往復(fù)式氧氣壓縮機填料密封失效原因分析及處理

朱延哲

（中國石油遼陽石化分公司動力廠，遼寧遼陽 111003）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中，往復(fù)式氧氣壓縮機是將空分裝置產(chǎn)生的氧氣輸送到各個生產(chǎn)裝置的動力設(shè)備，在管網(wǎng)輸送中有著重要作用。一般連續(xù)運行約3 個月后往復(fù)式氧氣壓縮機會出現(xiàn)故障，其中填料密封失效是制約其長周期連續(xù)運行的問題之一。填料密封是壓縮機的重要零部件之一，有防止氣缸中高壓氧氣向外泄漏的作用，由于其在往復(fù)式氧氣壓縮機運行中會產(chǎn)生大量熱量，因此需要通冷卻水對填料密封函進(jìn)行冷卻。另外，填料密封在往復(fù)式摩擦下受損，會降低設(shè)備使用壽命與安全性。多數(shù)情況下氧氣泄漏導(dǎo)致的重大設(shè)備著火事故是填料密封失效引起的，因此本文將從多個方面分析填料密封失效的原因。

1 往復(fù)式氧氣壓縮機概況

遼陽石化分公司公用工程部空分裝置輸送氧氣的壓縮機由沈陽氣體壓縮機廠制造，共計7 臺。設(shè)備型號為4M8-62.5/32，四缸四級壓縮為對稱平衡式結(jié)構(gòu)，壓縮機流量為3600 Nm3/h，一級吸入壓力0.01 MPa，一級吸入溫度30 ℃；四級排氣壓力3.14 MPa，四級排出溫度≤40 ℃；軸功率為605 kW。

配套電機由佳木斯有限責(zé)任公司制造，型號為TK630-18/1730，功率為630 kW，電機由剛性聯(lián)軸器直接驅(qū)動。

附屬設(shè)備有氣體冷卻器、油冷卻器、油泵、備用油箱、高位油箱等，在各級氣缸的進(jìn)出口均設(shè)有一個緩沖罐，既有緩沖氣流的作用，還能穩(wěn)定輸送氧氣。各級填料密封均設(shè)有上下冷卻水管線，填料函均為同一型號，各級填料密封可以互換。

2 填料密封的結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)

該往復(fù)式氧氣壓縮機組的各級氣封填料由6 個填料函組成，第零層為節(jié)流環(huán)層，第7 層為氣封的外蓋。在外蓋上有上下冷卻水接口，各層填料函外側(cè)與填料接桶形成冷卻水流道，填料函之間通過O 形圈對水系統(tǒng)進(jìn)行密封。

一、二、三級采用空第5 層填料函的安裝方式，其他層有一副切向密封環(huán)和一副經(jīng)向密封環(huán)。四級氣封全滿式填料函的安裝方式，第1～5 層填料函，每個填料函中一副切向密封環(huán)、一副經(jīng)向密封環(huán)和阻流環(huán)，第6、第7 層為雙副切向密封環(huán)，密封環(huán)的材料采用填充聚四氟乙烯制成，起到密封作用。阻流環(huán)用于高溫高壓的場合，防止非金屬密封環(huán)變形流失，徑向開口外彈簧，切向密封為三瓣斜口，在氣流作用下使密封環(huán)內(nèi)圓表面緊貼活塞桿。

在使用過程中填料密封會由于較大的摩擦力而產(chǎn)生較多熱量，因此一般設(shè)計冷卻水流道來保證一部分熱量被冷卻水帶走。填料函外側(cè)設(shè)置有冷卻水孔，冷卻水強制在冷卻孔中折返流動，會帶走一部分熱量。填料密封環(huán)必須按一定要求和順序裝填在填料函內(nèi)，填料函深度15.4 mm，安裝完密封填料環(huán)后要求剩余間隙為0.38～0.42 mm，切向填料密封環(huán)與徑向填料密封環(huán)之間切口要錯開（圖1）。

圖1 填料密封結(jié)構(gòu)

2.2 密封原理

往復(fù)式氧氣壓縮機的填料密封環(huán)是一種動態(tài)的填料密封環(huán)，只有在壓縮機工作時才能起到密封作用，在停機或檢修情況下沒有密封作用。往復(fù)式氧氣壓縮機在工作時候分為兩種工作狀態(tài)，分別是氣缸側(cè)壓縮狀態(tài)和氣缸側(cè)膨脹狀態(tài)（圖2）。

圖2 填料密封工作原理

（1）當(dāng)往復(fù)式氧氣壓縮機氣缸側(cè)處于壓縮狀態(tài)時，高壓氣體通過填料函與活塞桿縫隙進(jìn)入填料函內(nèi)，由于受到高壓氣體力的作用靠向低壓側(cè)，高壓氣體使徑向填料密封環(huán)與切向填料密封環(huán)之間貼合密封，當(dāng)高壓氣體接觸切向填料密封環(huán)時，由于氣體作用力為徑向，切向填料密封環(huán)將緊緊地抱著活塞桿，三瓣式的切向填料密封環(huán)，瓣與瓣之間形成密封面；在高壓氣體的作用下形成3 個密封面，分別是徑向填料密封環(huán)與切向填料密封環(huán)切口錯開形成密封面，切向環(huán)與活塞桿表面形成的密封面，以及切向填料密封環(huán)與填料函側(cè)面形成密封面，這樣就阻止了高壓氣體的泄漏，從而起到密封作用。

