干氣密封在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及解決措施

汪禮亮

（南京揚(yáng)子石化林德氣體有限責(zé)任公司，江蘇南京 210048）

引言

在煉化企業(yè)中，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備作為生產(chǎn)裝置中動(dòng)力的提供者，其作用至關(guān)重要。近年來，隨著加工原料的劣質(zhì)化，以及加工深度的不斷深化，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在使用中出現(xiàn)泄漏的幾率大幅上升；特別是近些年，中石化、中石油、中海油旗下的企業(yè)由于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備泄漏造成的裝置停工乃至著火的事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)生產(chǎn)造成的影響十分惡劣，因此有效地解決機(jī)泵、機(jī)組泄漏成了廣大工程技術(shù)人員工作的主要目標(biāo)之一。

干氣密封的密封形式為干式運(yùn)行、氣體潤滑密封，其達(dá)到密封泄漏的原理是通過在機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)上增加了動(dòng)壓槽及相應(yīng)設(shè)置了輔助系統(tǒng)，它主要采用“以氣封氣”或“以氣封液”的原理來實(shí)現(xiàn)工藝介質(zhì)的零逸出和零泄漏［1］。主要用于大型氣體壓縮機(jī)和氣態(tài)烴泵上，隨著人們對(duì)干氣密封的認(rèn)識(shí)的不斷加深，干氣密封已經(jīng)越來越多地在催化裝置、焦化裝置的富氣壓縮機(jī)、加氫裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)以及乙烯裝置等大型機(jī)組上作為配套密封優(yōu)先使用。

1 干氣密封的基本結(jié)構(gòu)及常見形式

1.1 干氣基本結(jié)構(gòu)及原理

一般情況下，靜環(huán)、動(dòng)環(huán)組件（旋轉(zhuǎn)環(huán)）、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座是典型的干氣密封結(jié)構(gòu)包含的零部件。其中靜環(huán)安裝于不銹鋼彈簧座內(nèi)，用副密封O 形圈進(jìn)行靜密封。靜環(huán)與固定在轉(zhuǎn)子上的動(dòng)環(huán)件通過彈簧在密封沒有負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行配合，如圖1所示［2］。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)圖

干氣密封在動(dòng)環(huán)組件和靜環(huán)的配合處氣體密封有其先進(jìn)特有的方法，配合表面要求具有很高的平面度和光潔度，并有一系列的螺旋槽設(shè)置在動(dòng)環(huán)組件配合表面上，如圖2所示。

圖2 動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)圖

其主要工作原理為隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體被向內(nèi)送到了動(dòng)環(huán)螺旋槽的根部，根部以外的有一段無槽區(qū)稱為密封壩。密封壩的作用為對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生了反向阻力，增加氣體的膜壓力。密封壩的內(nèi)側(cè)通過設(shè)置了一系列的反向螺旋槽，為反向泵送、改善配合表面壓力分布，從而增大開啟靜環(huán)與動(dòng)環(huán)組件之間氣隙的能力。配合表面間的壓力使得靜環(huán)表面與動(dòng)環(huán)組件之間脫離，保持一個(gè)一般為3 μm左右的間隙。當(dāng)氣體壓力和彈簧力產(chǎn)生的閉合壓力與氣體膜的開啟壓力相同時(shí)，便可以建立穩(wěn)定的平衡間隙。在動(dòng)力平衡條件下，可以使靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩(wěn)定性很高的氣體薄膜，使得在一般的動(dòng)力運(yùn)行條件下密封端面能保持分離、不接觸、不易磨損，從而延長了使用壽命［3］。

1.2 干氣密封常見形式及適用工況

目前，石油化工企業(yè)中常見的有以下4 種結(jié)構(gòu)形式干氣密封。

（1）單端面密封：主要適用有于少量工藝氣泄漏到大氣中無危害的情況。

（2）串聯(lián)式干氣密封（機(jī)械+干氣密封）：主要適用于允許有少量工藝氣泄漏到大氣的情況。

（3）中間帶迷宮的串聯(lián)密封：主要適用于不允許任何工藝介質(zhì)泄漏到大氣中，且也不允許阻封氣泄漏到工藝介質(zhì)中的情況，故此時(shí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩級(jí)密封間可加迷宮密封。

（4）雙端面密封：主要適用于不允許工藝氣泄漏到大氣中，但允許阻封氣（例如氮?dú)猓┻M(jìn)入機(jī)內(nèi)的情況。

2 干氣密封的主要優(yōu)點(diǎn)

與我們過去使用的浮環(huán)式密封比較，干氣密封主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以省去龐大的密封油系統(tǒng)，節(jié)省了驅(qū)動(dòng)密封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)泵、電加熱器等用電設(shè)備的功率消耗。

（2）減少了計(jì)劃外修理費(fèi)用和生產(chǎn)停機(jī)次數(shù)。

（3）可以避免工藝氣體被油污染的概率。

（4）密封氣泄漏量較小，消耗降低。

（5）維護(hù)簡單，用時(shí)少、費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

（6）不需要機(jī)泵等驅(qū)動(dòng)，故能耗低。

（7）干氣密封由于其形式上獨(dú)有的特點(diǎn)，還具備壽命長，運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。

