2.2.2形成了高壓氣缸設計方法
采用鍛造高壓大缸徑氣缸鑲缸套結構，通過氣缸應力仿真分析，形成壓縮機缸套設計范規，創新設計了可調余隙缸結構，形成高壓氣缸部件設計方法。
（1）高壓氣缸結構設計技術
1）按API STD 618第五版《石油、化學及天然氣工業用往復式壓縮機》第6.15.2.1條，當工作壓力達18MPa以上時，氣缸的材料就應為鍛鋼，經分析選用，該鋼的優點是塑性好、易鍛造、易切削，將氣閥孔水平設置，進排氣法蘭孔上下設置，進排氣法蘭孔與氣閥孔不在同一個面上，采用開式的填料端結構形式；為減小固定余隙，將缸套的閥室通道設計成腰圓孔，使得氣流阻力越小z*小；按API618附錄H，缸套材料確定，通過合適的過盈量配合設計，形成緊固的靜配合。三段式缸套結構設計方法和全貫通式缸孔，提高缸體制造的工藝性。
2）采用熱結構耦合理論，利用有限元溫度計算方程進行計算，其中熱傳遞及熱計算方程如圖14，計算不同位置處氣缸位置處的溫度，模擬了氣缸內氣體溫度及空氣散熱對氣缸的影響，以穩態熱情況對氣缸進行分析，防止高壓缸體氣閥閥窩處開裂、應力螺栓斷裂等問題確保氣缸部件的安全使用。
氣缸受到溫度場及結構應力的共同作用，在計算過程中需要將兩者的計算結果進行耦合分析，利用彈塑性熱應力方程進行求解計算（圖16、17、18、19）。
（2）缸套過盈配合應力分析技術
1）創建裝配模型，根據缸套與氣缸的過盈配合關系，確定了計算方法。在過盈應力的計算過程中，采用接觸壓應力P和摩擦應力τ對缸套過盈配合進行了計算如圖15。從壓力、過盈配合及氣體溫度等因素對氣缸的影響進行了分析，形成了高壓、帶缸套氣缸的應力分析方法，優化了氣缸結構。
2）通過熱學計算與結構應力的耦合計算，創建了缸套裝配過盈量與裝配應力的分布曲線，確定了缸套裝配過盈量范圍，形成了高壓、帶缸套氣缸的應力分析方法。結合氣缸的熱結構分析結果，對缸套與氣缸的過盈量進行參數化分析。
根據有限元分析結果，通過應力變化曲線可知，隨著過盈量的增加，氣缸內的過盈應力呈增加趨勢。受到溫度場的影響，應力曲線呈現非線性特征。
（3）新型高壓密封余隙氣缸
本機組一級氣缸配可調整余隙缸，傳統的余隙缸結構（圖20），余隙活塞與余隙缸之間的密封件是活塞環，應用于靜密封的余隙活塞上存在壓縮介質泄漏，安全性能差等問題，對一些有毒、易燃易爆氣體，可能造成安全事故。新設計的余隙缸，活塞密封元件為O型圈，從密封原理上克服了老式結構用活塞環做靜密封元件的不足，延長了密封件O型圈的使用壽命，保證了密封的可靠性；結構簡單，操作方便，使用安全可靠，調整更精確，可應用于壓縮機的每個級次的余隙調節，使得整套機組調節的經濟性可大為提高優化了高壓余隙活塞的密封方式和運動軌跡，解決了余隙氣缸易泄露和密封件易損壞的問題。創新了高壓可調余隙缸調節結構，形成了專利技術（專利一項：ZL201310040198.1）。
2.2.3形成高壓氣缸磨損控制技術
（1）缸套材料及熱處理技術
研究磨損機理和摩擦副匹配性、不同材料及熱處理工藝，通過硬度測試和磨損試驗，形成高壓缸套材料選擇及熱處理方案。
通過兩種不同材料的熱處理后，比較其材料性能，選擇高壓缸套材料（圖21）。
（2）高壓氣缸注油技術
通過對傳統的注油管連接方式研究與分析（圖22），創新設計了高壓缸套注油方式，創建了缸套外壁與氣缸內孔之間密封墊結構，保證高壓氣缸得到足夠潤滑，形成了高壓氣缸注油專有技術。
2.2.4形成長薄壁套制造工藝
研究缸套制坯成型及缸套內孔表面強化技術，設計大直徑多節小錐度芯軸工裝，形成了耐磨損長薄壁氣缸套加工制造技術。
