循環(huán)氫離心壓縮機(jī)干氣密封失效的風(fēng)險管理

李俊濤

（中海油氣（泰州）石化有限公司，江蘇泰州 225300）

1 引言

干氣密封是采用“以氣封氣”方式，流體動靜壓相結(jié)合的非接觸式氣體潤滑機(jī)械密封，是目前世界上最先進(jìn)一代高速透平壓縮機(jī)軸端密封型式。干氣密封具有運(yùn)行穩(wěn)定、泄漏量少、介質(zhì)無污染、能耗低、壽命長、維護(hù)次數(shù)少等特點(diǎn)，是最節(jié)能的密封系統(tǒng)。這種密封在20世紀(jì)80年代早期開始應(yīng)用于大型工業(yè)壓縮機(jī)，現(xiàn)已成為回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)最常用的密封。

2 干氣密封系統(tǒng)組成介紹

加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)可劃分為五部分，如圖1所示。在操作過程中，五部分都存在導(dǎo)致干氣密封失效的風(fēng)險隱患。

2.1 主供氣管路系統(tǒng)

這部分主要為干氣密封提供一級密封氣主氣源（圖1中①部分）。起點(diǎn)是壓縮機(jī)出口管線，終點(diǎn)至預(yù)處理系統(tǒng)（或儀表盤站）入口法蘭。設(shè)計(jì)上通常要求帶有保溫及蒸氣伴熱，在入盤站前設(shè)有可切換的粗過濾器，開停工期間的中低壓氮?dú)庖苍诖颂幗粎R。

2.2 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)是為防止密封氣帶液而增設(shè)的保護(hù)性措施（如圖2）。初始設(shè)計(jì)通常不會設(shè)置，由業(yè)主根據(jù)運(yùn)行狀況自行決定是否增加。預(yù)處理系統(tǒng)通常有分液器和聚結(jié)器兩部分構(gòu)成，氣液分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似盤站除濕器，既能分離液體，又可通過聚結(jié)絲網(wǎng)捕捉小微粒液滴。聚結(jié)器內(nèi)部設(shè)置高分子材料濾芯，能夠?qū)χ髅芊鈿庵械男∥⒘Ｒ旱芜M(jìn)行二次捕捉、過濾。

2.3 儀表盤站系統(tǒng)

盤站系統(tǒng)是干氣密封供氣系統(tǒng)核心（圖1中③部分），具有除液、過濾、監(jiān)控、調(diào)節(jié)等功能。干氣密封失效的原因主要發(fā)生在這部分系統(tǒng)。

2.4 分支供（排）氣系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括從盤站出口到壓縮機(jī)雙端密封腔這段流程，其中包括壓縮機(jī)殼體流道及梳齒密封，以及盤站系統(tǒng)低點(diǎn)排凝管線系統(tǒng)。該系統(tǒng)在開工初期導(dǎo)致干氣密封失效的風(fēng)險隱患最多。

2.5 干氣密封本體

干氣密封又稱為干運(yùn)轉(zhuǎn)非接觸式端面密封（圖1中⑤部分），其結(jié)構(gòu)基于流體動力潤滑理論設(shè)計(jì)。干氣密封達(dá)到密封效果靠的是在密封端面形成流體膜，允許一定的設(shè)計(jì)泄漏量。干氣密封唯一發(fā)熱源是密封面處的氣流剪切摩擦熱，少量氣體泄漏將密封面間持續(xù)產(chǎn)生的熱量帶走。

加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封國內(nèi)外產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選型基本一致，都是采用帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封，結(jié)構(gòu)及工作原理見圖3。國內(nèi)外產(chǎn)品主要區(qū)別在于槽型選擇，即能否具有雙向旋轉(zhuǎn)功能。目前，國內(nèi)加氫裝置使用的干氣密封正逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化（選用單旋形式）。

干氣密封在上述5個系統(tǒng)都存在失效的風(fēng)險隱患，下面以某加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封失效實(shí)例，分別從這5個方面分析導(dǎo)致干氣密封失效的風(fēng)險因素。

2.6 基本情況簡介

某加氫裝置于2016年11月首開投產(chǎn)，采用進(jìn)口雙向旋轉(zhuǎn)槽型。干氣密封在2年半的時間內(nèi)出現(xiàn)3次干氣密封失效，最短使用周期為4個月。生產(chǎn)期循環(huán)氫氣組份（見表1）優(yōu)于設(shè)計(jì)初期和末期組分。該循環(huán)機(jī)出口壓力8.34 MPa，出口介質(zhì)溫度65 ℃。一級主密封氣全程設(shè)有蒸氣伴熱及保溫。

