基于应急压缩空气系统设备的研发与精密制造

基于应急压缩空气系统设备的研发与精密制造

王刚

无锡锡压压缩机有限公司

摘要：本论文旨在探讨基于应急压缩空气系统设备的研发与精密制造。首先，对应急压缩空气系统进行了概述，包括其定义、功能以及在核安全领域的应用。其次，介绍了设备的设计与研发过程，包括需求分析、设计方案和结构。在精密制造技术方面，重点关注了关键零件的加工策略，包括压缩机转子、壳体以及排气端轴承座与排气端盖的加工方法。最后，进行了系统设备的测试与验证，包括螺杆压缩机和干燥装置的耐久试验和抗震试验，完成了应急压缩空气系统设备的研发与精密制造的全部流程。

关键词：应急压缩空气系统；精密制造；设备设计；抗震试验

引言

应急压缩空气系统作为一项关键设备，在核安全领域扮演着至关重要的角色，为乏燃料后处理系统中的关键设施提供了必不可少的备用气源。这些系统的设计和制造需要高度的精密和可靠性，以确保在紧急情况下的高效运行和安全性。本论文旨在探讨基于应急压缩空气系统设备的研发与精密制造，着重于系统的设计、研发以及关键零部件的加工与制造技术，为应急压缩空气系统设备的进一步研发和应用提供参考和指导。

1应急压缩空气系统概述

1.1应急压缩空气系统的定义与功能

应急压缩空气系统是一种在紧急情况下提供压缩空气的设备，广泛应用于需要迅速反应和高可靠性的环境中。其主要功能包括在突发事件或电力中断时，确保关键设备和系统的正常运行，提供必要的气动支持，保障安全和生产的连续性。该系统在核安全、医疗、化工等领域尤为重要，能够在紧急情况下维持控制阀、仪表和其他气动设备的正常运作。

1.2系统组成与工作原理

应急压缩空气系统通常由压缩机、储气罐、干燥器与过滤器、控制系统、管路与阀门组成。压缩机将空气压缩后储存在储气罐中，当系统检测到紧急情况或电力中断时，控制系统自动启动应急压缩空气系统，释放储气罐中的压缩空气，通过管路输送到需要的设备和区域，确保其正常运行。干燥器与过滤器在此过程中去除压缩空气中的水分和杂质，保证空气质量。

1.3系统在核安全中的应用

乏燃料后处理系统在运行过程中，对安全系统的可靠性要求极高，而应急压缩空气系统能够在电力中断或其他突发情况下，确保控制阀门和安全装置的正常运行[1]。该系统能够快速提供高质量的压缩空气，确保关键设备在应急情况下能够立即响应，有效防止核事故的发生，保障乏燃料后处理系统的安全运行。

本次研究的目的是研发并精密制造一种高效可靠的应急压缩空气系统，以确保在紧急情况下能够提供稳定的压缩空气支持，保障关键设备和系统的正常运行。

2设备设计与研发

2.1设备需求分析

本次研发旨在设计一套能在事故工况下保证工艺系统安全的应急压缩空气系统，系统需为工艺、仪表提供一定压力、温度和含油量的压缩空气。同时，系统必须具备在极限安全地震震动(SSE)时保持功能的能力，确保可靠的启动和运行，主要设备应达到抗震I类的安全等级[2]。喷油螺杆式空气压缩机组需满足不同的排气量、排气压力和额定功率要求，干燥装置需满足特定的处理气量、工作压力和供气压力露点。

所有机械设备和电气设备需满足安全等级RS级、抗震等级I类和相应的质保等级QA1或QA2。本设备需按照《科工法[2005]311号 国防科技工业军用核设施质量保证规定》、《军工核安全设备监督管理办法》(2021版)科工核应安539号文》等有关法律法规，开展资质获取、生产制造等有关活动，并受KGJ、总包方、业主、驻厂监造等多方的监督审查。

2.2设备设计方案

根据《应急压缩空气系统设备技术规格书》，本项目设计了两型应急压缩空气系统设备，分别应用于三个子项。主要设备包括喷油螺杆空气压缩机组和无热再生吸附式干燥过滤装置。

两个子项使用20Nm³/min的压缩机和23Nm³/min的干燥装置，子项使用28Nm³/min的压缩机和40Nm³/min的干燥装置。对比包络性分析，选择28Nm³/min的压缩机和40Nm³/min的干燥装置作为模拟件。

2.3设备结构

螺杆压缩机采用整体撬块带箱体式结构，零部件如压缩机主机、电动机、电控柜、油气分离器、冷却器和安全阀等置于基础底座上，采用直联传动和单级无齿轮箱传动，电动机主轴和主机阳转子1:1传动。干燥装置采用无热再生模块化吸附式干燥机，主要部件固定于底座上。具体设备结构如图2-1所示。

图2-1喷油螺杆压缩机模拟件结构和干燥装置模拟件结构示意图（正视图）

3关键零件的精密制造技术

3.1压缩机转子的精密加工

本次研究对压缩机转子进行了精密加工，以确保其性能和可靠性。阴转子使用TG350E设备和090液压夹头固定，尾座顶住右端中心孔，磨削至底径，导程724.192mm，左旋，齿数5。三坐标测量设备检验其齿距偏差、累计误差、型线总偏差及螺旋线总偏差，特别检查排气端190mm处的齿型及Φ253.14分度和导程。通过《螺杆转子啮合检测规范》检测啮合间隙。动平衡使用HM30BU平衡机，去重半径R96.12mm，单边不平衡量4.97g。阳转子同样使用TG350E设备磨削，导程579.353mm，右旋，齿数4，进行类似的检验和动平衡处理，去重半径R127.8mm，单边不平衡量3.97g。加工后，转子在左端轴颈长度、倒角和中心孔进行精密加工，并去除毛刺。最终，经过三坐标检测确认尺寸和要求符合设计规范，合格的转子将入库准备装配。

