循環(huán)氫離心壓縮機(jī)干氣密封失效的原因分析與改進(jìn)

許思維，宋迎劍，康少華，于貴福，雷錫峰，劉 娜

（中國石油廣西石化分公司，廣西 欽州 535000）

某石化公司加氫裝置采用UOP工藝包，設(shè)計(jì)規(guī)模220萬t·a-1，裝置年開工時(shí)數(shù)8400h，操作彈性60%～110%。裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)型號(hào)為BCL405，功率2600kW，采用干氣密封作為軸密封。干氣密封的流程為：循環(huán)氫壓機(jī)出口抽出→水冷器冷卻→分液罐（容積擴(kuò)容至0.59m3）→除濕器→蒸汽加熱器→管路電伴熱（溫度加熱至90℃以上）→密封系統(tǒng)（T形槽密封）。干氣密封是干運(yùn)轉(zhuǎn)、氣體潤滑、非接觸式機(jī)械端面密封的簡稱，特點(diǎn)是以氣封氣、非接觸、氣膜潤滑、功耗低、壽命長、可靠性高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。與高速機(jī)械密封相比，干氣密封的密封面寬，旋轉(zhuǎn)環(huán)（硬環(huán)）密封面刻有微米量級(jí)的動(dòng)壓槽，密封面分為槽區(qū)和壩區(qū)兩部分（圖1）。目前最先進(jìn)的干氣密封是高速透平機(jī)械軸端密封型式，是設(shè)計(jì)院、主機(jī)廠和終端用戶首選的大機(jī)組軸端密封型式。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

1 故障現(xiàn)象

本次出現(xiàn)故障的干氣密封是型號(hào)為Gaspac L、帶有中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封，密封面槽型為T型。動(dòng)環(huán)材料為SiN氮化硅，靜環(huán)材料為SiC，表面有金剛石涂層。密封氣介質(zhì)為循環(huán)氫，溫度90～100℃，壓力16MPa。密封的泄漏部位為一級(jí)密封環(huán)（圖2）。對(duì)干氣密封進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)端的一級(jí)密封靜環(huán)發(fā)生了磨損，非驅(qū)動(dòng)端的一級(jí)密封排氣流道有明顯淚痕。

圖2 一級(jí)密封環(huán)泄漏部位

2 原因分析

2.1 干氣密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)照API 692《壓縮機(jī)干氣密封標(biāo)準(zhǔn)》，干氣密封系統(tǒng)的配置完全符合API要求（圖3）。其中B1為冷卻單元，B2為過濾單元，B3為增壓單元，B4為加熱單元。

圖3 API標(biāo)準(zhǔn)配置

干氣密封按照T型槽進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖4）。裝置在異常情況下發(fā)生介質(zhì)帶液時(shí)，T型槽密封的抗干擾能力不足，螺旋槽形式的密封則能提高裝置抗異常波動(dòng)的能力。

圖4 T型槽

2.2 機(jī)械原因

檢查壓縮機(jī)的軸瓦振動(dòng)和軸位移情況，在泄漏量波動(dòng)期間，循環(huán)氫壓縮機(jī)的軸位移穩(wěn)定無變化，驅(qū)動(dòng)端一個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)在8～10μm之間變化，波動(dòng)在正常范圍內(nèi)。

2.3 干氣密封過濾器濾芯

拆除過濾器濾芯進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部含有部分黑色細(xì)小粉末。對(duì)黑色粉末進(jìn)行化驗(yàn)分析，結(jié)果見表1。分析采集樣品中各元素的來源：① S元素在整個(gè)循環(huán)氫中主要以H2S形式存在，而H2S是加氫反應(yīng)必然的生成物；② Fe元素是循環(huán)氫管線中的腐蝕產(chǎn)物，以硫化亞鐵的形式存在；③ O元素是垢樣在空氣中氧化產(chǎn)生的，并非介質(zhì)中攜帶。Al2O3含量為9.619%，說明催化劑瓷球的粉末穿透整個(gè)流程進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)中，不會(huì)導(dǎo)致干氣密封失效。

