離心氨壓縮機(jī)干氣密封問(wèn)題分析及優(yōu)化措施

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司50萬(wàn)t/a煤制甲醇及40萬(wàn)t/a醋酸項(xiàng)目分別于2008年、2016年建成投產(chǎn)。兩套低溫甲醇洗裝置冷量均由氨壓縮機(jī)提供，壓縮機(jī)采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)、雙缸三段、中間補(bǔ)氣、缸體水平中分結(jié)構(gòu)，其密封采用帶中間迷宮密封的串聯(lián)干氣密封，具有密封效果良好、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)有害介質(zhì)泄漏的特點(diǎn)。機(jī)組運(yùn)行具有效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。

1 工藝流程

自低溫甲醇洗裝置來(lái)的氣氨(-40 ℃、～36 kPa)，進(jìn)入壓縮機(jī)入口分離器，分離可能夾帶的液滴后，氣氨進(jìn)入壓縮機(jī)低壓缸一段進(jìn)行壓縮，經(jīng)八級(jí)葉輪壓縮后的氣氨經(jīng)冷卻后進(jìn)入二段分離器，與補(bǔ)氣(4 ℃、0.26 MPa(g))混合后進(jìn)入壓縮機(jī)二段，經(jīng)高壓缸三級(jí)葉輪壓縮，為降低壓縮功耗，壓縮后的氣體被冷卻后進(jìn)入壓縮機(jī)三段，經(jīng)三級(jí)葉輪壓縮后被氨冷凝器冷凝為液氨進(jìn)入液氨儲(chǔ)槽循環(huán)利用。該裝置設(shè)計(jì)合理，設(shè)備安裝緊湊，蒸汽能耗低，壓縮功耗低。其工藝流程見(jiàn)圖1。

為防止缸內(nèi)高壓氨氣外漏，壓縮機(jī)的高低壓缸均采用帶中間迷宮密封的串聯(lián)干氣密封。該密封在機(jī)組開(kāi)停車時(shí)采用外部高壓氮?dú)庾鳛槊芊鈿庠?，正常運(yùn)行期間，采用高壓缸出口氣氨作為氣源。密封設(shè)計(jì)合理，工藝介質(zhì)泄漏量小，操作維護(hù)方便。

圖1 工藝流程

注：1—入口分離器；2—二級(jí)分離器；3—液氨儲(chǔ)槽；4、5—段間冷卻器；6—氨冷凝器

2 干氣密封

2.1 密封原理

干氣密封主要由兩部分組成，靜止部分包括靜環(huán)、靜密封O形圈、靜環(huán)固定夾套。彈簧位于不銹鋼彈簧座內(nèi)，與推環(huán)配合，在機(jī)組轉(zhuǎn)速為零時(shí)，借助彈簧力通過(guò)推環(huán)，使動(dòng)靜環(huán)密封面貼合，達(dá)到密封目的。在機(jī)組轉(zhuǎn)速不為零時(shí)，靜環(huán)借助彈簧力及氣體力，與動(dòng)環(huán)保持一定間隙(3μm左右)，處于平衡狀態(tài)，間隙內(nèi)充滿密封氣體，形成穩(wěn)定氣膜，阻止壓縮機(jī)缸內(nèi)工藝氣體泄漏，從而達(dá)到密封的作用。動(dòng)環(huán)一般選用硬度高、剛性較好且耐磨的鎢硅硬質(zhì)合金制成，動(dòng)環(huán)表面開(kāi)有不同形狀的溝槽，典型的槽型有U形、樹(shù)型、鐮刀型等。干氣密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 干氣密封

2.2 本機(jī)組低壓缸干氣密封流程

來(lái)自壓縮機(jī)出口的工藝氣或開(kāi)車氮?dú)饨?jīng)過(guò)濾器過(guò)濾后，再經(jīng)閥門(mén)減壓并控制流量，分別進(jìn)入低壓缸驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)密封腔，作為一級(jí)密封氣源。低壓氮?dú)饨?jīng)過(guò)濾器后分4路，其中，2路經(jīng)流量控制后分別進(jìn)入低壓缸驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端二級(jí)密封腔，作為二級(jí)密封氣源；另外，2路經(jīng)限流孔板控制流量后分別進(jìn)入驅(qū)動(dòng)端及非驅(qū)動(dòng)端作為后置隔離氣源，其作用為隔離軸承箱油霧，防止油霧進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)。低壓缸干氣密封流程見(jiàn)圖3。