3.2压缩机壳体的精密加工

压缩机壳体作为压缩机的重要组成部分，其精度和质量直接影响到压缩机的性能和寿命。本次壳体材料选用QT400，这是一种常用的铸铁材料，具有良好的机械性能和加工性能[3]。加工过程从材料准备和编号开始，确保了可追溯性。粗加工阶段，卧式加工中心对底脚平面和转子孔面进行粗铣，留有0.2mm的余量。钻孔和攻丝工序中，精确制作了M14x1.5-6H和M10x1-6H螺纹孔。半精加工进一步确保了尺寸精度，为精加工阶段打下了基础，其中涉及M8至M14不同规格的螺纹孔制作。精加工重点在于转子孔端面和轴承孔端面的精密铣削，以及阳转子孔和阴转子孔的精确镗削，公差控制在微米级。特殊加工包括孔口倒角和水压试验，后者以1.8MPa的压力进行，确保30分钟内无渗漏。最终，壳体经过去毛刺、清洗，并涂以防锈油，以保护表面并准备入库。整个流程中，每个步骤后都进行严格的质量检验，通过工艺附图和明细表详细记录了加工的每一个细节，确保了加工质量的高标准。

4系统设备的测试与验证

4.1螺杆压缩机的耐久试验

本次研究对螺杆压缩机进行了耐久试验，旨在验证其在长期运行下的可靠性和稳定性。试验共涉及三个主要检验项目：耐久试验、超压试验和超温试验，详细情况如表3-1所示。

表3-1耐久实验

综合以上分析，螺杆压缩机在耐久试验、超压试验和超温试验中所有检验项目数据均符合《应急压缩空气系统设备技术规格书》要求。本次耐久试验所有指标合格，试验通过。

4.2干燥装置的耐久试验

本次研究试验依据包括《应急压缩空气系统设备技术规格书》、干燥装置模拟件鉴定试验大纲、干燥装置性能试验大纲等标准。试验对象为干燥装置，额定工作压力为0.85MPa，最高进气温度为50℃。在试验过程中，干燥装置在1.0MPa的压力下稳定运行，每两小时记录一次数据。累计运行时间达到243小时，超过了240小时的合格标准，同时单次连续运行时间不少于24小时。

试验结果显示，干燥装置在整个耐久试验期间运转稳定，无故障发生，所有测量数据均符合技术规格书要求。此外，试验还补充记录了干燥装置在长时间稳定运行下的耗气量，结果同样达标。综合分析，本次耐久试验所有指标均合格，试验顺利通过。

4.3抗震试验数据分析与结论

本次抗震试验针对研究的应急压缩空气系统，按照HAF·J0053-1995《核设备抗震鉴定试验指南》和GB/T13625-2018《核电厂安全级电气设备抗震鉴定》标准进行。

在试验前，样品经过目视检查确认状态正常，随后在静态和动态条件下进行了自振频率和阻尼比的探查，使用随机波激励并记录了加速度传感器的输出信号。动态特性探查试验中， MA1测点在X轴方向的一阶共振频率为92.0Hz，阻尼比为1.69%，显示出良好的初始稳定性。

在关键的SL-1和SL-2地震模拟试验中，样品经历了5次SL-1（阻尼比2%）和1次SL-2（阻尼比3%）地震试验。SL-1试验中，前三次样品未运行，第四和第五次在设备稳定运行后进行，SL-2试验则是在设备运行5~8秒后启动。试验中监测到的加速度时程相关系数均小于0.3，确保了试验的独立性。在3.5Hz至100Hz的频率范围内，试验反应谱完全包络了期望反应谱，满足了设计要求。

试验后，再次进行的功能结构检查和动态特性探查试验确认了样品结构的完整性。MA1测点的一阶共振频率保持在92.0Hz，阻尼比略有增加至1.72%，这表明样品在经历模拟地震载荷后，其动态特性并未受到显著影响。应力应变测试结果显示，在SL-1-1试验中，测点S1X的峰值应变为77.30μ，而在SL-2试验中，峰值应变达到99.16μ，数据证明了样品在地震载荷作用下的性能。

试验结论指出样品满足了抗震设计要求，能够正常工作并保持机组整体结构的完整性。

5结语

本论文系统性地研究了基于应急压缩空气系统设备的研发与精密制造，涵盖了系统概述、设备设计与研发、精密制造技术以及系统设备的测试与验证等方面。通过对应急压缩空气系统的定义、功能和在核安全领域的应用进行了详细介绍，深入分析了设备设计过程中的需求分析、设计方案和结构设计，重点讨论了关键零件的精密加工。通过耐久试验和抗震试验的验证，验证了系统设备的性能和可靠性。本论文的研究成果对于提高应急压缩空气系统设备的制造质量和技术水平，以及推动其在不同领域的应用具有重要的理论和实践意义。

参考文献

[1]卢士升,张飞林.核电压缩空气系统的存在问题及对策[J].产业与科技论坛,2020,19(04):66-67.

[2]孙学强.某核电厂应急压缩空气生产系统调试实践[J].清洗世界,2023,39(12):13-15.

[3]蔡红茹.压缩空气系统仪表控制调试方法分析研究[J].化工管理,2020,(08):164-165.

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