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高压氧气压缩机及充灌设备安全分析

  本文就超高压氧气压缩充灌系统从设计到使用过程中的安全性做一全面分析与评价,提出预防燃爆事故发生的措施。

  物质燃烧具备三个必要条件:可燃物、助燃物和燃烧温度(点火源)。氧气是一种最常见的助燃物(氧化剂),本系统是制取储运高纯度氧气,所以防止燃爆要从可燃物及燃烧温度两方面采取措施控制燃爆的发生。

  一、压缩机及充灌系统的安全性设计

  氧气是一种强氧化剂,易于与其它物质反应起火,所以,氧气压缩充灌过程中除要遵从一般的安全气体压缩充灌如空气、氮气等规律规则外,还一定要注重燃爆的防范。

  从设计角度来看,笔者公司设计制造的超高压氧气压缩机及充灌系统,从以下几个方面确保了使用安全:

  1.压缩机结构的安全设计

  采用全无油润滑往复活塞结构压缩机。

  压缩机结构图:

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  从上图可知,压缩机的运动机构,如曲轴连杆的旋转运动、导向活塞及活塞的往复直线运动都是无需另加稀油润滑。这台压缩机,旋转运动采用的是密封脂润滑轴承,往复运动采用的是自润滑材料。压缩机机体内无稀润滑油,密封轴承采用抗氧化全氟润滑脂。

  因为高温高压氧气与油接触会发生巨烈反应,压缩机完全无油,大幅度降低了燃爆事故的可能性,为压缩机的安全使用奠定了基础;

  压缩机采用四列立式结构,各级气缸聚集在一起,利用一个外置风机进行吹风换热,换热充分,控制氧气压缩过程温度处于较低水平。压缩机外形如下图所示:

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  理论各级排气温度不大于130℃,实际控制在100℃以内。

  为保证压缩机性能的可靠性及安全性,压缩机设计时采取低转速的方式。理论计算转速为200rpm。极低的转速延长易损件使用寿命,确保了压缩机运行安全。

  压缩机内被压缩的气体介质,其流速的快慢不仅影响压缩机的效率,对于氧气介质,过快的流速也可导致压缩机发生燃爆的安全事故,因此压缩机各管路内的氧气流速严格按管内允许流速选取。根据压缩机设计手册,具体流速数值如下表:

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  据此,压缩机高压级30.0MPa状态下,气流设计流速为0.07m/s。

  2.压缩机安全用材

  前文述及,氧气能与许多物质发生化学反应,因此,压缩机与高纯氧气接触的零部件必须是化学惰性。所以压缩机的气缸、气阀、缸盖、管道等材料均选用含碳量低的不锈钢材料;压缩机的活塞,由于压缩机的结构要求采用铝合金及铜合金,这些材料导热快,磨擦时不产生火花。压缩机的活塞环、支承环,采用塑料王之称的聚四氟乙烯,该材料抗强酸强碱不氧化的特性。压缩机的静态密封环采用化学稳定性极好的氟胶O型圈;压缩机的螺纹密封采用四氟生料带,密封效果好耐老化。

  压缩机各承压零部件做1.5倍工作压力的水压试验,压缩机气管路壁厚适中,能够承受相应的气体压力。

  高压管道采用焊接方式的,做射线探伤检查。

  3.压缩机安全防护设计

  为保证压缩机安全运行,各级设的安全阀,在级间压力超过其设定值时,安全阀打开,泄放压缩机压缩腔及管道内压力。

  各级设温度显示,末级设温度超标强制停机。

  风机故障强制停机。

  压缩机电动机设置过载停机。

  压缩机设置进气压低保护,当进气压力低于设定值时压缩机停机。

  压缩机设置排气压力保护,当排气压力高于30.0MPa时,压缩机停机。

  压缩机进气及各级排气设过滤器,防止固态颗粒在气流中移动磨擦而发生燃爆。

  压缩机旋转带轮以及换热风机等设置防护网或防护罩,对人身进行防护。

  超高压氧气充灌系统,设计成下图所示的流程:

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  经压缩机压缩升压的高纯度高压力氧气,由连接管道送至充灌排,在充灌排上装有压力传感器,当气瓶压力低于设定值时,高压自动阀门打开,同时对三个气瓶充装。当压力达到30MPa时,压力传感器动作,高压自动阀门关闭,完成一个周期的充装。

