着重要的作用。监理工程师按照检验试验计划进行监造活动,主要内容:对机身、曲轴、连杆、气缸体、气缸盖、气缸套、气缸座、活塞体、活塞杆、十字头体、十字头销等压缩机零部件进行化学成分分析、机械性能、外观、尺寸等进行监造。对机身作煤油试漏(2小时内应有渗漏)、对气缸体、气缸盖作水压试验、试验压力至少为设计压力的1.5倍。上述部件的水腔试验压力为0.8MPA。气缸体、气缸盖进行氮气试验,试验压力为设计压力,持续30分钟。对于无损探伤的零件有:气缸体、连杆、机身、十字销、活塞杆。
 
  在监造过程中发现以下问题:
  6.1 一级气缸水压水压试验不合格。(共两台)
  分析原因:铸造缺陷造成的。
  处理措施:要求重新铸造。
  处理结果:重新铸造的一级气缸经水压试验、气密性试验合格。第二个气缸在铸造完成后,经检查气密性试验不合格。第三个气缸在做完所有试验后,达到技术协议要求。此一级气缸共做5个,单其中三个由于铸造缺陷等原因报废。
  缸体的水压试验、气密性试验对BOG压缩机质量控制是非常重要,故一定按照技术协议和检验试验计划去做。
  6.2 二级汽缸表面存在严重铸造缺陷,不符合AIP178要求。
  处理措施:已令其重新铸造。处理结果:铸造合格。
  6.3 机身煤油渗漏前涂油漆,导致煤油渗漏的灵敏性、可靠性受到影响,不符合AIP178 及工艺流程规定。
  处理措施:要求厂方清除涂油漆,然后按工艺要求进行煤油渗漏试验。
  处理结果:按照要求整改后合格。
  监造工程师在整个生产过程中起到了良好的作用,基本上控制了设备的质量。
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  7.BOG压缩机性能试验和机械运转试验
  BOG压缩机出厂检验是压缩机设备全面质量控制的最重要的组成部分。一般要做两方面的试验。
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  7.1 机械运转试验
  机械运转试验,本机空负荷机械运转试验,应在厂方试车台架上运行,采用车间常规试验系统。
  7.2 试验程序:
  本机在试车台全部安装找正完成,经质检部门对各部位的装配间隙及安装精度进行检查验收后,才能进行机械运转试验。
  7.2.1 BOG压缩机机械运转前的准备工作。
  7.2.1.1 拆除气缸上进排气阀。
  7.2.1.2 检查机身,气缸内是否清洁,将其中的污垢、杂质彻底清除干净。
  7.2.1.3 检查各连接部件,保证螺栓拧紧牢固并锁紧。
  7.2.1.4 检查各测试仪表、仪器是否安置妥当,并调试无误。
  7.2.1.5 润滑油系统应全部安装完成。并符合有关规定和要求。
  7.3 首台机运行试验时间不少于4小时,后续机运行试验时间不少于2小时。
  实测噪音:79dB(A)。
  实测机身主轴承温度,69℃
  实测活塞杆摩擦部位温度,112℃
  技术协议要求:
  机身主轴承温度≤75℃,
  活塞杆摩擦部位温度≤115℃;
  机组噪音≤85dB(A)。
  (备注: 由于没有负荷,所有实测数据仅作参考,最终以现场带负荷运转考核为准。)
  以上数据为在工厂测得数据,经审核试验数据合格。
  7.4 机械运转完成后,进行解体,并对下列零部件摩擦面的磨损情况下进行检查,其摩擦配合表面质量良好,无划痕、擦伤、烧伤等现象。
  最终确认:BOG压缩机满足技术协议要求。
 
  结论
  BOG压缩机是LNG项目中最为重要和关键的设备。项目组质量部努力从各方面控制BOG压缩机系统的质量,是保证本压缩机能够成功的重要前提。特别是国际形势越来越复杂,大力发展国产化是非常有意义的。此BOG压缩机系统在经过安装、调试后运行正常。它的成功为今后复杂设备的质量控制提供了宝贵的经验。
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