3 干氣密封各分系統(tǒng)的風(fēng)險識別與分析

3.1 主供氣管路系統(tǒng)風(fēng)險管理

3.1.1 設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險因素

圖1 干氣密封系統(tǒng)流程圖

圖2 預(yù)處理系統(tǒng)流程圖

圖3

表1 循環(huán)氣體組分分析（%（V/V））

干氣密封一般從壓縮機(jī)出口管線引出介質(zhì)氣作為一級主密封氣。氣體中含有H2O、H2、CH4、C2H6、C3H8、正（異）丁烷、H2S、正（異）戊烷、C6+等。干氣密封失效后，依據(jù)表1對一級主密封氣露點(diǎn)組分分析（見圖4）。通過對現(xiàn)場取樣結(jié)果的真實(shí)性分析以及同類裝置實(shí)際操作情況對比，確認(rèn)3次失效原因都是干氣密封長期處于露點(diǎn)曲線以下區(qū)域運(yùn)行，露點(diǎn)凝結(jié)帶液。盡管設(shè)計(jì)上在主密封氣管路設(shè)置有蒸汽伴熱并保溫，事實(shí)證明，伴熱作用有限，只能盡量減少溫度損失。對比主密封氣前后溫度，出盤站時溫降有6～10℃（壓縮機(jī)出口約65℃，密封氣出盤站約55～59℃）。

因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)重視對工況條件下的露點(diǎn)分析。在初始設(shè)計(jì)時，分析計(jì)算工作（開工初期、末期的組分露點(diǎn)分析）主要由產(chǎn)品制造商完成，設(shè)計(jì)方、制造商、業(yè)主三方共同審核計(jì)算結(jié)果。在開工后要進(jìn)行實(shí)際對比分析，關(guān)注組分變化情況。由于初始計(jì)算分析工作往往被忽略，導(dǎo)致主密封氣工況不滿足干氣密封運(yùn)行要求，存在密封失效風(fēng)險隱患。

3.1.2 工程質(zhì)量風(fēng)險因素

循環(huán)氫經(jīng)過高壓空冷、循環(huán)氫入口分液罐進(jìn)入壓縮機(jī)，為保證主密封氣組分達(dá)到最優(yōu)工況，就要重視循環(huán)氫入口分液罐的檢維修和日常操作。循環(huán)氫氣一般采用切向進(jìn)入分液罐，以達(dá)到氣液旋分分離的效果。在分液罐出口設(shè)有除沫網(wǎng)，用于過濾、捕捉氣體中的固體顆粒和液體組分。該內(nèi)件通常由現(xiàn)場安裝單位負(fù)責(zé)安裝，如果工程監(jiān)理和業(yè)主檢查不到位，會導(dǎo)致因除沫網(wǎng)漏裝造成循環(huán)氣大量帶水汽、烴類等易凝結(jié)液體，引發(fā)主密封氣帶液導(dǎo)致失效。某加氫裂化裝置循環(huán)機(jī)干氣密封在2016年首開過程中連續(xù)3次密封失效，嚴(yán)重影響開工進(jìn)度。后經(jīng)分析排查，導(dǎo)致第一次密封失效主要原因就是因?yàn)檠h(huán)氫入口分液罐除沫網(wǎng)未安裝造成的。因此，該部位質(zhì)量檢查應(yīng)作為裝置首開重點(diǎn)檢查驗(yàn)收內(nèi)容。循環(huán)氫入口分液罐在檢修中應(yīng)及時檢查、清理容器內(nèi)除沫網(wǎng)，確認(rèn)是否存在損耗、脫落、阻塞問題，保證安裝質(zhì)量。

循環(huán)氫入口分液罐內(nèi)液位高低都會影響循環(huán)氣帶液多少。在生產(chǎn)操作過程中，應(yīng)制定相應(yīng)管理細(xì)則，定時進(jìn)行循環(huán)氫分液罐底部排液，保證罐內(nèi)不存液（以始終不見液位為宜）。事例中的加氫裝置循環(huán)氫入口分液罐帶液量較大，排液控制閥為1" 口徑，冬季操作時，控制閥開度60%時大約要40 min方可完成排液。因此，循環(huán)氫入口分液罐應(yīng)在安裝、操作、檢修中消除循環(huán)氣大量帶液導(dǎo)致干氣密封失效的風(fēng)險隱患。

