合成氣壓縮機干氣密封故障原因分析及措施

朱白欽，齊騰飛，楊 磊

(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一期50萬t/a甲醇裝置，其合成工序流程為：來自低溫甲醇洗裝置凈化氣和來自氫回收裝置的新鮮原料氣，通過合成氣壓縮機升壓，在甲醇合成塔內(nèi)進行催化反應(yīng)，部分合成氣態(tài)甲醇再經(jīng)冷卻、冷凝、分離出粗甲醇產(chǎn)品，送往甲醇精餾工段，未反應(yīng)的氣體經(jīng)合成氣壓縮機升壓后進入合成回路循環(huán)利用[1]。合成氣壓縮機為離心式壓縮機，由德國西門子設(shè)計制造，其型號為 STC-SV(10-7-A)，由汽輪機驅(qū)動[2]，為一缸兩段七級葉輪結(jié)構(gòu)。第一段為新鮮氣壓縮段，由六級葉輪組成；第二段為循環(huán)段，由一級葉輪組成。由于機組工作介質(zhì)為合成氣，采用雙端面串聯(lián)式干氣密封。原干氣密封設(shè)計制造商為德國博格曼。

1 干氣密封工作流程

合成氣壓縮機正常運行過程中排出的部分工藝氣體(8.2 MPa、71 ℃)以及在開停車過程中由界區(qū)來的高壓氮氣(6.0 MPa)作為密封氣氣源，經(jīng)過第一級密封氣過濾器過濾后，進入壓縮機兩側(cè)的第一級密封氣端面，在密封面上形成密封氣膜，防止壓縮機內(nèi)的工藝氣體進入密封。密封端面上正常向外產(chǎn)生的少量工藝泄漏氣，經(jīng)壓力控制后去火炬燃燒。自界區(qū)來的8.1 MPa左右的氮氣，經(jīng)第二級密封氣過濾器過濾后，再經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥(PCV-15329)控制壓力為0.6 MPa，進入第二級密封氣端面，密封端面上正常向外泄漏的少量氮氣被引出至安全處放空。自界區(qū)來的低壓氮氣(0.4 MPa)經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥(PCV-15337)控制壓力為0.1 MPa，然后進入壓縮機軸端的密封函內(nèi)，對軸承的潤滑油進行隔離[3]。

2 干氣密封損壞現(xiàn)象

2021年5月，在運行期間，前系統(tǒng)緊急停車，干氣密封氣源壓力(PI15325)由6.1 MPa降至5.7 MPa，此過程一直使用的是高壓氮氣作為氣源，壓力指示(PI15333)持續(xù)降低并大幅度波動。PI1533降至低聯(lián)鎖值50 kPa，3 s后機組跳車。機組跳車后，驅(qū)動端及非驅(qū)動端泄漏氣壓力恢復(fù)正常，從趨勢看，干氣密封驅(qū)動端泄漏量無明顯異常。隨后嘗試沖轉(zhuǎn)開車，因驅(qū)動端一級泄漏氣壓力低聯(lián)鎖觸發(fā)停車并重復(fù)跳車前趨勢，基本上判斷驅(qū)動端干氣密封出現(xiàn)問題。機組轉(zhuǎn)入工藝置換，準(zhǔn)備更換干氣密封。

3 密封拆解情況

委托專業(yè)維修廠家對干氣密封進行解體檢查，結(jié)果如下：

(1) 拆一、二級彈簧座連接螺栓。因安裝時螺栓涂有螺紋鎖固膠，先使用熱吹風(fēng)機吹熱，再拆卸取出卡圈。將二級彈簧座拿開后，發(fā)現(xiàn)二級靜環(huán)密封面有磨損，二級推環(huán)處于卡死的狀態(tài)。將動環(huán)、推環(huán)及“O”型圈逐個拿出，擦洗“O”型圈后檢查發(fā)現(xiàn)，“O”型圈不光滑、有傷痕；不裝“O”型圈，用推環(huán)反復(fù)壓彈簧，反彈良好，各彈簧目測也完好，二級摩擦副端面有明顯接觸運轉(zhuǎn)痕跡，推環(huán)卡死，靜環(huán)無追隨性。拆解靜環(huán)后，可見二級靜環(huán)“O”型圈表面磨損，彈簧座滑移面有磨痕。

