壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)泄漏流量低原因分析及處理

趙 亮

（中國(guó)石油大慶石化分公司化工一廠，黑龍江大慶 163000）

1 干氣密封的結(jié)構(gòu)和原理

干氣密封是一種非接觸端部密封，由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧、彈簧座、軸套、定位環(huán)等部件組成（圖1）。它在動(dòng)環(huán)的密封面上開有流體動(dòng)壓槽，當(dāng)動(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)中潔凈的氣體進(jìn)入動(dòng)壓槽，遇到密封壩后氣體受壓、壓力升高產(chǎn)生間隙，在兩端面間形成一層厚約3 μm 的氣膜。氣膜產(chǎn)生的推力將動(dòng)靜環(huán)推開，使密封端面不接觸。氣體動(dòng)力學(xué)表明，當(dāng)干氣密封兩端面的間隙在2～3 μm 時(shí)，通過間隙的氣體流動(dòng)層最為穩(wěn)定。氣膜有一定的剛度，當(dāng)氣體作用力和彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時(shí)氣膜的剛度最為穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)密封效果。動(dòng)環(huán)密封面開槽形式主要有單向螺旋槽、雙向螺旋槽兩種形式（圖2～圖3）。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

圖2 單向螺旋槽形成氣膜示意

圖3 雙向螺旋槽形成氣膜示意

2 干氣密封一級(jí)泄漏流量降低故障描述

2.1 故障描述

裂解氣壓縮機(jī)EC-1301 分為高壓缸、中壓缸、低壓缸3 個(gè)缸體，每個(gè)缸體兩側(cè)軸端分別安裝有一套串聯(lián)式雙端面干氣密封，共計(jì)6 套密封。

高壓缸高壓側(cè)干氣密封一級(jí)泄漏流量正常值為7 Nm3/h，二級(jí)泄漏氣體中可燃?xì)夂繛?。2019 年9 月，一級(jí)泄漏流量開始出現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，2019 年11 月降至3.6 Nm3/h（報(bào)警值4 Nm3/h），2020 年2 月降至0，同時(shí)在二級(jí)泄漏管路中檢測(cè)到可燃?xì)夂繛?%。通過增大二級(jí)密封氣進(jìn)氣流量，保證一級(jí)泄漏流量不低于1 Nm3/h 運(yùn)行。

2.2 故障排查過程

（1）排查一級(jí)密封氣的進(jìn)氣流量，自開工運(yùn)行至今穩(wěn)定在150 Nm3/h 無變化，一級(jí)密封氣與高壓缸平衡管壓差設(shè)定在0.1 MPa 無明顯變化，同時(shí)壓差調(diào)節(jié)閥閥位穩(wěn)定在90%左右無明顯變化。

（2）排查二級(jí)密封氣進(jìn)氣流量，自開工至今始終設(shè)定在7 Nm3/h，未發(fā)生變化。

（3）排查二級(jí)密封氣進(jìn)氣、一級(jí)泄漏管路流程，氣密無泄漏，二級(jí)密封氣注入正常，一級(jí)泄漏管路無泄漏。

（4）排查工藝系統(tǒng)壓縮機(jī)四段吸入壓力、溫度、流量，無明顯變化。

（5）排查火炬管網(wǎng)壓力變化趨勢(shì)，當(dāng)火炬管網(wǎng)壓力高升時(shí)高壓側(cè)一級(jí)泄漏流量降低，但壓力恢復(fù)至正常值時(shí)泄漏流量不能恢復(fù)至原設(shè)定值，持續(xù)呈緩慢降低趨勢(shì)。

（6）拆檢一級(jí)密封泄漏限流孔板，無堵塞情況。

（7）將高壓缸兩側(cè)二級(jí)泄漏管線活接拆開，用手直觀感覺，高壓側(cè)泄漏流量比低壓側(cè)泄漏流量大，但未發(fā)現(xiàn)明顯磨損碳粉，初步推測(cè)減少的一級(jí)密封泄漏流量通過二級(jí)密封泄漏排出。

2.3 干氣密封調(diào)整情況

2019 年9 月至2020 年5 月，高壓缸高壓側(cè)一級(jí)泄漏流量降低呈惡化趨勢(shì)，3 次降低到0 Nm3/h，同時(shí)在二級(jí)泄漏管路中檢測(cè)到可燃?xì)怏w。操作人員相應(yīng)地對(duì)二級(jí)密封進(jìn)氣流量做了4次調(diào)整，每次調(diào)整維持1 個(gè)月左右，一級(jí)泄漏流量再次降至接近0 Nm3/h。具體調(diào)整時(shí)間為：2019 年11 月28 日，由7 Nm3/h 提到8 Nm3/h；2020 年2 月26 日，由8 Nm3/h 提到10.5 Nm3/h；2020 年3 月17 日，由10.5 Nm3/h 提到12 Nm3/h；2020 年5 月1 日，由12 Nm3/h 提到13 Nm3/h。

為確保一級(jí)泄漏流量在1 Nm3/h 以上、二級(jí)泄漏管路中無可燃?xì)怏w，調(diào)整具體情況如圖4 所示。

圖4 二級(jí)密封進(jìn)氣流量調(diào)整后一級(jí)泄漏流量變化趨勢(shì)