3.2 預(yù)處理系統(tǒng)的風(fēng)險管理

在初始設(shè)計(jì)時，除非業(yè)主主動要求，設(shè)計(jì)院一般不增設(shè)主密封氣預(yù)處理系統(tǒng)（如圖1中②部分）。該系統(tǒng)主要作用是為了除去密封氣中夾帶和露點(diǎn)凝結(jié)的液體。該系統(tǒng)在投用初期，除液效果很好，在運(yùn)行一段時間后，隨著介質(zhì)帶液及露點(diǎn)凝結(jié)的液體不斷積累（見圖5），如不及時進(jìn)行排液就會失去除液作用，氣體夾帶液滴情況反而會變得更嚴(yán)重，最終導(dǎo)致干氣密封失效。對于預(yù)處理系統(tǒng)操作上建議采用持續(xù)直排放空方式，保證積攢液體及時排除。系統(tǒng)中的聚結(jié)器內(nèi)設(shè)有高分子濾芯，能夠捕捉氣體中的小液滴，長期使用濾芯除濕的能力會不斷降低，通常每6個月更換一次聚結(jié)器濾芯，能夠有效降低氣體帶液的風(fēng)險。

3.3 儀表盤站控制系統(tǒng)的風(fēng)險管理

3.3.1 O 型橡膠圈質(zhì)量風(fēng)險因素

引起干氣密封失效的原因除了主密封氣帶液，另一個原因就是雜質(zhì)顆粒進(jìn)入密封端面造成失效，而雜質(zhì)顆粒的一個來源是盤站系統(tǒng)的O型橡膠密封圈。O型橡膠圈是盤站系統(tǒng)中重要的靜密封元件，在系統(tǒng)中被廣泛使用。橡膠圈表面一般要求光滑平整、無氣孔、夾渣及等裂紋缺陷[2]。對于新盤站在投用前業(yè)主應(yīng)按一定的比例對管路法蘭密封橡膠圈進(jìn)行質(zhì)量抽檢，防止出現(xiàn)安裝破損或因選型不當(dāng)造成橡膠圈碎裂進(jìn)而引發(fā)密封失效的問題出現(xiàn)。圖6（a）、（b）、（c）是某加裂裝置在首次開工前O型橡膠圈檢查情況，橡膠圈破損原因是廠家選型尺寸不當(dāng)。橡膠圈碎裂顆粒進(jìn)入干氣密封腔體內(nèi)（如圖6（b）所示）將嚴(yán)重影響干氣密封的安全運(yùn)行。

對于使用一個周期（一般為2～3年）的盤站系統(tǒng)，運(yùn)行工況下長期使用的橡膠圈（包括干氣密封本體的O型橡膠密封圈）會出現(xiàn)老化開裂夾渣的問題，橡膠圈破損是爆發(fā)式泄壓導(dǎo)致。O型橡膠圈與介質(zhì)氣體接觸一定時間后會吸入部分氣體，因生產(chǎn)波動快速泄壓，在泄壓階段中可能會造成爆炸性損傷。預(yù)防橡膠圈爆炸泄壓，除了在精準(zhǔn)操作（根據(jù)特定的氣體、溫度、壓力工況）設(shè)定最大的泄壓值外，在材料選擇上應(yīng)選擇硬度較高（＞85）的O型橡膠圈，還要在停工檢修期間依據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和參考相關(guān)規(guī)定對橡膠圈進(jìn)行必要的檢查更換，防止雜質(zhì)存入一級密封氣造成干氣密封失效。

3.3.2 儀表控制盤站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造風(fēng)險因素

盤站在投用前應(yīng)對每一塊儀表選型及安裝質(zhì)量進(jìn)行檢查、驗(yàn)收。對新投用的儀表要認(rèn)真檢查儀表的選型，保證量程等技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。上述事例曾經(jīng)出現(xiàn)新投用的進(jìn)口盤站遠(yuǎn)傳變送器選型錯誤（量程不足）的問題，影響了開工進(jìn)度。