表1 黑色粉末的化驗(yàn)分析結(jié)果

2.4 運(yùn)行介質(zhì)分析

裝置開工初期，循環(huán)氫中的氫氣純度均在96%以上，循環(huán)氫中的其他組分尤其是C3以上的重組分，均優(yōu)于設(shè)計(jì)條件。由6月1日8：00的循環(huán)氫組成分析結(jié)果，可計(jì)算出循環(huán)氫的露點(diǎn)為45.7℃。根據(jù)洛陽院和UOP的設(shè)計(jì)工藝條件，循環(huán)氫中應(yīng)含有0.12mol%的水蒸氣，折算成單質(zhì)水的露點(diǎn)溫度為57℃。當(dāng)時(shí)的空冷出口溫度為49℃，壓縮機(jī)的出口溫度為65℃，干氣密封加熱后的溫度為94℃，均高于循環(huán)氫的露點(diǎn)溫度，從操作溫度上判斷，正常生產(chǎn)狀態(tài)下，循環(huán)氫不具備產(chǎn)生凝液的條件。

2.5 干氣密封帶液

對(duì)比了歷次干氣密封發(fā)生泄漏時(shí)驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端的泄漏量，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的干氣密封漏氣量均同時(shí)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，說明密封波動(dòng)的原因是由共同的介質(zhì)因素導(dǎo)致的，而不是密封本體發(fā)生了故障。打開干氣密封腔體，發(fā)現(xiàn)有液體存在。進(jìn)一步對(duì)此次干氣密封失效時(shí)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。在此次開機(jī)前，裝置出現(xiàn)了一次緊急停工。在緊急情況下，裝置需要啟動(dòng)7bar放空，以確保裝置達(dá)到退守狀態(tài)（圖5）。啟動(dòng)緊急放空后，經(jīng)過冷高分V106的氣體流量迅速增大，導(dǎo)致冷高分失去了氣液分離能力，大量含有液體和雜質(zhì)的氣體穿透冷高分，大部分至高壓火炬系統(tǒng)。此時(shí)循環(huán)氫壓縮機(jī)仍在運(yùn)行，所以另一部分含有大量液體和雜質(zhì)的循環(huán)氫在壓縮機(jī)入口管線中沉積。

圖5 裝置緊急泄壓系統(tǒng)

3 故障原因結(jié)論

在上一次裝置的緊急停工中，壓縮機(jī)入口管線中沉積的含有大量液體和雜質(zhì)的循環(huán)氫，在再次開機(jī)前，隨著循環(huán)氫的流通，被帶到下游的干氣密封系統(tǒng)中，導(dǎo)致密封受到污染。干氣密封帶液，導(dǎo)致動(dòng)靜密封環(huán)失去動(dòng)壓效應(yīng)，從而引起密封面發(fā)生磨損失效。裝置在異常情況下發(fā)生介質(zhì)帶液時(shí)，干氣密封T型槽密封的抗干擾能力不足。

4 應(yīng)對(duì)策略及效果

對(duì)異常狀態(tài)后恢復(fù)生產(chǎn)的操作進(jìn)行優(yōu)化，以消除裝置緊急停工再啟動(dòng)泄壓后，循環(huán)氫系統(tǒng)帶液和帶雜質(zhì)的影響?；謴?fù)生產(chǎn)前，應(yīng)對(duì)整個(gè)循環(huán)氫系統(tǒng)進(jìn)行徹底的脫液和置換。打開壓縮機(jī)入口閥之前，要對(duì)壓縮機(jī)的入口管線進(jìn)行充分置換，置換量應(yīng)不小于系統(tǒng)的管線容積（管線容積1200Nm3），且持續(xù)排放與間斷排放要交替進(jìn)行。

為了提高干氣密封自身抗異常工況干擾的能力，將T型槽改為螺旋槽（圖6），利用螺旋槽較好的動(dòng)壓效應(yīng)來提高氣膜的剛度，可在一定程度上提高密封的抗干擾能力。對(duì)新干氣密封的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試（圖7），測試合格后方可使用。

圖6 螺旋槽

圖7 新干氣密封的各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

保證循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封的長周期運(yùn)行是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，要從原始設(shè)計(jì)、工藝流程完善、原料質(zhì)量控制、工藝條件變更、密封選型、操作條件優(yōu)化、設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)、新技術(shù)引進(jìn)等方面進(jìn)行統(tǒng)籌管理，生產(chǎn)和設(shè)備專業(yè)要緊密配合，根據(jù)介質(zhì)、操作條件、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等變化情況，隨時(shí)優(yōu)化調(diào)整操作。找出系統(tǒng)帶液和雜質(zhì)的根本原因并采取有效的預(yù)防措施，提高對(duì)系統(tǒng)中變化量的敏感性，定期組織開展工藝技術(shù)分析，充分辨識(shí)工藝調(diào)整帶來的系統(tǒng)性變化和危害，方可確保干氣密封的長周期運(yùn)行。