【壓縮機網(wǎng)】本文就超高壓氧氣壓縮充灌系統從設計到使用過(guò)程中的安全性做一全面分析與評價(jià)，提出預防燃爆事故發(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(jiàn)的助燃物（氧化劑），本系統是制取儲運高純度氧氣，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、壓縮機及充灌系統的安全性設計
氧氣是一種強氧化劑，易于與其它物質(zhì)反應起火，所以，氧氣壓縮充灌過(guò)程中除要遵從一般的安全氣體壓縮充灌如空氣、氮氣等規律規則外，還一定要注重燃爆的防范。
從設計角度來(lái)看，筆者公司設計制造的超高壓氧氣壓縮機及充灌系統，從以下幾個(gè)方面確保了使用安全：
1.壓縮機結構的安全設計
采用全無(wú)油潤滑往復活塞結構壓縮機。
壓縮機結構圖：
從上圖可知，壓縮機的運動(dòng)機構，如曲軸連桿的旋轉運動(dòng)、導向活塞及活塞的往復直線(xiàn)運動(dòng)都是無(wú)需另加稀油潤滑。這臺壓縮機，旋轉運動(dòng)采用的是密封脂潤滑軸承，往復運動(dòng)采用的是自潤滑材料。壓縮機機體內無(wú)稀潤滑油，密封軸承采用抗氧化全氟潤滑脂。
因為高溫高壓氧氣與油接觸會(huì )發(fā)生巨烈反應，壓縮機完全無(wú)油，大幅度降低了燃爆事故的可能性，為壓縮機的安全使用奠定了基礎；
壓縮機采用四列立式結構，各級氣缸聚集在一起，利用一個(gè)外置風(fēng)機進(jìn)行吹風(fēng)換熱，換熱充分，控制氧氣壓縮過(guò)程溫度處于較低水平。壓縮機外形如下圖所示：
理論各級排氣溫度不大于130℃，實(shí)際控制在100℃以?xún)取?/p>
為保證壓縮機性能的可靠性及安全性，壓縮機設計時(shí)采取低轉速的方式。理論計算轉速為200rpm。極低的轉速延長(cháng)易損件使用壽命，確保了壓縮機運行安全。
壓縮機內被壓縮的氣體介質(zhì)，其流速的快慢不僅影響壓縮機的效率，對于氧氣介質(zhì)，過(guò)快的流速也可導致壓縮機發(fā)生燃爆的安全事故，因此壓縮機各管路內的氧氣流速?lài)栏癜垂軆仍试S流速選取。根據壓縮機設計手冊，具體流速數值如下表：
據此，壓縮機高壓級30.0MPa狀態(tài)下，氣流設計流速為0.07m/s。
2.壓縮機安全用材
前文述及，氧氣能與許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應，因此，壓縮機與高純氧氣接觸的零部件必須是化學(xué)惰性。所以壓縮機的氣缸、氣閥、缸蓋、管道等材料均選用含碳量低的不銹鋼材料；壓縮機的活塞，由于壓縮機的結構要求采用鋁合金及銅合金，這些材料導熱快，磨擦時(shí)不產(chǎn)生火花。壓縮機的活塞環(huán)、支承環(huán)，采用塑料王之稱(chēng)的聚四氟乙烯，該材料抗強酸強堿不氧化的特性。壓縮機的靜態(tài)密封環(huán)采用化學(xué)穩定性極好的氟膠O型圈；壓縮機的螺紋密封采用四氟生料帶，密封效果好耐老化。
壓縮機各承壓零部件做1.5倍工作壓力的水壓試驗，壓縮機氣管路壁厚適中，能夠承受相應的氣體壓力。
高壓管道采用焊接方式的，做射線(xiàn)探傷檢查。
3.壓縮機安全防護設計
為保證壓縮機安全運行，各級設的安全閥，在級間壓力超過(guò)其設定值時(shí)，安全閥打開(kāi)，泄放壓縮機壓縮腔及管道內壓力。
各級設溫度顯示，末級設溫度超標強制停機。
風(fēng)機故障強制停機。
壓縮機電動(dòng)機設置過(guò)載停機。
壓縮機設置進(jìn)氣壓低保護，當進(jìn)氣壓力低于設定值時(shí)壓縮機停機。
壓縮機設置排氣壓力保護，當排氣壓力高于30.0MPa時(shí)，壓縮機停機。
壓縮機進(jìn)氣及各級排氣設過(guò)濾器，防止固態(tài)顆粒在氣流中移動(dòng)磨擦而發(fā)生燃爆。
壓縮機旋轉帶輪以及換熱風(fēng)機等設置防護網(wǎng)或防護罩，對人身進(jìn)行防護。
超高壓氧氣充灌系統，設計成下圖所示的流程：
經(jīng)壓縮機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，當氣瓶壓力低于設定值時(shí)，高壓自動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)，同時(shí)對三個(gè)氣瓶充裝。當壓力達到30MPa時(shí)，壓力傳感器動(dòng)作，高壓自動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉，完成一個(gè)周期的充裝。