3 干氣密封工作原理

動(dòng)靜環(huán)配合表面光潔度和平滑度都很高，其中動(dòng)環(huán)上開(kāi)有螺旋槽，不同的密封有不同的開(kāi)槽形狀，不同的槽形要求的轉(zhuǎn)向不同，對(duì)稱“T”形可以雙向運(yùn)行。密封氣體注入密封體后，動(dòng)環(huán)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，槽內(nèi)的密封氣體被剪切從外緣流向中心，產(chǎn)生動(dòng)壓力。氣體在向中心流動(dòng)時(shí)遇到密封堰的阻擋，氣體流動(dòng)受阻，壓力升高，從而將動(dòng)、靜環(huán)推開(kāi)。靜環(huán)依靠彈簧力調(diào)整位置與氣體動(dòng)壓力保持平衡后，動(dòng)、靜環(huán)之間形成穩(wěn)定間隙，間隙內(nèi)充滿密封氣體，從而形成穩(wěn)定氣膜，達(dá)到密封工藝氣體的作用。密封動(dòng)環(huán)見(jiàn)圖4。

圖3 低壓缸干氣密封流程

注：A、B—過(guò)濾器；a、b—限流孔板；1、2、2、4、5、6—流量計(jì)

圖4 干氣密封動(dòng)環(huán)

4 干氣密封分類

4.1 單端面干氣密封

單端面干氣密封適用于被密封工藝介質(zhì)無(wú)毒或者毒性較小的場(chǎng)合，工藝介質(zhì)泄漏至大氣環(huán)境中對(duì)人體及周圍環(huán)境無(wú)害。

4.2 雙端面干氣密封

雙端面干氣密封適用于工藝介質(zhì)不允許泄漏至大氣中，但允許密封氣體進(jìn)入機(jī)體內(nèi)的場(chǎng)所。相當(dāng)于面對(duì)面布置兩套單端面干氣密封，有時(shí)2個(gè)密封共用1套動(dòng)環(huán)。適用于沒(méi)有火炬條件，允許少量密封氣進(jìn)入工藝系統(tǒng)內(nèi)的情況，在2組密封之間通入氮?dú)庾鳛槊芊鈿庠?，控制密封氮?dú)鈮毫β愿哂诠に囅到y(tǒng)壓力0.2～0.3 MPa(g)，這樣密封氣始終沿著工藝氣側(cè)和大氣側(cè)泄漏，從而保證工藝氣不泄漏至大氣環(huán)境中。

4.3 串聯(lián)干氣密封

串聯(lián)干氣密封適用于允許工藝介質(zhì)少量泄漏至大氣環(huán)境的場(chǎng)合。1套串聯(lián)式干氣密封可以看作是2套或多套單端面干氣密封首尾相連構(gòu)成的，與單端面干氣密封相同，密封氣體為工藝氣。通常情況為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)密封為主密封，起主要作用；另外一級(jí)為二級(jí)密封，起輔助密封的作用，通過(guò)第一級(jí)密封泄漏的工藝氣體被引入火炬，剩余的泄漏氣體作為二級(jí)密封的密封氣，其漏氣引至安全處放空處理。當(dāng)?shù)谝患?jí)密封失效時(shí)，二級(jí)密封起到主要密封作用，從而避免大量工藝氣體泄漏至大氣中。

