氨氣壓縮機(jī)干氣密封故障原因分析及改進(jìn)措施

(中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600)

中海石油化學(xué)股份有限公司化肥二部為設(shè)計(jì)年產(chǎn)450 kt合成氨、800 kt尿素裝置，合成氨裝置采用KBR(凱洛格布朗)工藝。其中，氨氣壓縮機(jī)是合成氨裝置的重要設(shè)備，由日本三菱公司制造，為高壓蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)兩端外部密封采用JHON CRANE(約翰克蘭)串聯(lián)式干氣密封，利用壓縮機(jī)出口氨氣作為密封氣。

1 故障現(xiàn)象

2012年4月氨氣壓縮機(jī)檢修時(shí)，更換了兩端干氣密封。4月27日，氨氣壓縮機(jī)檢修后開(kāi)車(chē)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至最低控制轉(zhuǎn)速7 260 r/min時(shí)，驅(qū)動(dòng)側(cè)一級(jí)放空流量(正常值為0.2 m3/h)指示從0上漲到2.5 m3/h，現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)打滿(mǎn)。由于一級(jí)放空采取的是就地排放，在現(xiàn)場(chǎng)框架偶爾會(huì)聞到氨味。6月6日，為了減少就地排放，將驅(qū)動(dòng)側(cè)一級(jí)放空導(dǎo)至氨放空總管進(jìn)行排放，現(xiàn)場(chǎng)氨污染有所減少，但是偶爾還能聞到氨味，判斷為驅(qū)動(dòng)側(cè)二級(jí)放空泄漏的氨氣。由以上現(xiàn)象我們判斷，氨氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)干氣密封一級(jí)密封損壞；二級(jí)密封泄漏量增大，也可能已損壞。

2012年7月4日，裝置停車(chē)后，氨氣壓縮機(jī)安全閥PRV105J下線檢修，切斷壓縮機(jī)進(jìn)出口切斷閥，關(guān)閉來(lái)自149D(氨受槽)的高壓密封氣。7月8日班組在進(jìn)行氮?dú)庵脫Q時(shí)，發(fā)現(xiàn)缸體壓力下降很快，基本上無(wú)法保壓。

2012年7月17日，氨氣壓縮機(jī)開(kāi)車(chē)正常后，驅(qū)動(dòng)側(cè)一級(jí)放空仍然打滿(mǎn)，但測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)二級(jí)放空管線外側(cè)溫度時(shí)，發(fā)現(xiàn)溫度很高，達(dá)到60 ℃以上(正常時(shí)為環(huán)境溫度)；而且現(xiàn)場(chǎng)框架的氨味比較大，足以證明干氣密封泄漏量在增加。

2 停機(jī)拆檢情況

2012年10月18日裝置停車(chē)檢修，對(duì)氨氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)密封件進(jìn)行了拆檢，同時(shí)對(duì)干氣密封濾芯進(jìn)行了拆檢、更換。拆檢情況如下。

2.1 氨氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)干氣密封拆檢

在拆除驅(qū)動(dòng)側(cè)后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部已經(jīng)完全損壞，內(nèi)件在干氣密封腔體內(nèi)晃動(dòng)，相關(guān)彈簧全部失效，呈報(bào)廢性損壞，外腔有大量的碳環(huán)磨損的粉塵，在存在油污的情況下呈泥狀；干氣密封鎖緊螺母拆除時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有較多的油，該部位的O形圈因干氣密封大量泄漏及高溫條件下運(yùn)行導(dǎo)致老化；驅(qū)動(dòng)側(cè)徑向軸承拆除時(shí)發(fā)現(xiàn)有較嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，并有磨損現(xiàn)象，回裝時(shí)更換了新備件。

2.2 干氣密封濾芯拆檢

本次檢修更換了干氣密封濾芯。拆檢濾芯時(shí)發(fā)現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)投用的濾芯局部有鼓包；而投用濾芯及備用濾芯都被污染(正常投用的濾芯為白色)。