充灌壓力可于系統中現場(chǎng)設定，低壓1.0ＭＰa，高壓30.0ＭＰa；高壓電動(dòng)閥門(mén)并聯(lián)手動(dòng)閥門(mén)，高壓電動(dòng)閥門(mén)出問(wèn)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(kāi)關(guān)機或轉換充灌；
充灌排上安裝有安全閥，超壓自動(dòng)打開(kāi)，確保使用安全；
為提高充裝效率，設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(guò)程的安全性，要求三個(gè)充注口同時(shí)對三個(gè)氧氣瓶充注，達到控制充灌速度，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，壓縮機流量每小時(shí)6標態(tài)立方米，換算每分鐘為：0.1標態(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。
規定高壓碳纖維氧氣瓶充灌過(guò)程中的溫升不得超過(guò)50℃。
二、壓縮機及充灌系統的工藝安全保障
1.脫脂
機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加熱后，放入要脫脂的零配件，開(kāi)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(wú)油的環(huán)境中沖洗，然后用無(wú)油壓縮空氣吹除零件表面的水漬。
脫脂后的壓縮機零配件，在無(wú)油的環(huán)境下進(jìn)行安裝，安裝過(guò)程中不得再帶入油脂。某些零件因潤滑考慮必須涂抹潤滑脂，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滑脂。
安裝過(guò)程中若發(fā)現有零配件沾染油脂，必須重新脫脂后再安裝。
高壓充灌系統中空氣壓縮機必須采用無(wú)油空壓機，從空壓機到制氧機之間的連接管道及過(guò)濾器閥門(mén)等都要求進(jìn)行脫脂處理，以利于系統運行安全。高壓充灌系統中從制氧機出口到氧氣瓶為止，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(mǎn)，晃動(dòng)管道數分鐘，倒出清洗液，用不含油的壓縮空氣吹干管內清洗液。
管路中的各類(lèi)閥門(mén)的脫脂：閥門(mén)類(lèi)的零配件采用四氯化碳浸洗的方式，將閥門(mén)上的線(xiàn)圈等通電元件拆下后，將閥門(mén)整體放入清洗液中浸洗攪拌，取出后用無(wú)油壓縮空氣吹干。
2.超高壓氧氣灌裝系統裝配工藝安全性
裝配場(chǎng)所：
要求無(wú)油無(wú)塵的環(huán)境進(jìn)行裝配；
所用工器具必須脫脂。
裝配人員嚴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(guò)程中時(shí)刻注意零配件表面情況，若發(fā)現零配件表面有油污，立即中斷裝配重新進(jìn)行脫脂。
裝配過(guò)程中各緊固件必須按規定鈕矩擰緊，管路做好密封，不得將密封膠等密封材料帶入管道內。
裝配完成的機器設備，再一次檢查各零配件正確位置及整機清潔度。
三、高壓氧氣充灌系統實(shí)驗及使用安全性
高壓氧氣充灌系統實(shí)驗檢驗按下圖流程進(jìn)行：
實(shí)驗場(chǎng)所必須無(wú)油及其它具危險性物質(zhì)存在；
管線(xiàn)連接時(shí)必須確保無(wú)油，并密封無(wú)泄漏；
碳纖維氧氣瓶必須完好固定在支架上；
充裝系統電器連接線(xiàn)符合規范，有接地保護錯施；
充灌過(guò)程中或充灌結束后及時(shí)關(guān)閉制氧系統，及時(shí)卸下充滿(mǎn)的氧氣瓶；
滿(mǎn)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(guò)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
結合已往高壓氧氣壓縮機設計制造經(jīng)驗，遵從本文要求設計制造的超高壓制供氧系統，完全具備使用的安全性。
參考文獻
郁永章《容積式壓縮機技術(shù)手冊》
楊紹侃《活塞式壓縮機設計》
成大先 《機械設計手冊》
來(lái)源：本站原創(chuàng )
