循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封失效原因分析及操作建議

蔣 軍

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司永坪煉油廠，陜西延安 716000）

0 引言

某廠140 萬噸/年柴油加氫裝置采用離心式壓縮機(jī)作為其裝置的循環(huán)壓縮機(jī)，為該裝置的循環(huán)提供動(dòng)力，是該裝置的“心臟”。其介質(zhì)為氫氣（含有硫化氫），具有易燃易爆、含有毒氣體的特點(diǎn)。一旦機(jī)體內(nèi)部介質(zhì)泄漏，就有可能發(fā)生燃燒爆炸或中毒等事故，給企業(yè)造成重大損失，因此保證機(jī)組密封的可靠性和安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。該組離心式壓縮機(jī)所使用的干氣密封為GCTL02-92 型串聯(lián)式螺旋槽干氣密封，是目前國內(nèi)使用的比較多的一種干氣密封。本文就歷年來該離心式壓縮機(jī)的干氣密封在使用過程中出現(xiàn)過的問題進(jìn)行分析和建議。

1 干氣密封原理

干氣密封，即“干運(yùn)轉(zhuǎn)氣體密封”，是將開槽密封技術(shù)用于氣體密封的一種新型軸端密封，屬于非接觸密封[1]。一般來講，典型的干氣密封結(jié)構(gòu)包含有靜環(huán)、動(dòng)環(huán)組件（旋轉(zhuǎn)環(huán)）、副密封O形圈、彈簧和彈簧座（腔體）等零部件。彈簧在密封無負(fù)荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在轉(zhuǎn)子上的動(dòng)環(huán)組件配合（圖1）。

圖1 密封機(jī)構(gòu)示意

密封工作的主要原理是流體靜壓力和流體動(dòng)壓力的平衡[2]。動(dòng)環(huán)表面加工有一定數(shù)量的流體動(dòng)壓槽，動(dòng)環(huán)隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋時(shí)轉(zhuǎn)流體動(dòng)壓槽把外徑側(cè)的高壓隔離氣體泵入密封端面之間，由外徑至槽徑處的氣膜壓力逐漸增加，因端面膜壓增加使所形成的開啟力大于作用在密封環(huán)上的閉合力，在摩擦副之間形成很薄的一層氣膜（3～5 m），這樣就會(huì)使得密封環(huán)能夠保持在非接觸的狀態(tài)下工作。所形成的氣膜完全阻塞了相對低壓的密封介質(zhì)泄漏通道，實(shí)現(xiàn)了密封的效果。

2 失效分析

2.1 雜質(zhì)或凝液污染導(dǎo)致失效

2.1.1 失效案例

2020 年8 月31 日18：28，由于低壓電網(wǎng)故障，直接導(dǎo)致某廠140 萬噸柴油裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)C1101 因上游裝置中壓蒸汽中斷聯(lián)鎖停機(jī)。

23：20，外圍高壓氮?dú)夤芫W(wǎng)恢復(fù)，將一級密封氣改至高壓氮?dú)饷芊?，隨后進(jìn)行開機(jī)，開機(jī)運(yùn)行期間一級密封氣驅(qū)動(dòng)端泄漏量有小幅波動(dòng)（正常泄漏量10 Nm3/h 左右，波動(dòng)值10～17 Nm3/h，報(bào)警值為24 Nm3/h，聯(lián)鎖值48 Nm3/h），現(xiàn)場技術(shù)員立即對聚結(jié)器進(jìn)行排凝，排凝完畢后泄漏量恢復(fù)至10 Nm3/h 左右運(yùn)行。9 月1日早6 時(shí)許一級密封氣泄漏量開始波動(dòng)（最大值漲至21 Nm3/h）。隨后進(jìn)行停機(jī)搶修。

2.1.2 失效成因分析

經(jīng)過拆卸后發(fā)現(xiàn)干氣密封內(nèi)部有少量的黑色液體，經(jīng)過會(huì)診后給出意見為：①裝置停工后因高壓氮?dú)獠荒芗皶r(shí)引進(jìn)，現(xiàn)場密封氣流量、平衡管差壓低，離心機(jī)停機(jī)后系統(tǒng)循環(huán)中斷離心機(jī)出口氣源冷凝后可能會(huì)產(chǎn)生冷凝液，進(jìn)入密封系統(tǒng)后污染了密封面，進(jìn)而導(dǎo)致密封泄漏量增大；②機(jī)組急停時(shí)密封氣供給壓力不足，機(jī)體內(nèi)部工藝氣泄漏，存在于工藝氣中的雜質(zhì)或液體直接接觸密封面，損傷密封面，干氣密封的密封效果下降。干氣密封雜質(zhì)有3 個(gè)主要來源：①機(jī)體工藝氣；②軸承潤滑油；③密封氣自身。

2.1.3 操作建議

定期切換、清理過濾器。一般地，密封氣必須是干燥的并且要求過濾掉3 μm 和更大的顆粒。通常在干氣密封系統(tǒng)中提供的多個(gè)合適的過濾器并進(jìn)行多級過濾，當(dāng)運(yùn)行過程在發(fā)現(xiàn)密封氣過濾器差壓高或運(yùn)行時(shí)間超過6 個(gè)月時(shí)，必須更換新的濾芯；減少工藝參數(shù)波動(dòng)，避免非計(jì)劃停機(jī)。壓縮機(jī)出口的工藝氣經(jīng)過分離過濾后作為主密封氣，其壓力和溫度直接受工藝參數(shù)波動(dòng)的影響，工藝系統(tǒng)的壓力變化速度過快會(huì)造成密封壓力補(bǔ)償元件來不及動(dòng)作，直接影響干氣密封氣膜的厚度，同時(shí)密封氣中液相析出會(huì)破壞密封面氣膜的平衡，造成密封泄漏量增加，進(jìn)而有可能導(dǎo)致干氣密封失效。