（2）當(dāng)氣缸側(cè)膨脹狀態(tài)時，高壓氣體通過徑向填料密封環(huán)的切口間隙部分回流進(jìn)氣缸，填料函內(nèi)的氣體壓力逐漸下降、處于一個膨脹過程中，切向填料密封環(huán)開始放松，為下一次壓縮狀態(tài)來臨時，填料函內(nèi)建立起新的壓差，使填密封環(huán)再次形成3 個密封面，起到密封作用。

3 氧氣泄漏事件經(jīng)過

2018 年10 月11 日10：00 左右，設(shè)備管理人員例行巡檢時，在1 號往復(fù)式氧壓機四級氣缸附近氧含量報警儀報警，局部氧含量超標(biāo)，發(fā)現(xiàn)四級氣缸氣封處發(fā)出呲呲的響聲。設(shè)備管理人員立即停運1 號往復(fù)式氧壓機，組織崗位人員開3 號往復(fù)式氧壓機，由于應(yīng)急處置及時，避免了因氧氣泄漏導(dǎo)致重大設(shè)備著火事故。事后查找原因并及時上報這一情況。經(jīng)檢查1 號氧壓機已經(jīng)連續(xù)89 d，根據(jù)以往檢修時間間隔，發(fā)現(xiàn)本次運行不到3 個月就發(fā)現(xiàn)氧氣泄漏嚴(yán)重，初步判斷認(rèn)為，四級氣缸填料密封冷卻循環(huán)水堵塞導(dǎo)致熱量積累至填料密封環(huán)變形失效。

4 填料密封失效原因分析

為查找出故障原因，對往復(fù)式氧壓機解體檢修，發(fā)現(xiàn)：①三級、四級氣封填料水套腐蝕嚴(yán)重，表面發(fā)生點蝕；②各級氣封填料函冷卻水流道內(nèi)有大量泥沙和粗纖維物質(zhì)，堵塞冷卻水循環(huán)，嚴(yán)重影響冷卻效果；③填料密封環(huán)之間粘結(jié)，密封面變形失效，O 形圈嚴(yán)重老化、失去彈性，其中四級填料密封環(huán)變形嚴(yán)重，阻流環(huán)與徑向密封環(huán)老化粘結(jié)成一體、失去密封效果，導(dǎo)致氣缸內(nèi)氧氣泄漏。

4.1 循環(huán)冷卻水泥沙和粗纖維物質(zhì)分析

循環(huán)冷卻水塔塔底有3 年多未清理淤泥，循環(huán)水塔在運行中空氣中懸浮的微小顆粒與水接觸吸附在水中被水溶解，逐漸聚集成沉淀物質(zhì)。循環(huán)水塔附近有大量的樹木，10 月份正值秋季，樹葉會被大風(fēng)吹落進(jìn)入循環(huán)水，在水流下聚集在過濾器上，微生物在水中繁殖、將樹葉等腐蝕分解，被分解的樹葉通過過濾網(wǎng)進(jìn)入泵內(nèi)、隨后進(jìn)入氧壓機氣堵塞填料密封水路，最終導(dǎo)致密封泄漏失效。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，粗纖維物質(zhì)為樹葉腐爛打碎后的狀態(tài)，泥沙為藻類及微生物等。

4.2 填料函密封面嚴(yán)重腐蝕

解體氣封填料函，在填料函的端面發(fā)現(xiàn)有腐蝕凹坑，這直接影響密封效果。往復(fù)式氧壓機處于壓縮狀態(tài)時，填料函內(nèi)部壓力升高，氧氣會通過填料函的端面密封進(jìn)入循環(huán)水冷卻水，為微生物提供氧氣、使之大量繁殖，產(chǎn)生的大量泥沙堵塞循環(huán)水流道（圖3）。

圖3 填料函端面腐蝕

4.3 填料函的循水折反流道有設(shè)計缺陷

流道寬20 mm，而填料函的循環(huán)水折反流道只有5 mm寬，存在設(shè)計方面的缺陷。循環(huán)水進(jìn)入氣封填料函后，經(jīng)過4 次折反后壓力逐漸降低，循環(huán)水中的沉積物因為壓力下降留在填料函流道內(nèi)，日積月累會堵塞填料函流道。

解體氣封時發(fā)現(xiàn)，氣封循環(huán)水入口流道的沉積物堆積明顯少于循環(huán)水出口流道，且出口流道已經(jīng)堵滿泥沙和粗纖維物質(zhì)等，氣封與活塞桿摩擦產(chǎn)生的大量熱量無法及時釋出，導(dǎo)致密封環(huán)受熱變形失效（圖4）。