（1）薄壁件離心鑄造裂紋控制技術
研究鑄造離心力、離心力場中液體金屬自由表面形狀、凝固補縮以及金屬液相對運動對質量的影響等，建立了鑄造時鑄型轉速、澆注溫度、澆注速度等工藝參數，形成了薄壁件離心鑄造裂紋控制技術（圖23、24、25）。
防止措施：
1）確保鑄件各處溫度均勻。鑄型預熱時應力求均勻；涂料噴涂要特別注意各處均勻；澆口位置要適當，防止局部過熱等。
2）轉速不能過高、澆注溫度也不能過高。
（2）薄壁套形變綜合控制工藝
1）進行材料熱處理工藝對比試驗，形成了缸套表面處理工藝技術。 2）開展工件裝夾、加工應力控制、關鍵工序工藝及工裝控制等研究，形成了薄壁件制造工藝技術（圖26）。
設計工件一次裝夾，實現外圓集成加工，提高了加工面的粗糙度、圓柱度以及與內孔的同軸度；采用金屬陶瓷刀片進行加工，提高了刀具耐磨性，保持缸套尺寸穩定，并滿足粗糙度要求 外圓的z*終加工采用在磨床上磨削的方式加工，為保證同軸度，設計制造以內孔定位的專用大直徑多節小錐度芯軸工裝。
（3）非對稱氣缸缸套變形控制技術
1）建立非對稱氣缸缸套裝配數學模型，研究內孔收縮系數；
2）運用ABAQUS建立裝配熱力計算模型，對裝配進行仿真計算，實現過盈裝配收縮特征的驗證。
公式中，E1、E2分別為缸套與氣缸的彈性模量；
μ1、μ2分別為缸套與氣缸的泊松比；
i1、i2分別為缸套和氣缸的壁厚系數。
I1=rc/ra
i2=rb/rc
ra、rb、rc分別為為缸套內半徑在、氣缸外半徑、缸套與氣缸配合半徑。
3）研究冷、熱裝配技術，通過對比試驗，建立了一套用溫差法進行裝配變形控制的裝配技術（圖27、28、29）。
2.2.5壓縮機運行效果分析
研制出的4RDSA-2/1500壓縮機實現了低能耗（表8）、低噪音（表9）、低振動（表10）性能要求，優于進口機組性能。
2.4主要創新點
?。?）高壓氣缸結構設計技術
?。?）直線型氣缸余隙調節結構
?。?）高壓高精度氣液分離技術
（4）高壓氣缸注油結構
3 成果應用及其經濟社會效益
4RDSA-2/1500天然氣壓縮機的研制項目于2010年10月正式啟動，截止2016年4月，4RDSA-2/1500機組在中原文96儲氣庫安全穩定運行超過7000h，儲氣量約2.1億方天然氣。機組性能良好，達到國際先進水平，滿足中原文96儲氣庫正常的運行要求（圖30）。
核心裝備及單元技術應用：
1）高壓注油結構：高壓注油器結構以應用于眾多高壓壓縮機項目中，其特殊的結構性能適用于各種高壓氣缸，注油效果良好，方便磨損缸套的更換，該技術已在元壩項目、華北大牛地項目、文72項目得到充分應用。
2）直線型氣缸余隙調節結構：直線型氣缸余隙調節結構不僅滿足性能要求，而且操作方便，特別適用于調節排量壓縮機項目，如中原文72注氣項目、元壩項目。
3）長薄壁缸套制造技術：該技術應用在近幾年的項目中應用成直線式增長，特別是大排量的機組，解決氣缸磨損的難題，已在華北大牛地項目 、新疆和田河項目 、元壩項目得到應用（圖31）。
3.4 成果應用所取得的直接經濟效益和社會效益
1.經濟效益
4RDSA-2/1500儲氣庫壓縮機的成功研制，使儲氣庫壓縮機投資方面相比進口同工況機組節約成本52%。提升了國產化增壓裝備市場競爭力，將有力促進我國天然氣工業的發展。
2.社會效益
掌握高壓大排量儲氣庫壓縮機設計制造技術，打破國外壟斷，實現了我國儲氣庫壓縮機的自主研發和產業化能力，為保障國家能源安全，發揮了技術裝備支撐作用。
<連載完>
來源：中石化石油機械股份有限公司壓縮機分公司
2.2.2形成了高壓氣缸設計方法