(2) 再拆一級密封，各處都比二級情況稍好，但“O”型圈也有傷痕且軸向滑動不良。一級靜環(huán)摩擦副端面有明顯接觸運轉(zhuǎn)痕跡，痕跡分布整個端面；一級泄漏氣通道可見石墨粉末。

4 原因分析

4.1 拆解初步判斷分析

根據(jù)拆解密封的情況，二級推環(huán)密封圈卡死、二級密封端面脫開(見圖1)，導(dǎo)致一級泄漏至二級端面排出，是引起一級泄漏氣壓力低聯(lián)鎖跳車的主要原因。

圖1 二級密封端面

4.2 二級推環(huán)卡死

造成二級推環(huán)卡死，主要是“O”型圈磨損以及一、二級摩擦副端面運轉(zhuǎn)接觸磨損，石墨粉末等雜質(zhì)堆積在彈簧座滑移面處。隨著現(xiàn)場工藝波動、機組振動、機組軸位移等情況，推環(huán)密封“O”型圈與彈簧座滑移面發(fā)生相對運動。在石墨粉等固態(tài)顆粒雜質(zhì)的作用下，摩擦力增加，彈簧座滑移面粗糙精度降低。

4.3 機加工精度低

機加工精度較低，相關(guān)零部件幾何精度、形位公差偏大，造成相關(guān)配合垂直度尺寸、表面粗糙度超標(biāo)。在運行期間，零件之間不同心以及表面粗糙，加劇“O”型圈表面精度降低。滑動表面的粗糙度是影響“O”型圈表面摩擦與磨損的直接因素。表面光潔，摩擦與磨損就小，所以往往要求滑動表面的粗糙度數(shù)值要低。

4.4 密封轉(zhuǎn)動件與定位面磨損

該密封一級、二級摩擦副端面同時磨損，分析可能的原因是密封轉(zhuǎn)動組件的定位面精度下降、垂直度降低，造成密封轉(zhuǎn)動組件不能精準(zhǔn)定位，密封轉(zhuǎn)動件與定位面間有相對運轉(zhuǎn)。從拆解下的密封可見，壓緊套外端面可見明顯運轉(zhuǎn)磨損痕跡。該密封采用鎖緊背冒作為定位原件，多次裝拆都會對其進行敲擊，導(dǎo)致工件變形，定位面精度下降。

5 解決及防范措施

(1) “O”型圈采用進口備件。針對二級推環(huán)“O”型圈磨損的情況，使用美國杜邦公司生產(chǎn)的密封圈，保證其使用壽命。

(2) 提高機加工精度。干氣密封彈簧座滑移面、壓緊套外端面的表面粗糙度不低于0.4，形位公差不低于5級精度。修復(fù)干氣密封時，對其進行返修處理。

(3) 保證安裝質(zhì)量。安裝干氣密封時，必須嚴(yán)格按照圖紙尺寸進行復(fù)測，同時檢測密封定位面精度，保證定位面粗糙度不大于0.8，垂直度不低于5級精度。

(4) 改造流體旋轉(zhuǎn)槽。該密封主體結(jié)構(gòu)為雙旋向流體動壓槽，抗波動能力差，氣膜不穩(wěn)定。因此，將雙旋向流體動壓槽改為單旋向螺旋槽，提高了抗波動能力和氣膜穩(wěn)定性。

(5) 增大過濾面積。原干氣密封進氣過濾面積小，氣膜穩(wěn)定性差?，F(xiàn)增大過濾面積，增加過濾器的長度，滿足使用要求。

6 結(jié)語

針對合成氣壓縮機干氣密封損壞情況進行優(yōu)化處理，避免了機組反復(fù)停車對生產(chǎn)系統(tǒng)影響，同時大幅降低機組檢修的頻率和維修成本，實現(xiàn)合成氣壓縮機組長周期運行目的[4]。