3 故障原因分析

干氣密封作為一種新型的密封，已經(jīng)逐步取代浮環(huán)密封應(yīng)用于大型的離心式壓縮機(jī)組上。以其簡(jiǎn)單實(shí)用的系統(tǒng)配置、良好的密封性能贏得了廣大用戶(hù)的歡迎，而且維護(hù)方便[1]。用于氨氣壓縮機(jī)上的干氣密封屬于串聯(lián)式干氣密封，密封面采用螺旋槽式，密封氣采用壓縮機(jī)出口的氨氣，此種結(jié)構(gòu)的干氣密封有其自身的特點(diǎn)，但也有局限性，其故障特點(diǎn)具有所有干氣密封的共性也有其獨(dú)特性。經(jīng)分析，氨氣壓縮機(jī)干氣密封出現(xiàn)運(yùn)行失效故障可能有以下幾個(gè)方面的原因。

3.1 干氣密封件進(jìn)油

干氣密封系統(tǒng)包括三部分，即密封氣過(guò)濾單元、干氣密封泄漏監(jiān)測(cè)單元、密封隔離氣單元。其中，密封隔離氣單元的作用是，通過(guò)注入低壓氮?dú)饣騼x表空氣，將干氣密封與軸承潤(rùn)滑油隔離，防止干氣密封受潤(rùn)滑油的污染；同時(shí)，隔離氣可將二級(jí)密封泄漏出的微量工藝氣體帶走排空[2]。如果在正常運(yùn)行中隔離氣中斷或者在開(kāi)車(chē)過(guò)程中隔離氣投用滯后，會(huì)造成干氣密封進(jìn)油，引起密封面動(dòng)、靜環(huán)的粘合，密封面上不能形成要求厚度的剛性氣膜從而阻止機(jī)內(nèi)介質(zhì)外泄，造成密封失效。2012年4月18日檢修后隔離氣投用在潤(rùn)滑油壓力建立之前，不會(huì)出現(xiàn)由于隔離氣未投用導(dǎo)致干氣密封進(jìn)油，從而損壞干氣密封。

另外，如果進(jìn)入密封件的密封氣帶油，也會(huì)造成干氣密封件進(jìn)油，引起密封面動(dòng)靜環(huán)的粘合。從當(dāng)時(shí)的液氨分析報(bào)告來(lái)看，液氨中氨含量達(dá)到99.99%，油含量只有2.06 mg/kg，微量的油短時(shí)間內(nèi)是不可能造成干氣密封面帶油的。況且非驅(qū)動(dòng)側(cè)干氣密封采用同一根管線同一種密封氨氣，運(yùn)行時(shí)并未出問(wèn)題。

還有一種情況，如果氨氣壓縮機(jī)停車(chē)時(shí)，隔離氣先停而潤(rùn)滑油后停，會(huì)造成密封件進(jìn)油。而本次氨氣壓縮機(jī)缸體大修，兩端干氣密封為整體更換，因此不存在隔離氣先停潤(rùn)滑油后停而造成干氣密封帶油的可能。

最后一種情況，密封隔離氣單元供氣正常，但是靠近二級(jí)密封的梳齒密封無(wú)法進(jìn)行有效密封，造成潤(rùn)滑油向干氣密封泄漏，潤(rùn)滑油由軸承腔沿軸表面向隔離密封內(nèi)自然流動(dòng)， 即“爬油”現(xiàn)象[3]。而氨氣壓縮機(jī)隔離氣氣封只有1道梳齒，密封效果有限，要經(jīng)常對(duì)二級(jí)密封導(dǎo)淋進(jìn)行排油，以確保所漏潤(rùn)滑油能夠及時(shí)排出。

