西氣東輸GE壓縮機(jī)干氣密封失效分析及改造

仝 雷，郝福君，徐慶磊，劉少山，安云鵬，張 健

1.中國石油管道局工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油長(zhǎng)慶油田分公司安全環(huán)保監(jiān)督部烏審旗監(jiān)督站，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300

3.石油天然氣工程質(zhì)量監(jiān)督總站，河北廊坊 065000

西氣東輸GE壓縮機(jī)干氣密封失效分析及改造

仝 雷1，郝福君2，徐慶磊1，劉少山1，安云鵬1，張 健3

1.中國石油管道局工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油長(zhǎng)慶油田分公司安全環(huán)保監(jiān)督部烏審旗監(jiān)督站，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300

3.石油天然氣工程質(zhì)量監(jiān)督總站，河北廊坊 065000

西氣東輸一期干線管道酒泉、嘉峪關(guān)壓氣站GE壓縮機(jī)先后發(fā)生了干氣密封失效事故，導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)。針對(duì)干氣密封損壞情況，在分析了GE壓縮機(jī)干氣密封基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行干氣密封失效分析，指出了原因，并提出了改造方案：在不改變?cè)懈蓺饷芊鈾C(jī)械部分的前提下，采用氮?dú)庾鳛槎?jí)密封及隔離氣氣源；通過增設(shè)密封氣前置過濾器、加熱器，改進(jìn)二級(jí)密封和隔離氣供氣系統(tǒng)，獨(dú)立設(shè)置二級(jí)密封放空，增設(shè)二級(jí)放空監(jiān)控系統(tǒng)，有效提高了干氣密封、壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性，消除了壓縮機(jī)干氣密封失效的安全隱患。

GE壓縮機(jī)；干氣密封；失效；密封改造；氮?dú)舛?jí)密封

西氣東輸管道起于新疆輪南，止于上海市，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，干線管徑1 016 mm，一期干線管道全線設(shè)有22個(gè)壓氣站，其中12個(gè)站使用GE壓縮機(jī)。GE壓縮機(jī)的軸端密封均采用了干氣密封。干氣密封組件采用無級(jí)間密封的兩級(jí)串聯(lián)式干氣密封。2013年酒泉壓氣站、嘉峪關(guān)壓氣站先后發(fā)生了干氣密封失效事故，導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)，并造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。通過對(duì)GE機(jī)組干氣密封失效分析，找出失效的原因，提出了改造方案。

1 GE壓縮機(jī)干氣密封工作原理

干氣密封機(jī)構(gòu)、原理示意如圖1所示。密封氣采用壓縮機(jī)本體出口天然氣作為密封介質(zhì)，隔離氣采用壓縮空氣。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)示意

第一級(jí)密封起主導(dǎo)作用，承擔(dān)密封全部過程壓力，第二級(jí)密封作為第一級(jí)密封的備用安全措施，允許第一級(jí)密封泄漏進(jìn)入第二級(jí)，作為二級(jí)密封的工作氣源。密封氣進(jìn)入干氣密封腔體后，密封氣壓力高于壓縮機(jī)殼體內(nèi)工藝氣壓力，絕大部分氣體通過機(jī)械密封后進(jìn)入管道壓縮機(jī)殼體內(nèi)側(cè)，從而阻隔內(nèi)側(cè)氣體向外泄漏，小部分氣體通過一級(jí)干氣密封動(dòng)靜環(huán)形成氣膜后泄漏到一級(jí)放空，更少部分的氣體繼續(xù)通過二級(jí)干氣密封動(dòng)靜環(huán)形成氣膜后泄漏到二級(jí)放空。二級(jí)放空主要放空外側(cè)隔離氣經(jīng)過機(jī)械密封后的氣體。隔離氣主要是阻止外側(cè)軸承里潤(rùn)滑油向內(nèi)側(cè)滲漏，從而保護(hù)干氣密封不受潤(rùn)滑油的污染[5]。

1.1 干氣密封參數(shù)

一級(jí)密封壓力為6.95～8.71 MPa，二級(jí)密封壓力（一級(jí)放空背壓）為0.2～0.4 MPa，二級(jí)放空壓力0.1 MPa，隔離密封壓力0.5～0.6 MPa；一級(jí)放空流量6～13 Nm3/h，二級(jí)放空天然氣流量0.1～1 Nm3/h，二級(jí)放空空氣流量50～180 Nm3/h。