采用鍛造高壓大缸徑氣缸鑲缸套結構，通過氣缸應力仿真分析，形成壓縮機缸套設計范規，創新設計了可調余隙缸結構，形成高壓氣缸部件設計方法。
（1）高壓氣缸結構設計技術
1）按API STD 618第五版《石油、化學及天然氣工業用往復式壓縮機》第6.15.2.1條，當工作壓力達18MPa以上時，氣缸的材料就應為鍛鋼，經分析選用，該鋼的優點是塑性好、易鍛造、易切削，將氣閥孔水平設置，進排氣法蘭孔上下設置，進排氣法蘭孔與氣閥孔不在同一個面上，采用開式的填料端結構形式；為減小固定余隙，將缸套的閥室通道設計成腰圓孔，使得氣流阻力越小z*小；按API618附錄H，缸套材料確定，通過合適的過盈量配合設計，形成緊固的靜配合。三段式缸套結構設計方法和全貫通式缸孔，提高缸體制造的工藝性。
2）采用熱結構耦合理論，利用有限元溫度計算方程進行計算，其中熱傳遞及熱計算方程如圖14，計算不同位置處氣缸位置處的溫度，模擬了氣缸內氣體溫度及空氣散熱對氣缸的影響，以穩態熱情況對氣缸進行分析，防止高壓缸體氣閥閥窩處開裂、應力螺栓斷裂等問題確保氣缸部件的安全使用。
氣缸受到溫度場及結構應力的共同作用，在計算過程中需要將兩者的計算結果進行耦合分析，利用彈塑性熱應力方程進行求解計算（圖16、17、18、19）。
（2）缸套過盈配合應力分析技術
1）創建裝配模型，根據缸套與氣缸的過盈配合關系，確定了計算方法。在過盈應力的計算過程中，采用接觸壓應力P和摩擦應力τ對缸套過盈配合進行了計算如圖15。從壓力、過盈配合及氣體溫度等因素對氣缸的影響進行了分析，形成了高壓、帶缸套氣缸的應力分析方法，優化了氣缸結構。
2）通過熱學計算與結構應力的耦合計算，創建了缸套裝配過盈量與裝配應力的分布曲線，確定了缸套裝配過盈量范圍，形成了高壓、帶缸套氣缸的應力分析方法。結合氣缸的熱結構分析結果，對缸套與氣缸的過盈量進行參數化分析。
根據有限元分析結果，通過應力變化曲線可知，隨著過盈量的增加，氣缸內的過盈應力呈增加趨勢。受到溫度場的影響，應力曲線呈現非線性特征。
（3）新型高壓密封余隙氣缸
本機組一級氣缸配可調整余隙缸，傳統的余隙缸結構（圖20），余隙活塞與余隙缸之間的密封件是活塞環，應用于靜密封的余隙活塞上存在壓縮介質泄漏，安全性能差等問題，對一些有毒、易燃易爆氣體，可能造成安全事故。新設計的余隙缸，活塞密封元件為O型圈，從密封原理上克服了老式結構用活塞環做靜密封元件的不足，延長了密封件O型圈的使用壽命，保證了密封的可靠性；結構簡單，操作方便，使用安全可靠，調整更精確，可應用于壓縮機的每個級次的余隙調節，使得整套機組調節的經濟性可大為提高優化了高壓余隙活塞的密封方式和運動軌跡，解決了余隙氣缸易泄露和密封件易損壞的問題。創新了高壓可調余隙缸調節結構，形成了專利技術（專利一項：ZL201310040198.1）。
2.2.3形成高壓氣缸磨損控制技術
（1）缸套材料及熱處理技術
研究磨損機理和摩擦副匹配性、不同材料及熱處理工藝，通過硬度測試和磨損試驗，形成高壓缸套材料選擇及熱處理方案。
通過兩種不同材料的熱處理后，比較其材料性能，選擇高壓缸套材料（圖21）。
（2）高壓氣缸注油技術
通過對傳統的注油管連接方式研究與分析（圖22），創新設計了高壓缸套注油方式，創建了缸套外壁與氣缸內孔之間密封墊結構，保證高壓氣缸得到足夠潤滑，形成了高壓氣缸注油專有技術。
2.2.4形成長薄壁套制造工藝
研究缸套制坯成型及缸套內孔表面強化技術，設計大直徑多節小錐度芯軸工裝，形成了耐磨損長薄壁氣缸套加工制造技術。
（1）薄壁件離心鑄造裂紋控制技術