3.2 固體雜質(zhì)進(jìn)入干氣密封件

干氣密封在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 動(dòng)靜環(huán)間的氣膜層一般只有3～10 μm， 如有異物或液體進(jìn)入密封間隙， 會(huì)引起密封面損傷，表現(xiàn)為因摩擦使氣膜升溫， 引起工藝氣體結(jié)焦或聚合， 積聚填滿(mǎn)槽體， 以致不能形成密封的氣膜， 從而使密封面由非接觸變?yōu)榻佑|， 產(chǎn)生干摩擦而發(fā)出強(qiáng)噪聲。因此在干氣密封中， 氣體需經(jīng)過(guò)一組濾芯， 其過(guò)濾精度一般需在3 μm以下；當(dāng)氣體含濕量大時(shí)， 還需設(shè)置干燥濾芯， 以保證密封氣體的干燥和潔凈[4]。

固體雜質(zhì)進(jìn)入干氣密封有三種可能：一種是干氣密封濾芯故障或者過(guò)濾精度較低，造成不干凈的密封氣帶入固體雜質(zhì)；另一種可能是，濾芯后面的管線在檢修時(shí)，由于拆卸后保護(hù)不當(dāng)，或安裝時(shí)帶入了固體雜質(zhì)；第三種可能是，密封氣流量或者壓力不足時(shí)，密封氣難以阻止壓縮機(jī)缸體工藝氣向密封件流動(dòng)，造成較臟的工藝氣和密封面的直接接觸[5]。

從2008年2月到2012年9月，干氣密封濾芯壓差正常運(yùn)行時(shí)基本維持在20 kPa(G)左右，機(jī)組停機(jī)時(shí)最高為35 kPa(G)，濾芯壓差在正常范圍內(nèi)。但是，由于該期間一直沒(méi)有對(duì)干氣密封濾芯進(jìn)行更換維護(hù)，濾芯長(zhǎng)期運(yùn)行存在失效的可能，有可能導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入密封件而濾芯壓差未上漲的假象。另外，本次檢修時(shí)對(duì)干氣密封與缸體連接的進(jìn)氣管線進(jìn)行了拆卸，而回裝時(shí)也并未進(jìn)行吹掃或有其他特殊要求，因而管線內(nèi)部有存在固體介質(zhì)的可能性。此外，氨氣壓縮機(jī)開(kāi)車(chē)時(shí)，先進(jìn)行缸體充壓，開(kāi)車(chē)前再投用密封氣，也有可能出現(xiàn)工藝氣流進(jìn)密封件，從而造成污染。

3.3 液態(tài)氨或者水進(jìn)入干氣密封件

液體對(duì)干氣密封的損害如同油對(duì)干氣密封的損害一樣，都會(huì)造成干氣密封所要求的剛性氣膜無(wú)法形成。氨氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)密封氣是從壓縮機(jī)出口過(guò)來(lái)的15 kgf/cm2、100 ℃的氣氨，不可能產(chǎn)生液氨而進(jìn)入干氣密封件。但在停車(chē)尤其是檢修停車(chē)時(shí)，如果來(lái)自出口的氣氨壓力降低，氣氨的冷凝溫度會(huì)升高，在環(huán)境溫度降低時(shí)氣氨會(huì)形成液氨，因此，開(kāi)車(chē)之前管線內(nèi)積蓄著液氨是完全可能的。

另外，若密封隔離氣帶水，而干氣密封的二級(jí)導(dǎo)淋又未排水或排水不及時(shí)，極易將水帶入二級(jí)密封，隨著時(shí)間的推移，這些水會(huì)進(jìn)入一級(jí)密封，從而徹底損壞干氣密封。

還有一種情況，氨氣壓縮機(jī)停車(chē)后，按照操作規(guī)程的要求，需要切斷密封氣；隨著環(huán)境溫度的降低，密封管線內(nèi)和干氣密封件內(nèi)的氣氨會(huì)冷凝，如果開(kāi)車(chē)時(shí)未及時(shí)排氨，會(huì)造成干氣密封件內(nèi)帶液氨。