從以上變化趨勢(shì)可以得出：在火炬背壓不規(guī)則變化情況下，一級(jí)泄漏流量下降趨勢(shì)并沒有一個(gè)穩(wěn)定速率，每次人為干預(yù)，提高二級(jí)密封氣流量1 Nm3/h、一級(jí)泄漏流量增加0.9 Nm3/h，可以維持運(yùn)行約1 個(gè)月，但運(yùn)行狀態(tài)在持續(xù)惡化。

3 故障原因分析

綜合排查結(jié)果和調(diào)整參數(shù)變化，排除一級(jí)密封氣流量變化、二級(jí)密封氣流量變化、工況變化、一級(jí)泄漏孔板堵塞等因素，初步判斷可能存在3 個(gè)原因。

（1）高壓缸高壓側(cè)二級(jí)密封泄漏量增大，導(dǎo)致一級(jí)泄漏流量降低。由于二級(jí)泄漏排放至大氣，大氣環(huán)境壓力低于一級(jí)泄漏去火炬管網(wǎng)壓力，所以一級(jí)泄漏氣體優(yōu)先通過二級(jí)密封泄漏至大氣。以下3 種因素可能導(dǎo)致二級(jí)密封泄漏量增大：①動(dòng)靜環(huán)密封面磨損；②靜環(huán)浮動(dòng)性差，導(dǎo)致密封面貼合性不好；③靜環(huán)浮動(dòng)膠圈移位或變形，導(dǎo)致二級(jí)密封氣未經(jīng)過密封面，通過膠圈密封點(diǎn)處直接泄漏至大氣。

（2）一級(jí)泄漏排放孔被封堵，導(dǎo)致一級(jí)泄漏排放氣體受阻，流通量降低。以下兩種因素可能導(dǎo)致一級(jí)泄漏排放孔被封堵：①梳齒密封環(huán)移位，遮擋一級(jí)泄漏排放孔；②介質(zhì)中含有雜質(zhì)，堵塞一級(jí)泄漏排放孔。

（3）在缸體內(nèi)部，干氣密封管路的連接部位存在松動(dòng)，泄漏氣體，導(dǎo)致一級(jí)泄漏排放的氣量降低。主要分為以下兩種可能性：①二級(jí)密封進(jìn)氣為一級(jí)密封泄漏氣量的主要來源，如果二級(jí)密封進(jìn)氣管路泄漏則一級(jí)泄漏流量會(huì)降低；②在缸體內(nèi)部的一級(jí)泄漏管路連接部位松動(dòng)、存在泄漏，導(dǎo)致通過管路排放至火炬的氣量降低。

4 檢修情況及故障原因確定

（1）拆檢情況。機(jī)組停工檢修，打開缸體發(fā)現(xiàn)干氣密封一級(jí)泄漏排放孔被遮擋（圖5）。進(jìn)一步拆解密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)梳齒密封環(huán)發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，將一級(jí)泄漏排放孔封堵，影響一級(jí)泄漏氣體排出（圖6）。

圖5 一級(jí)泄漏排放孔被遮擋

圖6 拆檢干氣密封發(fā)現(xiàn)梳齒密封環(huán)偏移

（2）原因確定。由于密封廠家的制造缺陷，梳齒密封環(huán)的定位槽開孔位置存在偏差，且槽寬過長(zhǎng)，同時(shí)定位銷釘被磨平，起不到定位作用，導(dǎo)致梳齒密封環(huán)發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而遮擋一級(jí)泄漏排放孔，導(dǎo)致一級(jí)泄漏流量降低。

5 改進(jìn)措施

（1）本次檢修將干氣密封返回廠家重新加工，精確定位梳齒密封環(huán)定位槽開孔位置，并縮短定位槽寬度，同時(shí)提高定位銷的高度，保證梳齒密封環(huán)不發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，一級(jí)泄漏排放孔不會(huì)被遮擋（圖7）。開工后EC-1301 高壓缸高壓側(cè)一級(jí)泄漏流量在7.102～7.238 Nm3/h，為正常值，可穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 精確加工梳齒密封環(huán)定位槽寬度并提高定位銷高度

（2）加寬梳齒密封環(huán)與一級(jí)泄漏排放孔重合部位的開槽寬度，確保即使梳齒密封環(huán)發(fā)生周向運(yùn)動(dòng)也不會(huì)遮擋一級(jí)泄漏排放孔（圖8）。

圖8 加寬梳齒密封環(huán)與一級(jí)泄漏排放孔重合部位的開槽寬度

（3）減小梳齒密封環(huán)的厚度，使其與外殼留有間隙，即使梳齒密封環(huán)開槽處與一級(jí)泄漏排放孔不對(duì)應(yīng)，泄漏氣體也可以通過密封環(huán)與外殼之間的間隙，最終流向一級(jí)泄漏排放孔，起到雙重保險(xiǎn)作用（圖9）。該措施為本次向密封廠家提出的改進(jìn)建議，但本次檢修未實(shí)施。

圖9 減小梳齒密封環(huán)的加工厚度

6 總結(jié)

設(shè)備技術(shù)人員應(yīng)增強(qiáng)對(duì)密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理的學(xué)習(xí)，更加透徹地掌握密封的安裝過程。在密封出廠驗(yàn)收階段，如果能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)干氣密封梳齒密封環(huán)的定位槽加工存在尺寸偏差，在安裝投用前及時(shí)進(jìn)行整改，便可避免一次機(jī)組停工檢修事件。在面對(duì)其他干氣密封加工或安裝缺陷時(shí)，如果能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患，將大大減少故障停機(jī)的概率，對(duì)延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)行周期、提高裝置經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。