4.4 中間帶迷宮密封的串聯(lián)干氣密封

中間帶迷宮密封的串聯(lián)干氣密封適用于既不允許工藝氣泄漏到大氣中，也不允許密封氣進(jìn)入工藝氣中的場(chǎng)所。在串聯(lián)式干氣密封中間增加迷宮密封，該類型密封主密封氣利用工藝氣體外，還需要另外一股氮?dú)庾鳛榈诙?jí)密封的密封氣源，從一級(jí)密封中泄漏的少量工藝氣，在被氮?dú)饷芊夂笮孤┡欧诺交鹁嫦到y(tǒng)，通過(guò)二級(jí)密封泄漏的全部為氮?dú)馀欧诺酱髿庵?，?dāng)?shù)谝患?jí)密封失效后，第二級(jí)密封同樣起到輔助密封的作用。適用于易燃、易爆、危險(xiǎn)性較大的工藝介質(zhì)壓縮機(jī)，如NH3氣壓縮機(jī)、H2壓縮機(jī)、H2S壓縮機(jī)等。中間帶進(jìn)氣的串聯(lián)干氣密封見(jiàn)圖5。

圖5 中間帶進(jìn)氣的串聯(lián)干氣密封

5 壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

5.1 干氣密封進(jìn)油

2015年4月12日，氨壓縮機(jī)開(kāi)車后，高壓缸非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)密封泄漏氣流量逐漸增大，由9 Nm3/h緩慢增大到滿量程15 Nm3/h，最終泄漏氣流量因流量計(jì)滿量程無(wú)法確定，但泄漏氣壓力由10 kPa增大到100 kPa，因泄漏氣量增大，液氨損失量過(guò)多，壓縮機(jī)被迫停車。停車后對(duì)該密封進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)密封腔體中潤(rùn)滑油較多且潤(rùn)滑油中含有大量石墨粉末，對(duì)密封本體解體拆檢，發(fā)現(xiàn)密封動(dòng)環(huán)磨損嚴(yán)重，靜密封后彈簧活動(dòng)卡澀。通過(guò)分析，密封進(jìn)油是本次密封損壞的根本原因。

5.1.1 密封進(jìn)油原因分析

(1)該套密封使用時(shí)間長(zhǎng)，并且前期開(kāi)、停車頻繁，密封外側(cè)為軸承腔，軸承為金斯伯雷型軸承，安裝在軸承腔內(nèi)，采用潤(rùn)滑油強(qiáng)制潤(rùn)滑，運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生油霧和油滴飛濺現(xiàn)象。密封與軸承間隙較小，在密封隔離氣壓力波動(dòng)時(shí)，油霧很容易進(jìn)入干氣密封，由于密封腔體導(dǎo)淋長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，未進(jìn)行導(dǎo)淋排污，導(dǎo)致微量潤(rùn)滑油在密封腔內(nèi)集聚。密封及軸承腔裝配見(jiàn)圖6。

圖6 密封及軸承腔裝配

(2)由于密封時(shí)間長(zhǎng)，前期頻繁開(kāi)、停車，導(dǎo)致密封磨損碎屑積聚，且本次開(kāi)車中大量潤(rùn)滑油與石墨粉末混合形成黏度很大的混合物，導(dǎo)致密封靜環(huán)活動(dòng)受阻，彈簧力不能很好地發(fā)揮，密封間氣膜不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致密封泄漏氣逐步增加，密封失效。

(3)機(jī)組停車檢修時(shí)，密封外側(cè)軸承溫度探頭預(yù)留口未進(jìn)行有效封堵，使軸承潤(rùn)滑油通過(guò)該孔直接噴濺到干氣密封外側(cè)，導(dǎo)致后置隔離氣失去隔離油霧作用，大量潤(rùn)滑油進(jìn)入密封腔體。通過(guò)分析，這是導(dǎo)致該密封快速損壞的根本原因。

5.1.2 優(yōu)化調(diào)整措施

(1)停機(jī)后重新啟動(dòng)油系統(tǒng)，檢查潤(rùn)滑油噴濺情況，對(duì)未密封的軸承測(cè)溫預(yù)留孔進(jìn)行封堵，避免潤(rùn)滑油直接向干氣密封噴濺。

(2)徹底清理密封腔體及密封氣源管線，確保密封腔體干凈，同時(shí)確保密封氣源管線干凈，防止雜質(zhì)進(jìn)入密封系統(tǒng)。

(3)加強(qiáng)密封導(dǎo)淋排油檢查，定期對(duì)密封導(dǎo)淋進(jìn)行排油處理，防止?jié)櫥驮诿芊馇惑w內(nèi)積聚。調(diào)整后置隔離氣壓力穩(wěn)定在20～30 kPa，保證發(fā)揮隔離油霧的作用。