3 干氣密封在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題及解決措施

干氣密封雖然具有不少的優(yōu)點(diǎn)，但在使用中也出現(xiàn)了一些不穩(wěn)定甚至失效的情況，或多或少的影響了著關(guān)鍵機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%干氣密封失效是由于密封面污染引起的，本文就干氣密封在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題密封面污染進(jìn)行探討。

3.1 干氣密封主密封氣帶液污染

3.1.1 案例

2008 年9 月19 日，某廠加氫裂化循環(huán)氫壓縮機(jī)C3001 因驅(qū)動(dòng)端干氣密封一級(jí)泄漏量（PDIS3953）高，聯(lián)鎖停機(jī)。加裂循環(huán)機(jī)停機(jī)后，緊急泄壓閥自動(dòng)打開裝置泄壓。對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)拆檢發(fā)現(xiàn)干氣密封的一級(jí)密封面嚴(yán)重磨損，是密封氣帶液導(dǎo)致。

3.1.2 問題分析

該循環(huán)氫壓縮機(jī)的主機(jī)生產(chǎn)廠家為沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠配套，型號(hào)BCL407，驅(qū)動(dòng)機(jī)為杭汽生產(chǎn)的背壓式汽輪機(jī)，型號(hào)NG32/25 型。循環(huán)氫壓縮機(jī)軸端密封使用的是FLOWSERVE 生產(chǎn)的PAC984 雙向串聯(lián)式干氣密封。串聯(lián)式干氣密封由前后串聯(lián)布置了兩組單端面干氣密封組成。承受全部的壓差為第一級(jí)干氣密封，即主密封，主密封氣使用的是循環(huán)氫壓縮機(jī)出口的工藝氣，設(shè)計(jì)壓力為15.9 MPa，氣體引出后先后經(jīng)過氣封氣冷卻器、緩沖排液罐，最后進(jìn)入到干氣密封控制盤。第二級(jí)干氣密封為輔助安全密封，使用氮?dú)庾鳛槊芊鈿?，通常情況工作壓力很低，其摩擦副也始終保持不接觸狀態(tài)下運(yùn)行，因?yàn)闆]有任何磨損，所有可以始終處于理想的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。若第一級(jí)密封失效，第二級(jí)密封可以迅速承受比較大的壓差，起到密封作用，避免當(dāng)密封失效工藝介質(zhì)氣體在現(xiàn)場(chǎng)泄漏［4］。整個(gè)流程如圖3所示。

圖3 循環(huán)氫壓縮機(jī)主密封氣流程圖

該機(jī)組流程設(shè)計(jì)的初始想法：為了降低密封干氣的帶液現(xiàn)象，故將壓縮機(jī)出口氣體冷卻后排出飽和液。但是同時(shí)帶來了另一個(gè)難題：密封干氣溫度降低了，但是密封氣包含的水分增多，一旦在緩沖罐中未能分離，水分經(jīng)過管線流動(dòng)進(jìn)一步降溫后析出液相組分，進(jìn)入到了干氣密封控制盤。使得密封氣帶液污染密封面，造成了動(dòng)、靜環(huán)的密封端面粘合。密封面上就不能夠保持足夠的剛性氣膜，進(jìn)而造成壓縮機(jī)不能達(dá)到阻止介質(zhì)氣體的泄露，密封損壞。

3.1.3 解決措施

（1）保證主密封氣的溫度，減小甚至停掉氣封氣冷卻器E3009的冷卻水量。

（2）對(duì)緩沖罐出口后的主密封氣管線增加蒸汽伴熱，從而提高主密封氣溫度。

（3）增加一路新的氫氣源，提高主密封氣的可靠性。

（4）對(duì)緩沖排液罐V3025 及時(shí)排液，避免液相帶入。

3.2 干氣密封主密封氣壓力過低或短暫失壓

3.2.1 案例

某化工公司煤化工部P-404C 貧甲醇泵從2012年開車以來運(yùn)行一直都比較正常，但在2014 年9 月初大修開車后，在運(yùn)行約一周左右密封壓蓋溫度高達(dá)110 ℃，發(fā)生密封泄漏。

（1）冷凝器結(jié)垢，造成冷凍機(jī)制冷量降低冷凍水溫度升高，從而空冷塔出口空氣溫度升高，增大分子篩系統(tǒng)及主換熱器工作負(fù)荷。

3.2.2 問題分析

該泵由重慶水泵廠生產(chǎn)，型號(hào)為SDT200-130；其作用為將收集在V-406 中的貧甲醇經(jīng)加壓至8.97 MPa 后進(jìn)入1#貧甲醇冷卻器E-411；軸端密封采用了四川日機(jī)生產(chǎn)的雙端面干氣密封，經(jīng)解體檢查密封損壞的情況主要如下：介質(zhì)側(cè)靜環(huán)端面有明顯磨痕，密封腔室有大量介質(zhì)進(jìn)入；介質(zhì)側(cè)動(dòng)環(huán)明顯磨痕，但浮動(dòng)性良好，彈簧座內(nèi)圓面附著大量雜質(zhì)；大氣側(cè)靜環(huán)端面有明顯磨痕，靜環(huán)O型圈嚴(yán)重碳化；大氣側(cè)動(dòng)環(huán)端面有明顯磨痕，且浮動(dòng)性很差，按壓后無法彈起（如圖4）。