圖4 填料函流道泥沙堆積

4.4 填料密封環(huán)材料耐高溫能力不足

聯(lián)系廠家后發(fā)現(xiàn)，填料密封環(huán)的材料為聚四氟乙烯，其韌性較好，耐高溫達(dá)250 ℃、低溫-180 ℃。而往復(fù)式氧壓機泄漏的氧氣具有高氧化性，加速了聚四氟乙烯的老化，導(dǎo)致其耐高溫能力和抗壓能力下降。在活塞每完成一次壓縮與膨脹的過程中，氣缸內(nèi)壓力頻繁波動，導(dǎo)致活塞桿填料密封面處承受一個脈動壓力，這樣填料密封環(huán)受到交變應(yīng)力的作用，同時還要承受著氧氣的高氧化性作用和高壓、高溫，導(dǎo)致密封環(huán)性能急劇下降，這也是影響填料使用壽命的重要因素之一。

4.5 其他因素

查詢往復(fù)式氧壓機檢修記錄，發(fā)現(xiàn)在上次回裝時切向填料密封環(huán)厚度比以前多了0.08 mm，在每個填料函內(nèi)安裝一副切向填料密封環(huán)和徑向填料密封環(huán)后間隙為0.32 mm，標(biāo)準(zhǔn)填料函安裝間隙要求為0.38～0.42 mm、比標(biāo)準(zhǔn)間隙小了0.06 mm。這樣在壓縮機工作時，填料密封環(huán)的運動間隙變小，而高壓氣體通過填料函與活塞桿縫隙進(jìn)入填料函內(nèi)，密封環(huán)之間由于擠壓熱量急劇增加極易發(fā)生老化粘結(jié)、密封失效，還會造成填料環(huán)變形失效、出現(xiàn)結(jié)焦等現(xiàn)象。檢修作業(yè)時候，填料一定按照技術(shù)要求進(jìn)行回裝。

5 日常巡檢中填料密封失效進(jìn)行預(yù)防及處理

5.1 往復(fù)式氧壓縮機備臺時

（1）在往復(fù)式氧壓縮機做備臺時候，每周進(jìn)行一次盤車處理，每次盤車時間至少20 min。

（2）盤車后活塞桿要放在不同的位置。在盤車的時候，要仔細(xì)查看各級氣封的視鏡是否有氣泡產(chǎn)生。

5.2 往復(fù)式氧壓縮機正常運行時

（1）操作人員和維護人員必須認(rèn)真學(xué)習(xí)往復(fù)式氧壓機的操作規(guī)程，在日常巡檢中嚴(yán)格按操作規(guī)程操作：發(fā)現(xiàn)氧壓機在超溫、超壓、超負(fù)荷、超速情況下運行時應(yīng)立即組織倒機；應(yīng)按規(guī)定的巡回檢查時間、路線、內(nèi)容，如氧壓機的出入口壓力、轉(zhuǎn)速、振動、油溫、油壓、過程儀表、安全柵、繼電器等是否處在合格位置；對這些部位進(jìn)行檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題、處理缺陷；認(rèn)真填寫運行記錄、巡檢記錄和操作日記。發(fā)現(xiàn)氧壓機運行異常時，應(yīng)立即檢查原因、采取措施、及時報告。在緊急情況下操作人員按照操作規(guī)程采取果斷措施進(jìn)行處置，氧壓機故障停機后應(yīng)認(rèn)真檢查、分析原因，不得盲目開機。

（2）認(rèn)真查詢實時監(jiān)測儀表及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對氧壓機各級氣封處測量氧含量情況，發(fā)現(xiàn)氧含量報警時就應(yīng)立即停車處理，同時觀察現(xiàn)場氧壓縮機上下水視鏡中是否有氣泡，有氣泡則說明有氣體串入水路中，要立即查找原因。

5.3 氣封填料函檢維修時

（1）氣封填料函研磨標(biāo)準(zhǔn)為0.38～0.42 mm，每個填料函中密封環(huán)要低于填料函的深度。一般氣封填料環(huán)研磨時，研磨切向密封環(huán)，切向密封好研磨不易散架。每次檢修回裝時，由于腐蝕嚴(yán)重，填料函要測量填料函深度。

（2）脫脂面積方面要求：①各級氣封的填料函，密封環(huán)，O 形圈，套筒必須進(jìn)行脫脂處理，取樣合格后方可回裝；②各級氣封回裝完成后要進(jìn)行水壓試驗，水壓試驗要求壓力為1.2 MPa，保壓30 min 內(nèi)壓力在1.0～1.2 MPa 即合格。

6 結(jié)束語

往復(fù)式氧縮機是空分裝置的關(guān)鍵機組，而填料密封泄漏是制約往復(fù)式氧縮機長周期運行的關(guān)鍵問題，填料密封一旦發(fā)生氧氣泄漏就會發(fā)生著火爆炸事故，直接經(jīng)濟損失嚴(yán)重。在日常巡檢中，操作人員和維護人員要認(rèn)真查看往復(fù)式氧縮機各項運行參數(shù)的異常變化，發(fā)現(xiàn)問題要及時處理，確保往復(fù)式氧縮機的長周期、安全運行。