5.1.3 運(yùn)行效果反饋

通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，該密封自2015年4月12日投入運(yùn)行后，密封運(yùn)行效果良好。一級(jí)密封氣泄漏壓力穩(wěn)定在25～36 kPa，泄漏氣流量穩(wěn)定在7.5～9 Nm3/h；二級(jí)密封放空腔導(dǎo)淋有微量潤(rùn)滑油排出，屬于正?，F(xiàn)象。

5.2 密封靜環(huán)卡死

2016年8月6日，機(jī)組計(jì)劃停車，停車后發(fā)現(xiàn)低壓缸非驅(qū)動(dòng)端密封泄漏氣流量偏大，泄漏壓力偏高，對(duì)比高壓缸兩側(cè)密封及低壓缸驅(qū)動(dòng)端密封參數(shù)，判定該密封停車過(guò)程中損壞，必須進(jìn)行檢修。通過(guò)對(duì)該密封解體發(fā)現(xiàn)，一級(jí)密封靜環(huán)卡死，不能正?；顒?dòng)，靜環(huán)后推力彈簧部分彈性減弱，導(dǎo)致密封靜環(huán)與動(dòng)環(huán)間隙不能及時(shí)平衡，失去密封效果，密封外側(cè)密封“O”形圈沒(méi)有明顯缺陷。

5.2.1 密封失效原因分析

(1)經(jīng)檢查機(jī)組歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行期間該密封進(jìn)氣壓力波動(dòng)頻繁，導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)間隙頻繁改變；密封氣膜不穩(wěn)定，導(dǎo)致靜環(huán)后彈簧頻繁伸縮；長(zhǎng)時(shí)間高頻率作用，導(dǎo)致彈簧疲勞；部分失去彈性作用，靜環(huán)不能及時(shí)移動(dòng)平衡動(dòng)靜環(huán)間隙。

(2)一二級(jí)密封腔室雜質(zhì)較多，存在兩方面原因：一是密封氣源不潔凈；二是缸體氣體倒竄，主要原因在于停開(kāi)車過(guò)程中和停車保護(hù)方面不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致彈簧作用力不能有效發(fā)揮，靜環(huán)因不能有效移動(dòng)而失去密封效果。密封內(nèi)彈簧及雜質(zhì)情況見(jiàn)圖7。

圖7 密封彈簧及雜質(zhì)

5.2.2 優(yōu)化調(diào)整措施

(1)對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間及開(kāi)、停車次數(shù)做好統(tǒng)計(jì)。一般年度大修時(shí)要對(duì)密封系統(tǒng)做全面檢查，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)12 000 h后，要及時(shí)對(duì)密封內(nèi)件進(jìn)行檢查或更換，特別是靜環(huán)彈簧及密封體靜密封O形圈必須進(jìn)行檢查更換。防止彈簧和密封O形圈老化，影響密封正常運(yùn)行。

(2)機(jī)組開(kāi)、停車期間，機(jī)組負(fù)荷調(diào)整幅度不得過(guò)大，特別是運(yùn)行參數(shù)與停機(jī)參數(shù)偏差較大時(shí)，應(yīng)特別注意溫度、壓力等變化幅度，防止參數(shù)出現(xiàn)過(guò)大、過(guò)快波動(dòng)，尤其是對(duì)密封系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)要特別敏感，必要時(shí)可以停止負(fù)荷加減，穩(wěn)定后再進(jìn)行調(diào)整。

5.2.3 效果反饋

在機(jī)組定期檢修時(shí)，通過(guò)主動(dòng)檢查密封系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了密封體O形圈老化發(fā)黏、密封氣源過(guò)濾器開(kāi)裂、隔離氣密封梳齒破損等現(xiàn)象，為機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行排除了隱患。