1.2 干氣密封系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

一級(jí)放空系統(tǒng)檢測(cè)儀表及設(shè)備的設(shè)置見表1，二級(jí)放空系統(tǒng)未設(shè)置任何檢測(cè)儀表或壓力控制設(shè)備。

表1 一級(jí)放空系統(tǒng)檢測(cè)儀表及設(shè)備設(shè)置表

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 干氣密封損壞的情況

2012-2016年，酒泉壓氣站、嘉峪關(guān)壓氣站等壓縮機(jī)組干氣密封嚴(yán)重失效，將壓縮機(jī)干氣密封解體后，發(fā)現(xiàn)有下列嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象：

（1）軸套表面與梳齒發(fā)生摩擦造成磨損。

（2）靜環(huán)、動(dòng)環(huán)破損。

（3）一級(jí)放空排氣孔有類似鋁的熔融凝固物及黑色顆粒堵塞。

（4）干氣密封腔體、隔離密封腔有大量類似熔融物的黑色碎屑。

2.2 干氣密封失效分析

通過對(duì)干氣密封系統(tǒng)組成及功能、檢測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)行情況的研究，結(jié)合2012-2015年4次返廠送修的57套干氣密封的檢修情況，對(duì)現(xiàn)役壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)的失效分析如下：

（1）干氣密封氣存在雜質(zhì)。干氣密封氣存在雜質(zhì)是導(dǎo)致干氣密封失效的原因之一。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間的螺旋槽深度約3～4 μ m，雜質(zhì)（固體小顆粒、水蒸汽、潤(rùn)滑油霧、凝析液污等）進(jìn)入狹窄的螺旋槽，使動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間剪應(yīng)力升高，密封部件過熱，最終導(dǎo)致動(dòng)環(huán)、靜環(huán)磨損嚴(yán)重，干氣密封失效。干氣密封雜質(zhì)的來源主要有三個(gè)：

其一，密封氣氣源。投產(chǎn)初期，密封氣含有較多的水、固體顆粒，投產(chǎn)后，密封氣管路為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，拐彎較多，容易引起壓降，密封氣含有冷凝液[6]。

其二，軸承潤(rùn)滑油（密封的外側(cè)）。干氣密封外側(cè)需要隔離密封，隔離密封位于干氣密封和壓縮機(jī)軸承座區(qū)域之間，隔離密封氣源為壓縮空氣，主要作用是阻止軸承潤(rùn)滑油或者油霧進(jìn)入干氣密封，由于隔離密封氣進(jìn)氣流速較高，有極小部分潤(rùn)滑油進(jìn)入干氣密封。

其三，工藝氣（密封的內(nèi)側(cè)或高壓側(cè)）。當(dāng)密封氣供給壓力過高，工藝氣通過內(nèi)側(cè)迷宮密封泄漏，直接接觸密封面，存在于工藝氣中的雜質(zhì)破壞了干氣密封。

（2）二級(jí)密封無獨(dú)立供氣源。二級(jí)密封的氣源為一級(jí)密封的泄漏氣體，二級(jí)密封正常工作需要穩(wěn)定的壓力、流量來建立氣模。在壓縮機(jī)處于啟動(dòng)、停車及異常工況時(shí)，二級(jí)密封無法形成足夠的背壓及緩沖壓力，這樣二級(jí)密封將會(huì)在過小的壓差下工作，降低了其運(yùn)行的可靠性。正常工況下，二級(jí)密封端面會(huì)有微量的天然氣泄漏，與隔離氣混合后泄漏至二級(jí)放空管道放空（放空氣體為天然氣與空氣的混合氣體）；事故工況下，二級(jí)密封放空混合氣體中天然氣含量上升，達(dá)到爆炸極限，存在一定的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

（3）二級(jí)密封驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端采用一根匯管放空，二級(jí)放空無監(jiān)測(cè)裝置。在壓縮機(jī)一端（驅(qū)動(dòng)端或者非驅(qū)動(dòng)端）二級(jí)密封出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，大量氣體會(huì)通過二級(jí)放空管道放空，勢(shì)必造成二級(jí)放空管道壓力的升高。由于兩端采用一根匯管，這將導(dǎo)致另一端密封出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)，即：其一，造成另一端二級(jí)密封放空背壓升高，使正常端密封承受反壓，從而導(dǎo)致密封面受損；其二，故障端密封的放空氣體可能夾雜著碎片等通過二級(jí)放空匯管進(jìn)入正常側(cè)的密封腔，導(dǎo)致正常側(cè)密封損壞。