在初始設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在盤站中密封氣出口處分別設(shè)置驅(qū)動端和非驅(qū)端主密封氣溫度熱電偶。設(shè)置溫度熱電偶有利于監(jiān)控一級主密封進(jìn)氣溫度變化，保護(hù)干氣密封。在底部排凝管線上應(yīng)設(shè)置流量孔板，監(jiān)測凝液排放流量狀況，有利于分析主密封氣的帶液情況。盤站系統(tǒng)帶液主要來源于主密封氣的露點(diǎn)凝結(jié)累計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)控制閥副線盲端、備用過濾器的出入口閥門盲端都會存有凝結(jié)液體，這些累計(jì)凝液都是危害干氣密封的重大隱患。在正常操作過程中，應(yīng)適量打開控制閥副線手閥等盲端，排除系統(tǒng)內(nèi)凝液累積的風(fēng)險。設(shè)計(jì)上增加溫度、流量等監(jiān)測措施和必要的操作手段有利于消除密封氣帶液的風(fēng)險隱患。

3.3.3 儀表盤站排液系統(tǒng)管路使用的風(fēng)險因素

盤站系統(tǒng)在操作上通常要求分離器、凝結(jié)器、除濕器、過濾器的底部排凝閥進(jìn)行定時或敞開直排。對于排放出的氣液介質(zhì)的去向，在設(shè)計(jì)初始階段應(yīng)謹(jǐn)慎地審核確認(rèn)。一般情況下，設(shè)計(jì)方會將放空線連接高壓瓦斯放空線或低瓦斯放空線。高壓瓦斯系統(tǒng)壓力高易波動，凝液時不利于干氣密封背壓穩(wěn)定性。如果凝液排放低壓瓦斯系統(tǒng)，頻繁排液或直排會造成低壓管網(wǎng)氫氣含量波動，不僅造成浪費(fèi)，還易影響全廠火炬系統(tǒng)運(yùn)行。最好是將放空線接入冷低分氣系統(tǒng)，排放氫氣不僅對生產(chǎn)系統(tǒng)干擾少，還能夠氫氣回收利用。特別值得關(guān)注的是，各排液點(diǎn)出口管路不能與一級密封氣出口線混合在一起，特別是對于雙旋向干氣密封，由于密封本體具有氣膜厚度?。?～3 μm）、氣膜剛度弱、泄漏量小、抗干擾能力差等特征，頻繁排液操作和過濾器切換會造成一級密封氣出口壓力波動，對本體密封影響很大，存在引起一級密封氣背壓聯(lián)鎖停機(jī)的安全風(fēng)險。因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)予以關(guān)注，避免此類風(fēng)險隱患。

3.4 分支供氣系統(tǒng)的風(fēng)險管理

3.4.1 一級主密封氣凝結(jié)帶液的風(fēng)險因素

通常認(rèn)為一級密封氣溫度高于該介質(zhì)露點(diǎn)溫度＞20℃是安全的，這只是參考范圍，具有很大不確定性。最有效的措施是在干氣密封首次投用前，一級主密封氣采用電加熱或蒸汽夾套方式二次加熱，使其溫度遠(yuǎn)大于理論露點(diǎn)溫度，同時在主密封氣入機(jī)體殼體法蘭處增設(shè)2個遠(yuǎn)傳監(jiān)控?zé)犭娕?，監(jiān)控一級密封氣的溫度變化。通過這些措施，能夠最大限度的避免供氣管線隨時產(chǎn)生冷凝帶液的風(fēng)險。上述事例中，主密封氣進(jìn)干氣密封前經(jīng)過蒸汽夾套加熱從最高59℃至110℃以上，遠(yuǎn)大于該介質(zhì)露點(diǎn)溫度（約65℃）。

根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)對比兩種加熱方式的效果，采用蒸汽夾套方式具有節(jié)能、高效的優(yōu)點(diǎn)，電加熱方式具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，但使用故障率高。某加氫裝置干氣密封系統(tǒng)曾經(jīng)因?yàn)殡娂訜崞魇ъ`誤指示造成干氣密封帶液失效聯(lián)鎖停機(jī)的事故。當(dāng)然，二次加熱是防止密封氣凝結(jié)帶液的最后措施，如果帶液量過大，二次加熱也無法避免密封帶液，事例中的加氫裝置第三次密封失效時，主密封氣溫度在110℃以上，過大帶液量還是造成兩端密封同時失效，二者失效時間間隔0.5 s。

