动静转换装置的结构与应用

徐向荣，李登瑞

（甘肃金川集团股份有限公司镍冶炼厂，甘肃 金昌 737100）

我公司三条生产线合成工艺采用中压转动反应釜进行合成，与传统的固定合成釜比较，转动釜具有效率高、速度快、卸渣容易等优点。转动反应釜为回转式压力容器，反应釜简图如图1所示。

图1 转动釜简图

操作中，固体颗粒状物料通过进料口装入反应釜，封进料盖，具备条件后，通过进气管路持续向釜内通入预热好的高压反应气体，同时通过排气管路持续向釜外输出反应生成的合成气体（夹带有大量未反应的反应气）。为了实现反应气连续进入釜内和反应合成气连续从釜内出来的问题，我们和北京化工大学研发设计了动静转换装置。

1 动静转换装置的作用

转动反应釜进排气口与转动釜是一体的，转动釜转动过程中，进排气口与转动釜是随动的，转动釜运行过程中，需要连续不断地向釜内通入高温高压反应气体，同时将反应生成的高温高压合成气体连续不断地从釜内导出来。该装置的作用就是将反应气体从静止管道转换至转动管道送入转动反应釜、同时将转动内的反应生成的合成气体从转动管道转换到静止管道。

2 动静转换装置结构

动静转换装置由密封组件1、密封组件2、密封组件3、密封组件4共四组密封装置及转子、轴承、腔体，轴承支座和底支座组成。装置管口作用如下：

（1）反应气进口(A1，A2)。

（2）合成气出气(B1，B2)。

（3）阻封气进口(C1)：阻封气为纯净反应气，温度为常温，操作压力略高于反应气压力。

（4）阻封气出口(C2)：输入气体为纯净的反应气。

（5）G1为润滑油进口，温度常温；G2为润滑油出口，其作用是对轴承润滑和冷却，防止轴承温升过大。

（6）D口为密封组件2泄漏口；E口为备用泄漏口。

（7）F1和F2为润滑油排放和泄漏回收口。

2.1 动静转换装置与转动釜的联接

动静转换装置的转子与中压转动釜通过万向联轴器联接在一起，与转动釜一起转动，进气口（A2）和出气口（B1）通过挠性管分别与反应釜的进出气口连接，另外一个进气口（A1）和另外一个出气口（B2）分别与静止的进气管和排气管连接。进出气挠性管组的功能是将气相原料介质从动静转换装置输入釜内、将气相的生成物输入到动静转换装置。所以选用挠性管和万向联轴器，是因为转动釜运行过程中由于温度、压力变化会产生较大的轴向窜动和径向跳动，万向联轴器可以消除转动釜轴向窜动对动静转换装置密封组件的破坏，挠性管不仅可以消除转动釜轴向窜动对动静转换装置密封组件的损坏，更能消除转动釜运行过程中产生的径向跳动对动静转换装置密封组件的影响。本装置中，挠性管可以将轴向位移量控制在5mm以内，径向位移量控制在4mm以内，万向联轴器轴向可以伸缩100mm。因此，转釜运行过程中产生较大轴向位移（50mm）和径向位移量4mm的情况下，动静装置的密封组件都要不会受到影响。

图2 动静转换装置简图

2.2 密封组件

动静转换装置密封组件1为单端面密封装置，正常工作时只对密封组件2泄漏介质起密封作用。密封组件2失效时，可在一定时间内承受阻封气压力。

密封组件2和密封组件3组成密封腔，腔内充以可循环的、压力略高于反应气的纯净反应气作为阻封气。正常工况下密封组件2的密封端面一侧通向泄漏腔，另一侧为高压的阻封气，密封端面两侧压差较高，工作条件苛刻；密封组件3密封端面一侧为阻封气（常温高压），另一侧为温度和压力都比较高的反应气体，密封端面两侧存在有不大的压差。考虑到有阻封气失效问题，设计时考虑了防反压结构。

密封组件4为单端面密封装置，其密封端面两侧介质分别为反应气和合成气，工作压力均很高，在正常工作情况下压差小。但两侧介质温度不同。动静转换裴置中四组密封组件装置均工作在气相干摩擦状态。