  充灌压力可于系统中现场设定,低压1.0MPa,高压30.0MPa;高压电动阀门并联手动阀门,高压电动阀门出问题时,可改为手动操作;

  每路充灌排上安装压力传感器,到压力开关机或转换充灌;

  充灌排上安装有安全阀,超压自动打开,确保使用安全;

  为提高充装效率,设为一用一备两路每路3个共6个充注接口,两路压力控制自动切换;

  为保证充装高压氧气操作过程的安全性,要求三个充注口同时对三个氧气瓶充注,达到控制充灌速度,确保碳纤维瓶充注温度不大于50℃:

  高压氧气充瓶速率的控制:采用三只20L碳纤维瓶同时充注的操作方式,压缩机流量每小时6标态立方米,换算每分钟为:0.1标态立方米,即100升。3只20L碳纤维瓶总共容积60升,充瓶速率约为0.17MPa/min,充灌限速0.2MPa/min。

  规定高压碳纤维氧气瓶充灌过程中的温升不得超过50℃。

  二、压缩机及充灌系统的工艺安全保障

  1.脱脂

  机器零件装配前采用超声波加脱脂剂的方法脱脂。具体方法是:将勾兑好的脱脂液在超声波容剂槽内加热后,放入要脱脂的零配件,开启超声波在加热的状况下清洗至少15分钟,然后取出已脱脂的零部件,用高压水枪在无油的环境中冲洗,然后用无油压缩空气吹除零件表面的水渍。

  脱脂后的压缩机零配件,在无油的环境下进行安装,安装过程中不得再带入油脂。某些零件因润滑考虑必须涂抹润滑脂,如螺纹防咬死、O型圈涂脂安装不被切破等,可以涂抹少量的抗氧化全氟润滑脂。

  安装过程中若发现有零配件沾染油脂,必须重新脱脂后再安装。

  高压充灌系统中空气压缩机必须采用无油空压机,从空压机到制氧机之间的连接管道及过滤器阀门等都要求进行脱脂处理,以利于系统运行安全。高压充灌系统中从制氧机出口到氧气瓶为止,所有的连接管道都要进行脱脂。

  管道的脱脂方法为:

  拆散管道,然后封闭一端,从另一端注入四氯化碳清洗液,直至灌满,晃动管道数分钟,倒出清洗液,用不含油的压缩空气吹干管内清洗液。

  管路中的各类阀门的脱脂:阀门类的零配件采用四氯化碳浸洗的方式,将阀门上的线圈等通电元件拆下后,将阀门整体放入清洗液中浸洗搅拌,取出后用无油压缩空气吹干。

  2.超高压氧气灌装系统装配工艺安全性

  装配场所:

  要求无油无尘的环境进行装配;

  所用工器具必须脱脂。

  装配人员严禁配戴含植物纤维的手套进行装配,装配人员熟悉装配要求。装配过程中时刻注意零配件表面情况,若发现零配件表面有油污,立即中断装配重新进行脱脂。

  装配过程中各紧固件必须按规定钮矩拧紧,管路做好密封,不得将密封胶等密封材料带入管道内。

  装配完成的机器设备,再一次检查各零配件正确位置及整机清洁度。

  三、高压氧气充灌系统实验及使用安全性

  高压氧气充灌系统实验检验按下图流程进行:

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  实验场所必须无油及其它具危险性物质存在;

  管线连接时必须确保无油,并密封无泄漏;

  碳纤维氧气瓶必须完好固定在支架上;

  充装系统电器连接线符合规范,有接地保护错施;

  充灌过程中或充灌结束后及时关闭制氧系统,及时卸下充满的氧气瓶;

  满瓶(30MPa)氧气瓶若要放空,必须加放空减压阀或控制低速小流量;

  充装过程中必须有人值守,及时处理异常情况。

  实际使用中,压力表、安全阀等配件要按期检定,不合格禁用。

  总结

  结合已往高压氧气压缩机设计制造经验,遵从本文要求设计制造的超高压制供氧系统,完全具备使用的安全性。

  参考文献

  郁永章《容积式压缩机技术手册》

  杨绍侃《活塞式压缩机设计》

  成大先  《机械设计手册》

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