二級(jí)放空無監(jiān)測(cè)裝置，用戶只能在一級(jí)密封極端失效的情況下作出反應(yīng)，這不利于用戶在二級(jí)密封出現(xiàn)故障時(shí)立刻作出反應(yīng)，無法及時(shí)避免二級(jí)密封失效導(dǎo)致的次生損壞[7]。

（4）隔離密封氣源為壓縮空氣。其一，隔離氣流量較大（約70 Nm3/h），進(jìn)入梳齒流速過快，造成油霧被高速氣流吹入二級(jí)密封腔室，使二級(jí)密封受到軸承油的污染，增加了其故障的概率[8]；其二，為保證二級(jí)泄漏氣的安全，需增大隔離氣的氣量來降低泄漏出天然氣的濃度，避開天然氣的爆炸極限，而增大隔離氣的氣量會(huì)造成二級(jí)密封大氣側(cè)有一定的背壓，在壓縮機(jī)啟動(dòng)、停車階段，可能會(huì)造成隔離氣形成的背壓接近甚至大于二級(jí)密封工作的壓力，干氣密封承受反壓，導(dǎo)致密封損壞；其三，使空氣大量進(jìn)入軸承箱，潤(rùn)滑油氧化嚴(yán)重，更換周期短，維護(hù)費(fèi)用較高。

3 總體改造方案

總體改造方案見圖2。

（1）密封氣進(jìn)入干氣密封前，加裝前置過濾器、加熱器，減少密封氣氣體雜質(zhì)，減小雜質(zhì)對(duì)干氣密封的影響[9]。

（2）采用氮?dú)鉃槎?jí)密封、隔離氣源，提高二級(jí)密封、隔離氣的穩(wěn)定性[10]。氮?dú)庾鳛槎?jí)密封和隔離密封氣源，從根本上杜絕了天然氣與空氣的混合。利用場(chǎng)站現(xiàn)有壓縮空氣，增加變壓吸附制氮設(shè)備制備連續(xù)穩(wěn)定的氮?dú)?，氮?dú)猱a(chǎn)量240 Nm3/h，壓力0.6～0.65 MPa，純度≥98%，氮?dú)獬郝饵c(diǎn)為-45℃，壓縮空氣消耗量低于520 Nm3/h。

（3）對(duì)干氣密封二級(jí)放空管道進(jìn)行改造，增加1條DN80放空管道，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端二級(jí)放空管道的獨(dú)立放空。

（4）非驅(qū)動(dòng)端、驅(qū)動(dòng)端二級(jí)放空管道分別設(shè)置流量檢測(cè)設(shè)備。對(duì)干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行改造之后，二級(jí)密封放空管道的工藝參數(shù)見表2。正常工況下，二級(jí)密封放空管道的氣體流量是恒定的，在事故工況下，放空管道的氣體流量變化情況如下：其一，二級(jí)密封良好，一級(jí)密封失效，則二級(jí)放空管道流量可達(dá)到17.5 Nm3/h；其二，二級(jí)密封失效，二級(jí)放空流量會(huì)達(dá)到25 Nm3/h左右；其三，一級(jí)密封和二級(jí)密封同時(shí)失效，一級(jí)密封放空管道瞬時(shí)流量可遠(yuǎn)大于26.5 Nm3/h。通過檢測(cè)二級(jí)密封放空流量，流量信號(hào)上傳至壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，由壓縮機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)高高流量報(bào)警信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，觸發(fā)壓縮機(jī)連鎖停機(jī)，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖2 干氣密封總體改造方案流程示意

表2 干氣密封系統(tǒng)改造后二級(jí)密封放空管道工藝參數(shù)

（5）一級(jí)密封放空參數(shù)調(diào)整。二級(jí)密封改造后，正常工況下大部分二級(jí)密封氣都會(huì)通過一級(jí)管道放空（一級(jí)泄漏氣管道內(nèi)為氮?dú)?、天然氣）。通過核算，設(shè)定一級(jí)流量計(jì)流量監(jiān)測(cè)報(bào)警參數(shù)的低報(bào)警值為7.5 Nm3/h，高報(bào)警值為26.5 Nm3/h。