2.3 转子

转子为双层同心圆管组成的套焊接结构，如图4所示。图中涂黑部分为焊缝，内筒内部输送的介质是从合成釜中输出的合成气；两层同心圆管组成的套管空间是向合成釜中输入的反应气。轴头上部接口倾斜15°的原因是减小轴头尺寸。轴头最左侧的直口和螺纹孔用来连接万向连轴器。轴头上的两个与挠性螺旋软管相连接的管口加工制造也按相应标准，方便与外部管道连接。轴头上为了连接内筒和外套加工了焊接坡口。为了减小应力，轴头过渡处设计成大圆角，组焊件焊后热处理，进行固熔处理，焊缝焊后修平。内筒的三个轴向位置上共焊接九个支撑板。车削支撑板至要求尺寸，将加工好坡口尺寸的外筒加热，热装到内筒上，待冷却后，焊接外套与轴头的焊缝。转子加工完成后要进行无损检测，对转子整体热处理。

图4 转子结构示意图

2.4 轴承

气体转换装置的轴承组为双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承的组合结构，圆锥滚子轴承位于右侧，即靠近转子的中间部位及靠近密封组件的位置，该轴承轴向定位转子，承受转子的全部轴向力及部分径向力。圆柱滚子轴承位于转子的左侧，承受转子的部分径向力，并能保证转子可在该轴承自由轴向伸缩。这样在双列圆锥滚子轴承位置为固定点，转子温度变化产生的轴向伸缩以双列圆锥滚子轴承为基点向两侧发展，以减小密封位置的转子轴向热膨胀变化。

2.5 反应气系统

反应气是用于合成而循环利用的气体，气体中可能含有少量的残余合成气，反应气体从A1口进入气体转换装置，通过转换装置中的反应气输送套管，由A2口流出转换装置，输送至合成釜中。在A1接口处，输入气体的接管是固定不转动的，该管口与外部反应气进气装置相连接；在A2接口位置接管与合成釜通过螺旋软管、阀门等管件连接到一起并同步旋转，实现了反应气体输送到合成釜的目的，完成了反应气由静止到旋转的转换。

2.6 合成气系统

合成气是在合成釜中由反应气和釜中的固体物料生成的气体和反应剩余的反应气体组成的混合气体。合成气极度毒性，易燃易爆。合成气通过螺旋软管及阀门等管件从合成釜中由B1口进入转换装置，经由转换装置中的合成气中心输出管，由B2口输出。B1接口同合成釜一起旋转，B2口与整个密封转换装置外腔体固定在一起，静止不动。实现了合成气从旋转的合成釜中输出的目的，完成合成气由旋转到静止的转换。

2.7 阻封气系统

为了防止反应气体的泄漏并有效地降低密封的工作温度，在动静转换装置中引入的比反应气压力稍高的纯净反应气体作为阻封气。阻封气由C1接口引入到转换装置中密封组件2的两个密封端面之间，进气温度为常温（≤30℃），由C2流出气体转换装置。阻封气的压力略高于A1接口输入的反应气，起到阻止反应气体向外界泄漏的作用，由于阻封气压力高于A1接口输入的反应气压力，所以只可能是纯净的阻封气泄漏到毒性更高的反应气中，因而提高了系统的安全性。同时阻封气的温度低，可以起到对密封组件进行冲洗冷却的作用。

2.8 泄漏气系统

D口为2级密封泄漏口，正常情况下密封组件2的左侧高压差密封端面的泄漏气体由此口收集；E口为备用泄漏口，仅在密封组件2左端面失效，密封组件2起作用时，才有泄漏气体。正常情况下E口无泄漏，一旦其中发现泄漏气体，则表示密封组件2的左侧密封失效。D口和E口上设置流量报警。泄漏的气体输送到安全处理系统中。

2.9 润滑油系统

为了对轴承进行润滑并进行冷却，采用循环油冷却润滑的方式。G1为润滑油进口，温度常温；G2为润滑油出口。起到对轴承润滑和冷却的作用，防止轴承温升过大。润滑油系统是动静转换装置的辅助系统，由专门的润滑油站提供润滑油路还设置集油箱、换热器、过滤器、油泵等设备。

