動靜轉換裝置的結構與應用

徐向榮，李登瑞

（甘肅金川集團股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100）

我公司三條生產線合成工藝采用中壓轉動反應釜進行合成，與傳統的固定合成釜比較，轉動釜具有效率高、速度快、卸渣容易等優點。轉動反應釜為回轉式壓力容器，反應釜簡圖如圖1所示。

圖1 轉動釜簡圖

操作中，固體顆粒狀物料通過進料口裝入反應釜，封進料蓋，具備條件后，通過進氣管路持續向釜內通入預熱好的高壓反應氣體，同時通過排氣管路持續向釜外輸出反應生成的合成氣體（夾帶有大量未反應的反應氣）。為了實現反應氣連續進入釜內和反應合成氣連續從釜內出來的問題，我們和北京化工大學研發設計了動靜轉換裝置。

1 動靜轉換裝置的作用

轉動反應釜進排氣口與轉動釜是一體的，轉動釜轉動過程中，進排氣口與轉動釜是隨動的，轉動釜運行過程中，需要連續不斷地向釜內通入高溫高壓反應氣體，同時將反應生成的高溫高壓合成氣體連續不斷地從釜內導出來。該裝置的作用就是將反應氣體從靜止管道轉換至轉動管道送入轉動反應釜、同時將轉動內的反應生成的合成氣體從轉動管道轉換到靜止管道。

2 動靜轉換裝置結構

動靜轉換裝置由密封組件1、密封組件2、密封組件3、密封組件4共四組密封裝置及轉子、軸承、腔體，軸承支座和底支座組成。裝置管口作用如下：

（1）反應氣進口(A1，A2)。

（2）合成氣出氣(B1，B2)。

（3）阻封氣進口(C1)：阻封氣為純凈反應氣，溫度為常溫，操作壓力略高于反應氣壓力。

（4）阻封氣出口(C2)：輸入氣體為純凈的反應氣。

（5）G1為潤滑油進口，溫度常溫；G2為潤滑油出口，其作用是對軸承潤滑和冷卻，防止軸承溫升過大。

（6）D口為密封組件2泄漏口；E口為備用泄漏口。

（7）F1和F2為潤滑油排放和泄漏回收口。

2.1 動靜轉換裝置與轉動釜的聯接

動靜轉換裝置的轉子與中壓轉動釜通過萬向聯軸器聯接在一起，與轉動釜一起轉動，進氣口（A2）和出氣口（B1）通過撓性管分別與反應釜的進出氣口連接，另外一個進氣口（A1）和另外一個出氣口（B2）分別與靜止的進氣管和排氣管連接。進出氣撓性管組的功能是將氣相原料介質從動靜轉換裝置輸入釜內、將氣相的生成物輸入到動靜轉換裝置。所以選用撓性管和萬向聯軸器，是因為轉動釜運行過程中由于溫度、壓力變化會產生較大的軸向竄動和徑向跳動，萬向聯軸器可以消除轉動釜軸向竄動對動靜轉換裝置密封組件的破壞，撓性管不僅可以消除轉動釜軸向竄動對動靜轉換裝置密封組件的損壞，更能消除轉動釜運行過程中產生的徑向跳動對動靜轉換裝置密封組件的影響。本裝置中，撓性管可以將軸向位移量控制在5mm以內，徑向位移量控制在4mm以內，萬向聯軸器軸向可以伸縮100mm。因此，轉釜運行過程中產生較大軸向位移（50mm）和徑向位移量4mm的情況下，動靜裝置的密封組件都要不會受到影響。

圖2 動靜轉換裝置簡圖

2.2 密封組件

動靜轉換裝置密封組件1為單端面密封裝置，正常工作時只對密封組件2泄漏介質起密封作用。密封組件2失效時，可在一定時間內承受阻封氣壓力。

密封組件2和密封組件3組成密封腔，腔內充以可循環的、壓力略高于反應氣的純凈反應氣作為阻封氣。正常工況下密封組件2的密封端面一側通向泄漏腔，另一側為高壓的阻封氣，密封端面兩側壓差較高，工作條件苛刻；密封組件3密封端面一側為阻封氣（常溫高壓），另一側為溫度和壓力都比較高的反應氣體，密封端面兩側存在有不大的壓差。考慮到有阻封氣失效問題，設計時考慮了防反壓結構。

密封組件4為單端面密封裝置，其密封端面兩側介質分別為反應氣和合成氣，工作壓力均很高，在正常工作情況下壓差小。但兩側介質溫度不同。動靜轉換裴置中四組密封組件裝置均工作在氣相干摩擦狀態。