一級(jí)放空壓力變送器增加壓力低低報(bào)警（報(bào)警值為50 kPa）和壓力高報(bào)警（報(bào)警值為250 kPa），并在HMI顯示，以提醒運(yùn)行人員注意。

4 改進(jìn)效果

2017年2月，西氣東輸一線酒泉壓氣站成功改造了GE壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)二級(jí)密封進(jìn)氣、隔離器進(jìn)氣、二級(jí)密封監(jiān)控系統(tǒng)，并成功投產(chǎn)。此系統(tǒng)改進(jìn)、投產(chǎn)后，制氮設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，氮?dú)鈿庠磯毫傲髁糠€(wěn)定，滿足向干氣密封系統(tǒng)提供穩(wěn)定氣源的要求；干氣密封運(yùn)行狀態(tài)良好，動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)正常，動(dòng)環(huán)、靜環(huán)沒有發(fā)生卡阻及不正常摩擦現(xiàn)象，二級(jí)放空流量未出現(xiàn)超高的工況；壓縮機(jī)組運(yùn)行在高效率區(qū)域。干氣密封改造后，消除了壓縮機(jī)干氣密封隱患，提高了壓縮機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)束語

針對(duì)GE壓縮機(jī)干氣密封損壞情況，進(jìn)行干氣密封失效分析，指出了干氣密封失效的原因，并提出了改造方案。通過增設(shè)密封氣前置過濾器、加熱器，改進(jìn)二級(jí)密封、隔離氣供氣系統(tǒng)，獨(dú)立設(shè)置二級(jí)密封放空，增設(shè)二級(jí)放空監(jiān)控系統(tǒng)，有效提高了干氣密封、壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性，消除了壓縮機(jī)干氣密封失效的安全隱患，也為天然氣管道壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)改造提供寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]鐘桂香，羅瀟，郗祥遠(yuǎn).干氣密封失效原因分析與有效性措施[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，33（3）：335-339.

[2]張石超.干氣密封在西氣東輸管道的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（1）：57-58.

[3]左汝寬，韓輝.影響壓縮機(jī)干氣密封使用壽命的因素分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（5）：40-43.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]劉培軍，楊默然.干氣密封在離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007：26（7）：51-54.

[6]孫啟敬，高順華.西氣東輸管道壓縮機(jī)組輸送濕氣實(shí)踐分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007：26（6）：57-59.

[7]姚新華，何耀輝.干氣密封的選用及失效分析[J].潤(rùn)滑與密封，2011，36（4）：116-124.

[8]李飛.氨氣壓縮機(jī)干氣密封故障原因分析及改進(jìn)措施[J].化工設(shè)計(jì)通信，2014，40（5）：26-29.

[9]侯松.離心式壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)改造及應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道，2016，53（3）：61-65.

[10]譚清德.28AT型干氣密封裝置的應(yīng)用研究及其應(yīng)用[D].成都：成都大學(xué)，2004.

Failure analysis and improvement of dry gas seal systems of GE compressors in West-East Gas Pipeline

TONG Lei1，HAO Fujun2，XU Qinglei1，LIU Shaoshan1，AN Yunpeng1，ZHANG Jian3
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.Safety and Environment Supervision Department of PetroChina Changqing Oilfield Company，Ordos 017300，China
3.GeneralAdministration of Quality Supervision of Petroleum&NaturalGas Projects，Langfang 065000，China

Failures of dry gas seal systems of GE compressors at Jiuquan Station and Jayuguan Station of West-East Gas Pipeline happened and caused the compressors to stop working.The reasons of seal system failures were analyzed.The improvement measures were put forward，which included adopting nitrogen as the secondary seal and the isolating gas source without changing the original mechanical parts of the dry gas seal system；adding the seal gas pre-filter and the heater；improving the secondary seal system and the isolating gas supplying system；setting the secondary seal gas exhaust device and the monitoring system.These measures improved the reliability of dry gas seal and compressor operation.

GE compressor；dry gas seal；failure；sealimprovement；secondary sealwith nitrogen

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.015

仝 雷（1984-），男，山東鄆城人，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油天然氣管道設(shè)計(jì)工作。Email：tonglei-gy@cnpc.com.cn

2017-06-15