3.4.2 離心機(jī)本體制造質(zhì)量的風(fēng)險因素

在干氣密封首次投用前應(yīng)對機(jī)身殼體密封氣流道進(jìn)行重點(diǎn)檢查。機(jī)身出廠時，密封氣殼體流道內(nèi)隱蔽拐角處會殘存一定量的鐵屑、銹斑、油污等雜質(zhì)，如果檢查不到位或處理不徹底會存在干氣密封因雜質(zhì)失效的隱患。

機(jī)身殼體二次平衡管在機(jī)體殼層兩端梳齒密封中心位置孔徑大小，對干氣密封的穩(wěn)定運(yùn)行有直接影響。如果梳齒平衡管孔徑不足，二次平衡氣會存在節(jié)流現(xiàn)象。某加氫裝置干氣密封失效后，對離心機(jī)本體返廠進(jìn)行徹底檢查，機(jī)殼外內(nèi)徑25 mm，機(jī)體內(nèi)14 mm，經(jīng)過對梳齒密封二次平衡氣孔按照殼體尺寸擴(kuò)孔加工（由14 mm變更成25 mm），有效提高二次平衡效果，保證了密封腔壓力穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)方應(yīng)對梳齒密封與軸間隙進(jìn)行核算，確保間隙滿足一級主密封氣流速要求（圖7），一定的氣體流速能有效減少密封氣帶液的風(fēng)險。在正式安裝機(jī)封前應(yīng)實(shí)際測量梳齒密封與軸間隙數(shù)據(jù)并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對比，有利于投用后主密封氣流通情況的預(yù)判。由于安裝經(jīng)驗(yàn)的原因，安裝人員往往忽略這個程序，不利于以后的干氣密封失效原因分析。

3.5 干氣密封本體安裝、使用的風(fēng)險管理

3.5.1 干氣密封的安裝過程風(fēng)險因素

安裝前，使用單位要與制造商、項(xiàng)目工程師、產(chǎn)品現(xiàn)場服務(wù)人員進(jìn)行技術(shù)對接，明確檢查項(xiàng)目、劃分負(fù)責(zé)區(qū)域、落實(shí)處理措施、制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收合格聯(lián)合簽字后方可進(jìn)行安裝。這項(xiàng)工作意義在于建立互信、明確職責(zé)、便于協(xié)調(diào)、發(fā)現(xiàn)問題及時落實(shí)解決措施、避免推諉、保證進(jìn)度。

圖4

技術(shù)人員通常要在安裝前認(rèn)真審核機(jī)組軸位移定位等數(shù)據(jù)，定位不準(zhǔn)確將嚴(yán)重影響安裝質(zhì)量及運(yùn)行穩(wěn)定性。產(chǎn)品設(shè)計(jì)對允許最大軸位移有明確要求（一般為±2 mm），有經(jīng)驗(yàn)的安裝人員會對軸定位根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)提出意見和建議。轉(zhuǎn)子軸或軸套徑向跳動公差以及O型橡膠圈經(jīng)過的軸或軸套端部要符合相關(guān)要求[2-3]，否則在反復(fù)拆裝過程中會對橡膠圈造成輾軋損傷，影響運(yùn)行效果和使用壽命，造成干氣密封失效風(fēng)險隱患。

3.5.2 干氣密封的運(yùn)行保養(yǎng)風(fēng)險因素

依據(jù)相關(guān)規(guī)定，在正常運(yùn)行和工藝穩(wěn)定的條件下，干氣密封正常使用不小于3年[2]。密封設(shè)計(jì)和材料選擇經(jīng)過計(jì)算來確保在連續(xù)操作情況下壽命至少為50000 h。加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的三級串聯(lián)密封使用24個月（或一個生產(chǎn)周期）后要進(jìn)行如下維護(hù)：更換所有橡膠件、更換彈簧、更換所有動靜環(huán)、進(jìn)行靜動壓試驗(yàn)。對于密封備件存儲24個月以上（不管存儲環(huán)境是否理想），都必須按上述要求維護(hù)，消除運(yùn)行中因部件老化導(dǎo)致失效的隱患。

圖5

圖6

圖7 梳齒密封軸間隙

4 結(jié)語

加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封失效原因通常只有2個——?dú)怏w帶液和雜質(zhì)侵入，而導(dǎo)致氣體帶液的因素卻很多。通過對以上5個系統(tǒng)的風(fēng)險因素分析，只有對干氣密封系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、制造、安裝、操作方面進(jìn)行系統(tǒng)管理和維護(hù)，才能有效消除風(fēng)險隱患，保證機(jī)組長周期運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化。