【壓縮機網(wǎng)】本文就超高壓氧氣壓縮充灌系統從設計到使用過(guò)程中的安全性做一全面分析與評價(jià)，提出預防燃爆事故發(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(jiàn)的助燃物（氧化劑），本系統是制取儲運高純度氧氣，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、壓縮機及充灌系統的安全性設計
氧氣是一種強氧化劑，易于與其它物質(zhì)反應起火，所以，氧氣壓縮充灌過(guò)程中除要遵從一般的安全氣體壓縮充灌如空氣、氮氣等規律規則外，還一定要注重燃爆的防范。
從設計角度來(lái)看，筆者公司設計制造的超高壓氧氣壓縮機及充灌系統，從以下幾個(gè)方面確保了使用安全：
1.壓縮機結構的安全設計
采用全無(wú)油潤滑往復活塞結構壓縮機。
壓縮機結構圖：
從上圖可知，壓縮機的運動(dòng)機構，如曲軸連桿的旋轉運動(dòng)、導向活塞及活塞的往復直線(xiàn)運動(dòng)都是無(wú)需另加稀油潤滑。這臺壓縮機，旋轉運動(dòng)采用的是密封脂潤滑軸承，往復運動(dòng)采用的是自潤滑材料。壓縮機機體內無(wú)稀潤滑油，密封軸承采用抗氧化全氟潤滑脂。
因為高溫高壓氧氣與油接觸會(huì )發(fā)生巨烈反應，壓縮機完全無(wú)油，大幅度降低了燃爆事故的可能性，為壓縮機的安全使用奠定了基礎；
壓縮機采用四列立式結構，各級氣缸聚集在一起，利用一個(gè)外置風(fēng)機進(jìn)行吹風(fēng)換熱，換熱充分，控制氧氣壓縮過(guò)程溫度處于較低水平。壓縮機外形如下圖所示：
理論各級排氣溫度不大于130℃，實(shí)際控制在100℃以?xún)取?/p>
為保證壓縮機性能的可靠性及安全性，壓縮機設計時(shí)采取低轉速的方式。理論計算轉速為200rpm。極低的轉速延長(cháng)易損件使用壽命，確保了壓縮機運行安全。
壓縮機內被壓縮的氣體介質(zhì)，其流速的快慢不僅影響壓縮機的效率，對于氧氣介質(zhì)，過(guò)快的流速也可導致壓縮機發(fā)生燃爆的安全事故，因此壓縮機各管路內的氧氣流速?lài)栏癜垂軆仍试S流速選取。根據壓縮機設計手冊，具體流速數值如下表：
據此，壓縮機高壓級30.0MPa狀態(tài)下，氣流設計流速為0.07m/s。
2.壓縮機安全用材
前文述及，氧氣能與許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應，因此，壓縮機與高純氧氣接觸的零部件必須是化學(xué)惰性。所以壓縮機的氣缸、氣閥、缸蓋、管道等材料均選用含碳量低的不銹鋼材料；壓縮機的活塞，由于壓縮機的結構要求采用鋁合金及銅合金，這些材料導熱快，磨擦時(shí)不產(chǎn)生火花。壓縮機的活塞環(huán)、支承環(huán)，采用塑料王之稱(chēng)的聚四氟乙烯，該材料抗強酸強堿不氧化的特性。壓縮機的靜態(tài)密封環(huán)采用化學(xué)穩定性極好的氟膠O型圈；壓縮機的螺紋密封采用四氟生料帶，密封效果好耐老化。
壓縮機各承壓零部件做1.5倍工作壓力的水壓試驗，壓縮機氣管路壁厚適中，能夠承受相應的氣體壓力。
高壓管道采用焊接方式的，做射線(xiàn)探傷檢查。
3.壓縮機安全防護設計
為保證壓縮機安全運行，各級設的安全閥，在級間壓力超過(guò)其設定值時(shí)，安全閥打開(kāi)，泄放壓縮機壓縮腔及管道內壓力。
各級設溫度顯示，末級設溫度超標強制停機。
風(fēng)機故障強制停機。
壓縮機電動(dòng)機設置過(guò)載停機。
壓縮機設置進(jìn)氣壓低保護，當進(jìn)氣壓力低于設定值時(shí)壓縮機停機。
壓縮機設置排氣壓力保護，當排氣壓力高于30.0MPa時(shí)，壓縮機停機。
壓縮機進(jìn)氣及各級排氣設過(guò)濾器，防止固態(tài)顆粒在氣流中移動(dòng)磨擦而發(fā)生燃爆。
壓縮機旋轉帶輪以及換熱風(fēng)機等設置防護網(wǎng)或防護罩，對人身進(jìn)行防護。
超高壓氧氣充灌系統，設計成下圖所示的流程：
經(jīng)壓縮機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，當氣瓶壓力低于設定值時(shí)，高壓自動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)，同時(shí)對三個(gè)氣瓶充裝。當壓力達到30MPa時(shí)，壓力傳感器動(dòng)作，高壓自動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉，完成一個(gè)周期的充裝。