3 动静转换装置的特点

3.1 集装结构

该动静转换装置为整体集装式结构，通过柔性螺旋软管与合成釜连接，如图3所示，与合成釜相连接的接口都设置阀门，当合成釜出现故障时，关闭这些阀门，就可使釜内的反应气、合成气和釜中的物料封闭在反应釜内，避免有毒、易燃的物质排放到大气中去。该密封装置出现故障时关闭装置对外接口的阀门就可使密封装置完全独立于系统，可直接拆卸检修或更换。气体转换装置采用集装结构，方便维护、修理。

图3 转动釜与转换装置连接图

3.2 良好的抗振性

反应釜与转换装置采用柔性管连接，如图3所示，有效地吸收了反应釜的轴向窜动和径向跳动对动静转换装置的影响，保证转换装置平稳运行。有效提高装置中轴承和各密封的工作环境。

3.3 安全性能优良

反应釜中高压的的反应气体和反应生成的合成气体都是易燃易爆、剧毒性物质，一旦泄漏到环境中，后果非常严重。反应气的流动是从A1口流入，如果从动密封中产生泄露有两个方向。第一条泄漏路线是：密封组件2→密封组件1→泄漏孔，在这一条路径上有三个端面机械密封，安全性较高。而且密封组件2之间的阻封气体的压力高于反应气的压力，正常情况下反应气不会从低压端向高压端泄漏。反应气另一条泄漏途径是：机械密封组件3→B2口中的合成气中，而不会直接泄漏到大气中，且密封组件3即使失效也不会造成大的事故，动密封不会产生任何的危险；合成气的流动是从B1流经密封组件3，从旋转件过渡到静止件，然后流到接口B2，主要发生泄漏的可能是密封组件3。但密封组件3的外侧为A1进入的反应气，内侧为合成釜反应生成的合成气，该密封内外侧的压差很小，能够较好地实现密封，且即使该密封失效也是A1口的反应气进入到合成气或是合成气进入到A1口的反应气中并重新进入到合成釜中，而不会有任何的有毒有害的介质进入到大气去；从本密封转换装置的设计可以看出有毒有害的反应气体和反应生成的气体与外部相连接的都为静密封，静密封容易得到保证。动密封即使泄漏也是在装置内部，而不会使这些有毒、有害气体泄漏到大气中。所以，该转换装置的安全性很高，最容易失效的动密封即使失效也不会造成非常大的后果。

图6 阻风气及泄漏系统示意图

3.4 可靠性较高

在密封组件1和密封组件2都设置了泄漏口，这些密封组件失效或损坏产生泄漏时，可以通过泄漏口检测出泄漏情况从而采取相应的措施，避免事故的进一步扩大。密封组件1还可做为密封负载最大的密封组件2的左端面的备用密封，在密封组件2的左端面失效后，密封组件1可代替其继续工作，直到完成一个生产周期。密封3采用高可靠性的填料密封，不容易出现事故。

4 实用效果

该生产线共有3台釜，配套有3台动静转换装置。2019年8月，编号为 A的 釜开始试运行，做为附属设备的A转换装置并没有达到原设计的效果，有时开一釜就出现泄漏，有时开两釜就泄漏，最多开了4釜出现了泄漏，给试生产造成了极大的影响，甚至有人开始怀疑该装置的结构。在原设计人员、设备制造厂家和本厂技术人员的共同努力下，一次又一次地总结故障原因，并有针对性地对结构进行优化，通过对密封组件2的三次结构优化，转换装置运行周期不断延长，从1釜2釜至5釜6釜，甚至达到了16釜。2020年9月，A转换装置连续运行16个周期，没有出现故障。利用停产检修时间，我们对转换装置解体全面检查，内部所有零部件没有任何损坏。至于2021年度4月，该套装置已连续运行35釜，没有出现故障。2020年6月，B釜也投入运行，连续运行15釜，转换装置没有出现任何故障。2021年2月开始，C釜也运行了10釜，转换装置效果良好。

5 结论

（1）我公司通过与国内密封领域专家联合攻关，在转动设备上研发应用的高温中压气体动静转换装置，采用多级密封结构和气顶气密封技术，成功实现了转动釜与进出口工艺管道的动静转换。配合挠性管技术，实现了转动釜长周期安全稳定运行。

（2）动静转换装置的成功使用，根本上解决了中压转动合成釜的密封难题，保证了转动釜在冶金生产中的应用，解决了转动设备密封稳定性的世界级难题，在密封领域影响深远。