5.3 密封動(dòng)環(huán)破損

2016年10月3日，裝置短停后開(kāi)車，該機(jī)組開(kāi)車后16 h發(fā)現(xiàn)低壓缸驅(qū)動(dòng)端密封泄漏氣流量滿量程，泄漏氣壓力上漲至80 kPa，密封腔體導(dǎo)淋氨味較大。通過(guò)分析，該氣體中氨含量15%，而正常情況下不應(yīng)含有氨氣，判定該密封嚴(yán)重?fù)p壞失效，不得不停機(jī)拆檢。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，該密封一二級(jí)動(dòng)環(huán)均嚴(yán)重磨損，其中一級(jí)動(dòng)環(huán)碎裂(見(jiàn)圖8)，密封腔體及動(dòng)靜環(huán)間粉末雜質(zhì)較多，該密封被嚴(yán)重?fù)p毀。

圖8 損壞的動(dòng)環(huán)

5.3.1 損毀原因分析

(1)密封氣源雜質(zhì)多，氣體不潔凈。在本次停車期間，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組一段冷卻器內(nèi)漏，循環(huán)水漏進(jìn)工藝氣路系統(tǒng)，因工藝介質(zhì)為氨氣，氨與水混合形成腐蝕性很強(qiáng)的低濃度氨水，工藝氣路管道材質(zhì)為碳鋼，導(dǎo)致氣路管線內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)生大量銹蝕雜質(zhì)，開(kāi)車后大量雜質(zhì)進(jìn)入密封體使密封磨損失效。

(2)密封氣源過(guò)濾器濾芯脫落，失去過(guò)濾效果，導(dǎo)致大量大顆粒雜質(zhì)未能被有效過(guò)濾除掉，而進(jìn)入密封體，導(dǎo)致密封磨損損毀。該機(jī)組密封氣管線只有高壓缸氣源管線設(shè)置保溫，其余管線均設(shè)置為伴熱。

(3)低壓缸密封氣源流量較其他密封氣源量偏大，大量雜質(zhì)隨密封氣進(jìn)入該密封體，導(dǎo)致其最先被損毀。

5.3.2 優(yōu)化措施

(1)利用本次停機(jī)，對(duì)一段換熱器進(jìn)行堵漏處理，防止循環(huán)水進(jìn)入系統(tǒng)。為防止換熱器泄漏，循環(huán)水再次漏入系統(tǒng)，停機(jī)第一時(shí)間將循環(huán)水閥門(mén)關(guān)閉，并將水側(cè)導(dǎo)淋打開(kāi)排水，從根本上防止水再次漏入系統(tǒng)。

(2)在檢修期間，對(duì)工藝氣路系統(tǒng)及干氣密封管路進(jìn)行吹掃清理，排除掉管路內(nèi)的固體雜質(zhì)，防止雜質(zhì)再次進(jìn)入密封系統(tǒng)。

(3)更換密封氣源過(guò)濾芯，確保安裝牢固，保證其發(fā)揮過(guò)濾作用。在今后的運(yùn)行中，關(guān)注其壓差變化，當(dāng)過(guò)濾器前后氣體壓差達(dá)到50 kPa時(shí)，對(duì)密封過(guò)濾器進(jìn)行切換、更換濾芯。另外，過(guò)濾器濾芯安裝時(shí)需專人把關(guān)，防止出現(xiàn)濾芯安裝不到位而脫落的現(xiàn)象。

(4)嚴(yán)格密封系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，及時(shí)調(diào)整密封氣流量及壓力，及時(shí)分析、判斷密封運(yùn)行效果，對(duì)異常數(shù)據(jù)及時(shí)分析、總結(jié)，做好調(diào)整。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)氨壓機(jī)干氣密封運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)，及時(shí)檢查、判斷密封失效的原因，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，及時(shí)有效地解決了干氣密封進(jìn)油、密封動(dòng)環(huán)磨損、密封靜環(huán)卡死等問(wèn)題，從而確保機(jī)組長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]譚清德，申文求.二氧化碳?jí)嚎s機(jī)采用干氣密封故障分析[J].大氮肥，2004，2(3):115-117.

[2] 董玉波，顏景杰.裂解氣壓縮機(jī)干氣密封應(yīng)用需注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2011，2(5):51-55.

[3] 姬忠禮，鄧志安，趙會(huì)軍.泵和壓縮機(jī)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[4] 王紹良.化工設(shè)備基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.