充灌壓力可于系統中現場(chǎng)設定，低壓1.0ＭＰa，高壓30.0ＭＰa；高壓電動(dòng)閥門(mén)并聯(lián)手動(dòng)閥門(mén)，高壓電動(dòng)閥門(mén)出問(wèn)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(kāi)關(guān)機或轉換充灌；
充灌排上安裝有安全閥，超壓自動(dòng)打開(kāi)，確保使用安全；
為提高充裝效率，設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(guò)程的安全性，要求三個(gè)充注口同時(shí)對三個(gè)氧氣瓶充注，達到控制充灌速度，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，壓縮機流量每小時(shí)6標態(tài)立方米，換算每分鐘為：0.1標態(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。
規定高壓碳纖維氧氣瓶充灌過(guò)程中的溫升不得超過(guò)50℃。
二、壓縮機及充灌系統的工藝安全保障
1.脫脂
機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加熱后，放入要脫脂的零配件，開(kāi)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(wú)油的環(huán)境中沖洗，然后用無(wú)油壓縮空氣吹除零件表面的水漬。
脫脂后的壓縮機零配件，在無(wú)油的環(huán)境下進(jìn)行安裝，安裝過(guò)程中不得再帶入油脂。某些零件因潤滑考慮必須涂抹潤滑脂，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滑脂。
安裝過(guò)程中若發(fā)現有零配件沾染油脂，必須重新脫脂后再安裝。
高壓充灌系統中空氣壓縮機必須采用無(wú)油空壓機，從空壓機到制氧機之間的連接管道及過(guò)濾器閥門(mén)等都要求進(jìn)行脫脂處理，以利于系統運行安全。高壓充灌系統中從制氧機出口到氧氣瓶為止，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(mǎn)，晃動(dòng)管道數分鐘，倒出清洗液，用不含油的壓縮空氣吹干管內清洗液。
管路中的各類(lèi)閥門(mén)的脫脂：閥門(mén)類(lèi)的零配件采用四氯化碳浸洗的方式，將閥門(mén)上的線(xiàn)圈等通電元件拆下后，將閥門(mén)整體放入清洗液中浸洗攪拌，取出后用無(wú)油壓縮空氣吹干。
2.超高壓氧氣灌裝系統裝配工藝安全性
裝配場(chǎng)所：
要求無(wú)油無(wú)塵的環(huán)境進(jìn)行裝配；
所用工器具必須脫脂。
裝配人員嚴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(guò)程中時(shí)刻注意零配件表面情況，若發(fā)現零配件表面有油污，立即中斷裝配重新進(jìn)行脫脂。
裝配過(guò)程中各緊固件必須按規定鈕矩擰緊，管路做好密封，不得將密封膠等密封材料帶入管道內。
裝配完成的機器設備，再一次檢查各零配件正確位置及整機清潔度。
三、高壓氧氣充灌系統實(shí)驗及使用安全性
高壓氧氣充灌系統實(shí)驗檢驗按下圖流程進(jìn)行：
實(shí)驗場(chǎng)所必須無(wú)油及其它具危險性物質(zhì)存在；
管線(xiàn)連接時(shí)必須確保無(wú)油，并密封無(wú)泄漏；
碳纖維氧氣瓶必須完好固定在支架上；
充裝系統電器連接線(xiàn)符合規范，有接地保護錯施；
充灌過(guò)程中或充灌結束后及時(shí)關(guān)閉制氧系統，及時(shí)卸下充滿(mǎn)的氧氣瓶；
滿(mǎn)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(guò)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
結合已往高壓氧氣壓縮機設計制造經(jīng)驗，遵從本文要求設計制造的超高壓制供氧系統，完全具備使用的安全性。
參考文獻
郁永章《容積式壓縮機技術(shù)手冊》
楊紹侃《活塞式壓縮機設計》
成大先 《機械設計手冊》
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