2.3 轉子

轉子為雙層同心圓管組成的套焊接結構，如圖4所示。圖中涂黑部分為焊縫，內筒內部輸送的介質是從合成釜中輸出的合成氣；兩層同心圓管組成的套管空間是向合成釜中輸入的反應氣。軸頭上部接口傾斜15°的原因是減小軸頭尺寸。軸頭最左側的直口和螺紋孔用來連接萬向連軸器。軸頭上的兩個與撓性螺旋軟管相連接的管口加工制造也按相應標準，方便與外部管道連接。軸頭上為了連接內筒和外套加工了焊接坡口。為了減小應力，軸頭過渡處設計成大圓角，組焊件焊后熱處理，進行固熔處理，焊縫焊后修平。內筒的三個軸向位置上共焊接九個支撐板。車削支撐板至要求尺寸，將加工好坡口尺寸的外筒加熱，熱裝到內筒上，待冷卻后，焊接外套與軸頭的焊縫。轉子加工完成后要進行無損檢測，對轉子整體熱處理。

圖4 轉子結構示意圖

2.4 軸承

氣體轉換裝置的軸承組為雙列圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的組合結構，圓錐滾子軸承位于右側，即靠近轉子的中間部位及靠近密封組件的位置，該軸承軸向定位轉子，承受轉子的全部軸向力及部分徑向力。圓柱滾子軸承位于轉子的左側，承受轉子的部分徑向力，并能保證轉子可在該軸承自由軸向伸縮。這樣在雙列圓錐滾子軸承位置為固定點，轉子溫度變化產生的軸向伸縮以雙列圓錐滾子軸承為基點向兩側發展，以減小密封位置的轉子軸向熱膨脹變化。

2.5 反應氣系統

反應氣是用于合成而循環利用的氣體，氣體中可能含有少量的殘余合成氣，反應氣體從A1口進入氣體轉換裝置，通過轉換裝置中的反應氣輸送套管，由A2口流出轉換裝置，輸送至合成釜中。在A1接口處，輸入氣體的接管是固定不轉動的，該管口與外部反應氣進氣裝置相連接；在A2接口位置接管與合成釜通過螺旋軟管、閥門等管件連接到一起并同步旋轉，實現了反應氣體輸送到合成釜的目的，完成了反應氣由靜止到旋轉的轉換。

2.6 合成氣系統

合成氣是在合成釜中由反應氣和釜中的固體物料生成的氣體和反應剩余的反應氣體組成的混合氣體。合成氣極度毒性，易燃易爆。合成氣通過螺旋軟管及閥門等管件從合成釜中由B1口進入轉換裝置，經由轉換裝置中的合成氣中心輸出管，由B2口輸出。B1接口同合成釜一起旋轉，B2口與整個密封轉換裝置外腔體固定在一起，靜止不動。實現了合成氣從旋轉的合成釜中輸出的目的，完成合成氣由旋轉到靜止的轉換。

2.7 阻封氣系統

為了防止反應氣體的泄漏并有效地降低密封的工作溫度，在動靜轉換裝置中引入的比反應氣壓力稍高的純凈反應氣體作為阻封氣。阻封氣由C1接口引入到轉換裝置中密封組件2的兩個密封端面之間，進氣溫度為常溫（≤30℃），由C2流出氣體轉換裝置。阻封氣的壓力略高于A1接口輸入的反應氣，起到阻止反應氣體向外界泄漏的作用，由于阻封氣壓力高于A1接口輸入的反應氣壓力，所以只可能是純凈的阻封氣泄漏到毒性更高的反應氣中，因而提高了系統的安全性。同時阻封氣的溫度低，可以起到對密封組件進行沖洗冷卻的作用。

2.8 泄漏氣系統

D口為2級密封泄漏口，正常情況下密封組件2的左側高壓差密封端面的泄漏氣體由此口收集；E口為備用泄漏口，僅在密封組件2左端面失效，密封組件2起作用時，才有泄漏氣體。正常情況下E口無泄漏，一旦其中發現泄漏氣體，則表示密封組件2的左側密封失效。D口和E口上設置流量報警。泄漏的氣體輸送到安全處理系統中。

2.9 潤滑油系統

為了對軸承進行潤滑并進行冷卻，采用循環油冷卻潤滑的方式。G1為潤滑油進口，溫度常溫；G2為潤滑油出口。起到對軸承潤滑和冷卻的作用，防止軸承溫升過大。潤滑油系統是動靜轉換裝置的輔助系統，由專門的潤滑油站提供潤滑油路還設置集油箱、換熱器、過濾器、油泵等設備。