研究鑄造離心力、離心力場中液體金屬自由表面形狀、凝固補縮以及金屬液相對運動對質量的影響等，建立了鑄造時鑄型轉速、澆注溫度、澆注速度等工藝參數，形成了薄壁件離心鑄造裂紋控制技術（圖23、24、25）。
防止措施：
1）確保鑄件各處溫度均勻。鑄型預熱時應力求均勻；涂料噴涂要特別注意各處均勻；澆口位置要適當，防止局部過熱等。
2）轉速不能過高、澆注溫度也不能過高。
（2）薄壁套形變綜合控制工藝
1）進行材料熱處理工藝對比試驗，形成了缸套表面處理工藝技術。 2）開展工件裝夾、加工應力控制、關鍵工序工藝及工裝控制等研究，形成了薄壁件制造工藝技術（圖26）。
設計工件一次裝夾，實現外圓集成加工，提高了加工面的粗糙度、圓柱度以及與內孔的同軸度；采用金屬陶瓷刀片進行加工，提高了刀具耐磨性，保持缸套尺寸穩定，并滿足粗糙度要求 外圓的z*終加工采用在磨床上磨削的方式加工，為保證同軸度，設計制造以內孔定位的專用大直徑多節小錐度芯軸工裝。
（3）非對稱氣缸缸套變形控制技術
1）建立非對稱氣缸缸套裝配數學模型，研究內孔收縮系數；
2）運用ABAQUS建立裝配熱力計算模型，對裝配進行仿真計算，實現過盈裝配收縮特征的驗證。
公式中，E1、E2分別為缸套與氣缸的彈性模量；
μ1、μ2分別為缸套與氣缸的泊松比；
i1、i2分別為缸套和氣缸的壁厚系數。
I1=rc/ra
i2=rb/rc
ra、rb、rc分別為為缸套內半徑在、氣缸外半徑、缸套與氣缸配合半徑。
3）研究冷、熱裝配技術，通過對比試驗，建立了一套用溫差法進行裝配變形控制的裝配技術（圖27、28、29）。
2.2.5壓縮機運行效果分析
研制出的4RDSA-2/1500壓縮機實現了低能耗（表8）、低噪音（表9）、低振動（表10）性能要求，優于進口機組性能。
2.4主要創新點
?。?）高壓氣缸結構設計技術
?。?）直線型氣缸余隙調節結構
?。?）高壓高精度氣液分離技術
（4）高壓氣缸注油結構
3 成果應用及其經濟社會效益
4RDSA-2/1500天然氣壓縮機的研制項目于2010年10月正式啟動，截止2016年4月，4RDSA-2/1500機組在中原文96儲氣庫安全穩定運行超過7000h，儲氣量約2.1億方天然氣。機組性能良好，達到國際先進水平，滿足中原文96儲氣庫正常的運行要求（圖30）。
核心裝備及單元技術應用：
1）高壓注油結構：高壓注油器結構以應用于眾多高壓壓縮機項目中，其特殊的結構性能適用于各種高壓氣缸，注油效果良好，方便磨損缸套的更換，該技術已在元壩項目、華北大牛地項目、文72項目得到充分應用。
2）直線型氣缸余隙調節結構：直線型氣缸余隙調節結構不僅滿足性能要求，而且操作方便，特別適用于調節排量壓縮機項目，如中原文72注氣項目、元壩項目。
3）長薄壁缸套制造技術：該技術應用在近幾年的項目中應用成直線式增長，特別是大排量的機組，解決氣缸磨損的難題，已在華北大牛地項目 、新疆和田河項目 、元壩項目得到應用（圖31）。
3.4 成果應用所取得的直接經濟效益和社會效益
1.經濟效益
4RDSA-2/1500儲氣庫壓縮機的成功研制，使儲氣庫壓縮機投資方面相比進口同工況機組節約成本52%。提升了國產化增壓裝備市場競爭力，將有力促進我國天然氣工業的發展。
2.社會效益
掌握高壓大排量儲氣庫壓縮機設計制造技術，打破國外壟斷，實現了我國儲氣庫壓縮機的自主研發和產業化能力，為保障國家能源安全，發揮了技術裝備支撐作用。
<連載完>
來源：中石化石油機械股份有限公司壓縮機分公司
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