2.2 排氣溫度高導(dǎo)致失效

2.2.1 失效案例

2015 年6 月裝置計(jì)劃檢修停機(jī)前，干氣密封泄漏量一直偏高，拆機(jī)檢查時(shí)對此干氣密封進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)了如下問題：①波紋帶發(fā)藍(lán)；②部分O 形圈嚴(yán)重老化變型，靠近介質(zhì)側(cè)的O 形圈甚至斷裂；③密封面無明顯的磨損現(xiàn)象。

2.2.2 失效成因分析

該套干氣密封自運(yùn)行到計(jì)劃檢修運(yùn)行時(shí)間近2 年，干氣密封的波紋帶發(fā)藍(lán)和部分O 形圈嚴(yán)重老化變脆都說明了該處收到了長時(shí)間的高溫的侵蝕。產(chǎn)生高溫的情況無非是摩擦生熱和熱傳導(dǎo)，從動(dòng)環(huán)的密封面看無明顯的摩擦痕跡，那么熱量只可能是熱傳導(dǎo)而來。機(jī)組運(yùn)行過程中排氣溫度最高，這些熱量應(yīng)是排氣溫度所傳導(dǎo)過來的。通常為開停工期間，氮?dú)夤r下機(jī)組負(fù)荷重，在過高的排氣溫度下長時(shí)間運(yùn)行，損壞了干氣密封的O 形圈。

2.2.3 操作建議

密切關(guān)注機(jī)組排氣溫度，建議不超過140 ℃，避免氮?dú)夤r下長時(shí)間運(yùn)行，影響干氣密封的壽命。

2.3 密封氣帶液導(dǎo)致液擊失效

2.3.1 失效案例

2017 年裝置大修結(jié)束后，裝置開車階段，循環(huán)氫機(jī)組進(jìn)氣壓力6.51 MPa，排氣壓力7.58 MPa，介質(zhì)為氫氣。8 月3 日下午18：30 左右，干氣密封驅(qū)動(dòng)端一級密封氣泄漏量突然從8 Nm3/h 增大至28 Nm3/h，經(jīng)排查確認(rèn)密封失效，隨后做停車處理，停車后排查一二級密封氣，一級密封氣為壓縮機(jī)出口氫氣，該氣路的分液罐及過濾器未發(fā)現(xiàn)異常。二級密封氣為氮?dú)?，打開該氣路過濾器放空時(shí)發(fā)現(xiàn)有液體介質(zhì)，隨后確認(rèn)二級密封氣氮?dú)鈳б海▓D2）。

圖2 拆卸后發(fā)現(xiàn)濾芯浸油

2.3.2 失效成因分析

檢查過濾系統(tǒng)時(shí)，在干氣密封的二級密封氣過濾器中發(fā)現(xiàn)存有許多烴類混合物液體。二級密封氣由于不是專供線，塔頂回流罐的液體隨頂部補(bǔ)壓氮?dú)夤芫€互竄進(jìn)入干氣密封氮?dú)饩€，進(jìn)而進(jìn)入過濾器里，再進(jìn)入密封腔內(nèi)。干氣密封在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因氣膜的存在（3～5 μm），使密封的兩端面不發(fā)生直接接觸[3]，但是如此小的端面間隙，如果在運(yùn)行過程中進(jìn)入液體，就會(huì)導(dǎo)致密封端面損傷，從而降低密封的可靠性，進(jìn)而會(huì)引起密封失效。綜上所述，密封失效原因可以判定為密封氣帶液導(dǎo)致液擊失效。

2.3.3 操作建議

各密封氣源使用專線專供，串聯(lián)式螺旋槽干氣密封的二級密封氣多數(shù)采用低壓氮?dú)?，建議直接從廠氮氧站專供，嚴(yán)禁和裝置區(qū)的氮?dú)夤芫€串接（裝置區(qū)的氮?dú)饩€多數(shù)串接較多），防止裝置區(qū)內(nèi)部介質(zhì)竄入干氣密封系統(tǒng)。

3 總結(jié)

干氣密封系統(tǒng)密封性能可靠，但是該系統(tǒng)也很脆弱，極易受到損傷。這就要求加強(qiáng)巡回檢查，做好日常維護(hù)保養(yǎng)工作，保證干氣密封系統(tǒng)良好運(yùn)行才能保證機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)裝置的長周期平穩(wěn)運(yùn)行。

（1）減少工藝參數(shù)波動(dòng)，保證壓縮機(jī)工藝條件的平穩(wěn)，運(yùn)行過程中確保穩(wěn)定的一級密封氣流量，隨時(shí)監(jiān)控密封氣泄漏量的變化情況。只要干氣密封泄漏量穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，且泄漏氣壓力也正常，那么密封正常運(yùn)行。但如泄漏量出現(xiàn)不斷上升，泄漏氣壓力也隨之上升的現(xiàn)象，則預(yù)示著干氣密封可能失效了。

（2）密封氣在進(jìn)入密封前必須設(shè)置氣源緩沖罐、聚結(jié)器過濾器器、精過濾器，運(yùn)行過程中對緩沖罐定期切水，定期更換過濾器，保證密封氣氣源質(zhì)量。

（3）開停機(jī)過程中應(yīng)密切關(guān)注機(jī)組排氣溫度，避免氮?dú)夤r下長時(shí)間運(yùn)行。

（4）為防止連接隔離閥關(guān)不嚴(yán)或者誤操作導(dǎo)致其他介質(zhì)竄入干氣密封系統(tǒng)，各密封氣源應(yīng)當(dāng)使用專線專供。