3 動靜轉換裝置的特點

3.1 集裝結構

該動靜轉換裝置為整體集裝式結構，通過柔性螺旋軟管與合成釜連接，如圖3所示，與合成釜相連接的接口都設置閥門，當合成釜出現故障時，關閉這些閥門，就可使釜內的反應氣、合成氣和釜中的物料封閉在反應釜內，避免有毒、易燃的物質排放到大氣中去。該密封裝置出現故障時關閉裝置對外接口的閥門就可使密封裝置完全獨立于系統，可直接拆卸檢修或更換。氣體轉換裝置采用集裝結構，方便維護、修理。

圖3 轉動釜與轉換裝置連接圖

3.2 良好的抗振性

反應釜與轉換裝置采用柔性管連接，如圖3所示，有效地吸收了反應釜的軸向竄動和徑向跳動對動靜轉換裝置的影響，保證轉換裝置平穩運行。有效提高裝置中軸承和各密封的工作環境。

3.3 安全性能優良

反應釜中高壓的的反應氣體和反應生成的合成氣體都是易燃易爆、劇毒性物質，一旦泄漏到環境中，后果非常嚴重。反應氣的流動是從A1口流入，如果從動密封中產生泄露有兩個方向。第一條泄漏路線是：密封組件2→密封組件1→泄漏孔，在這一條路徑上有三個端面機械密封，安全性較高。而且密封組件2之間的阻封氣體的壓力高于反應氣的壓力，正常情況下反應氣不會從低壓端向高壓端泄漏。反應氣另一條泄漏途徑是：機械密封組件3→B2口中的合成氣中，而不會直接泄漏到大氣中，且密封組件3即使失效也不會造成大的事故，動密封不會產生任何的危險；合成氣的流動是從B1流經密封組件3，從旋轉件過渡到靜止件，然后流到接口B2，主要發生泄漏的可能是密封組件3。但密封組件3的外側為A1進入的反應氣，內側為合成釜反應生成的合成氣，該密封內外側的壓差很小，能夠較好地實現密封，且即使該密封失效也是A1口的反應氣進入到合成氣或是合成氣進入到A1口的反應氣中并重新進入到合成釜中，而不會有任何的有毒有害的介質進入到大氣去；從本密封轉換裝置的設計可以看出有毒有害的反應氣體和反應生成的氣體與外部相連接的都為靜密封，靜密封容易得到保證。動密封即使泄漏也是在裝置內部，而不會使這些有毒、有害氣體泄漏到大氣中。所以，該轉換裝置的安全性很高，最容易失效的動密封即使失效也不會造成非常大的后果。

圖6 阻風氣及泄漏系統示意圖

3.4 可靠性較高

在密封組件1和密封組件2都設置了泄漏口，這些密封組件失效或損壞產生泄漏時，可以通過泄漏口檢測出泄漏情況從而采取相應的措施，避免事故的進一步擴大。密封組件1還可做為密封負載最大的密封組件2的左端面的備用密封，在密封組件2的左端面失效后，密封組件1可代替其繼續工作，直到完成一個生產周期。密封3采用高可靠性的填料密封，不容易出現事故。

4 實用效果

該生產線共有3臺釜，配套有3臺動靜轉換裝置。2019年8月，編號為 A的 釜開始試運行，做為附屬設備的A轉換裝置并沒有達到原設計的效果，有時開一釜就出現泄漏，有時開兩釜就泄漏，最多開了4釜出現了泄漏，給試生產造成了極大的影響，甚至有人開始懷疑該裝置的結構。在原設計人員、設備制造廠家和本廠技術人員的共同努力下，一次又一次地總結故障原因，并有針對性地對結構進行優化，通過對密封組件2的三次結構優化，轉換裝置運行周期不斷延長，從1釜2釜至5釜6釜，甚至達到了16釜。2020年9月，A轉換裝置連續運行16個周期，沒有出現故障。利用停產檢修時間，我們對轉換裝置解體全面檢查，內部所有零部件沒有任何損壞。至于2021年度4月，該套裝置已連續運行35釜，沒有出現故障。2020年6月，B釜也投入運行，連續運行15釜，轉換裝置沒有出現任何故障。2021年2月開始，C釜也運行了10釜，轉換裝置效果良好。

5 結論

（1）我公司通過與國內密封領域專家聯合攻關，在轉動設備上研發應用的高溫中壓氣體動靜轉換裝置，采用多級密封結構和氣頂氣密封技術，成功實現了轉動釜與進出口工藝管道的動靜轉換。配合撓性管技術，實現了轉動釜長周期安全穩定運行。

（2）動靜轉換裝置的成功使用，根本上解決了中壓轉動合成釜的密封難題，保證了轉動釜在冶金生產中的應用，解決了轉動設備密封穩定性的世界級難題，在密封領域影響深遠。