3.4 螺旋槽錯(cuò)誤安裝導(dǎo)致干氣密封件損壞

當(dāng)兩個(gè)密封的端面尺寸一致時(shí)，往往由于安裝錯(cuò)誤，易將兩端的密封裝反。對(duì)于單向運(yùn)轉(zhuǎn)的干氣密封，密封裝反就意味著密封相對(duì)于原設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)了，這樣就不能使旋轉(zhuǎn)的密封面內(nèi)形成有效的氣膜，造成密封干摩擦燒損，這是安裝錯(cuò)誤造成密封失效的一種形式[5]。目前常見(jiàn)的單向密封面有弧形槽、螺旋槽、人字形槽，雙向密封面有矩形槽、T形槽、燕尾形槽，氨氣壓縮機(jī)上使用的是螺旋槽，屬單向密封面，如果裝反了，會(huì)造成干氣密封無(wú)法形成剛性氣膜，從而瞬間損壞。而氨氣壓縮機(jī)從開(kāi)始開(kāi)車(chē)到最低控制轉(zhuǎn)速需要70 min左右，因此，本次故障不會(huì)是螺旋槽的安裝出現(xiàn)問(wèn)題，而且約翰克蘭型干氣密封都需要派使用單位人員參與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以確認(rèn)檢修效果。

3.5 干氣密封安裝失誤導(dǎo)致密封件損壞

干氣密封的現(xiàn)場(chǎng)安裝也是至關(guān)重要的，而且其安裝有著一套嚴(yán)格的程序?，F(xiàn)場(chǎng)安裝尤其需要注意三個(gè)方面：首先，確保密封件上所示的旋轉(zhuǎn)方向與安裝端的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向一致；其次，確認(rèn)密封端面垂直于軸，以避免卡位；最后，轉(zhuǎn)子必須有效地鎖定在軸上，所有鎖緊裝置必須完全上緊，過(guò)大的軸向位移會(huì)損壞密封[5]。2013年3月份天津約翰克蘭人員對(duì)氨氣壓縮機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)后，據(jù)損壞干氣密封的拆檢報(bào)告認(rèn)為：氨氣壓縮機(jī)干氣密封損壞的最大可能是密封靜環(huán)發(fā)生卡滯造成。靜環(huán)卡滯原因可能是在安裝時(shí)沒(méi)有活動(dòng)密封；由于庫(kù)存時(shí)間較長(zhǎng)，靜環(huán)卡滯在集裝位置上，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高，出入口壓差增大，轉(zhuǎn)子向入口低壓側(cè)移動(dòng)，密封動(dòng)靜環(huán)脫離，從而發(fā)生泄漏。

3.6 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，2012年4月氨氣壓縮機(jī)檢修后干氣密封損壞的可能原因主要有以下幾個(gè)方面：第一，有固體雜質(zhì)進(jìn)入干氣密封件——可能是濾芯失效或者檢修拆卸、安裝時(shí)造成的；第二，有液氨或者水進(jìn)入干氣密封件——可能是氣氨冷凝，或者是密封隔離氣帶入；第三，密封件現(xiàn)場(chǎng)安裝存在問(wèn)題——安裝時(shí)沒(méi)有活動(dòng)密封，導(dǎo)致靜環(huán)卡滯。

4 改進(jìn)措施

4.1 加強(qiáng)干氣密封的日常維護(hù)

首先，需要加強(qiáng)對(duì)干氣密封濾芯的維護(hù)。據(jù)本次事故修改操作規(guī)程，規(guī)范干氣密封濾芯更換頻率、設(shè)定更換壓差數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。以前堅(jiān)持以濾芯壓差超標(biāo)為更換標(biāo)準(zhǔn)不太合適，將采用每半年更換一次或利用停車(chē)機(jī)會(huì)進(jìn)行濾芯檢查；若出現(xiàn)濾芯壓差高現(xiàn)象，及時(shí)切換濾芯并進(jìn)行更換。

其次，加強(qiáng)對(duì)干氣密封運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控。由于在HMI上沒(méi)有干氣密封進(jìn)氣參數(shù)監(jiān)控，因此要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的巡檢，及時(shí)關(guān)注濾芯壓差的變化，同時(shí)要對(duì)密封隔離氣的變化情況進(jìn)行分析。

再次，加強(qiáng)對(duì)干氣密封兩級(jí)導(dǎo)淋的排液。干氣密封一、二級(jí)導(dǎo)淋積液，都會(huì)使干氣密封面帶液，造成密封氣膜剛度減弱，影響干氣密封的穩(wěn)定運(yùn)行。目前采取的是每周排放1次，但是這并不安全，下一步會(huì)繼續(xù)改進(jìn)排放方式。

4.2 加強(qiáng)干氣密封的停開(kāi)車(chē)工藝管理

干氣密封的停開(kāi)車(chē)工藝管理需要加強(qiáng)，它關(guān)系到干氣密封的使用壽命。停車(chē)時(shí)需要間隔一段時(shí)間對(duì)密封氣入口管線進(jìn)行排液，在切密封隔離氣時(shí)，要先停下油系統(tǒng)，油系統(tǒng)停下后必須保持密封隔離氣吹掃半個(gè)小時(shí)以上。開(kāi)車(chē)尤其是檢修后開(kāi)車(chē)之前，一定要對(duì)干氣密封進(jìn)出口管線進(jìn)行排液，確保冷凝液氨排放干凈。但這些措施并不完全安全，徹底解決這些問(wèn)題需要給干氣密封入口管線增加伴熱，確保入口管線中無(wú)論何時(shí)都是氣氨介質(zhì)，而且這樣也能保證停車(chē)時(shí)繼續(xù)投用密封氣，避免缸體內(nèi)高壓氣體進(jìn)入密封件而造成污染。

4.3 加強(qiáng)干氣密封的檢維修管理

檢修也是可能造成干氣密封污染的原因之一，因此要格外重視。檢修時(shí)需要拆卸干氣密封管線，而這些管線如果保護(hù)不好、安裝不當(dāng)，會(huì)造成干氣密封被污染，從而損壞干氣密封。目前采用的方式是，檢修時(shí)對(duì)拆下的管線進(jìn)行封頭，安裝之前用氮?dú)膺M(jìn)行整體吹掃，然后在工藝人員的配合下由保運(yùn)部進(jìn)行最后安裝。安裝前需要填寫(xiě)質(zhì)量確認(rèn)卡，由相關(guān)人員進(jìn)行簽字確認(rèn)。

4.4 加強(qiáng)干氣密封修復(fù)件的質(zhì)量及安裝管理

干氣密封的修復(fù)，一般要求由專(zhuān)業(yè)廠家進(jìn)行修復(fù)，有著嚴(yán)格的檢修程序及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，檢修好的干氣密封需要進(jìn)行試漏實(shí)驗(yàn)并打開(kāi)檢查。目前我公司對(duì)于重要的干氣密封修復(fù)件都會(huì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查驗(yàn)收，一般由保運(yùn)部組織使用部門(mén)配合進(jìn)行聯(lián)合驗(yàn)收。

對(duì)于干氣密封的現(xiàn)場(chǎng)安裝，公司保運(yùn)部制定了安裝規(guī)范，并對(duì)施工人員進(jìn)行培訓(xùn)，而且制訂了安裝質(zhì)量驗(yàn)收卡，確保安裝萬(wàn)無(wú)一失。

5 結(jié) 語(yǔ)

古語(yǔ)云：吃一塹，長(zhǎng)一智。干氣密封在運(yùn)行中難免會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的故障，但只要我們本著實(shí)事求是的精神，查找出原因，提出有針對(duì)性的改進(jìn)措施，就一定能夠使用好干氣密封。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)后，目前氨氣壓縮機(jī)干氣密封運(yùn)行狀況良好。

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