圖4 密封損壞情況

從密封的拆解情況可以判斷密封失效的過程是：密封腔內(nèi)帶液并有大量雜質(zhì)沉積，阻封氮?dú)夂兔芊馇坏膲翰顭o法保證，造成大氣側(cè)密封端面干摩擦，密封壓蓋溫度急劇上升，從而導(dǎo)致密封失效。雙端面干氣密封沒有承受反壓的能力，設(shè)計(jì)要求阻封氮?dú)鈮毫κ冀K大于被密封的介質(zhì)壓力，API 682規(guī)定至少保證0.175 MPa 以上，如果一旦發(fā)生差壓過低甚至無差壓的情況，被密封的介質(zhì)將通過介質(zhì)側(cè)密封端面迅速進(jìn)入密封內(nèi)。大量介質(zhì)進(jìn)入密封端面，特別是高速轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備（離心泵、壓縮機(jī)）將會(huì)導(dǎo)致密封端面無法脫開，運(yùn)行時(shí)劇烈溫升，零件受到熱沖擊而迅速損壞。

3.2.3 解決措施

為確保密封能夠正常的運(yùn)行，故需保證阻封氮?dú)飧稍锔蓛暨B續(xù)穩(wěn)定的供給，不可發(fā)生壓力過低甚至斷氣的情況，一旦發(fā)生此種狀況，則密封的性能可能會(huì)很快失效。解決措施如下：

（1）為確保壓力運(yùn)行過程中的監(jiān)測(cè)，建議將控制系統(tǒng)的壓力報(bào)警連入DCS。

（2）為確保干氣密封的N2源為干氣密封提供干凈的起源，請(qǐng)定期檢查過濾器濾芯，必要時(shí)進(jìn)行更換。

3.3 火炬氣反串污染

2006 年11 月16 日某廠加氫裂化循環(huán)氫壓縮機(jī)開機(jī)過程中因干氣密封泄漏量大，聯(lián)鎖停機(jī)，0.7MPa 放空，裝置緊急停工。經(jīng)檢查，一級(jí)主密封火炬系統(tǒng)爆破膜反向擊穿。

3.3.2 問題分析

該循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)泄漏放火炬流程如圖5所示。

圖5 干氣密封一級(jí)泄漏放火炬流程圖

從流程中可以看出壓縮機(jī)的運(yùn)行及維護(hù)上有很大的隱患：在安裝爆破膜的副線上除了裝有爆破膜就沒有其它任何管件，安裝爆破膜的副線存在火炬倒竄的隱患。在壓縮機(jī)停機(jī)檢修時(shí)，因?yàn)楣に囅蚧鹁嫘箟海瑢?dǎo)致爆破膜被反向擊穿，使大量火炬氣能倒竄進(jìn)入到密封系統(tǒng)，火炬氣中夾雜的大量液體和固體顆粒進(jìn)入干氣密封，破壞污染密封面的清潔度，導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)在開機(jī)升速時(shí)密封發(fā)生泄漏，壓縮機(jī)因?yàn)樾孤┝扛吒邎?bào)警而聯(lián)鎖停機(jī)。

3.3.3 解決措施

（1）在副線上爆破膜之后加裝了一個(gè)單向閥。

（2）停車吹掃時(shí)，工藝操作注意火炬排放壓力。

3.4 潤滑油污染

3.4.1 案例

2010 年11 月29 日，某廠柴油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)檢修更換干氣密封，干氣密封安裝完畢后做靜態(tài)試驗(yàn)，先投主密封氣正常，再投二次密封氣和隔離氣時(shí)，發(fā)現(xiàn)隔離密封有大量油溢出，造成二級(jí)密封密封面污染，二級(jí)密封返廠檢修。

3.4.2 問題分析

該循環(huán)氫壓縮機(jī)在停機(jī)過程中，由于沒按照操作規(guī)程操作，先停隔離氣，再停油泵，導(dǎo)致潤滑油進(jìn)入隔離氣密封及隔離氣管線；而在拆除舊密封過程中，由于工人疏忽，沒有注意到隔離氣密封及二次密封帶油問題；同時(shí)隔離氣管線在投用前沒有吹掃，所以造成了新的密封被污染。

3.4.3 解決措施

（1）停機(jī)時(shí)先停潤滑油泵，再停隔離氣。

（2）密封氣管線要徹底吹掃干凈后再投用。

（3）對(duì)拆除的舊密封進(jìn)行仔細(xì)檢查。

4 結(jié)束語

干氣密封在實(shí)際使用中的污染還有其他很多方式，這里只是針對(duì)我們所遇到的幾種情況進(jìn)行分析，希望對(duì)其他同類設(shè)備使用起到借鑒作用。隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，干氣密封的故障會(huì)與轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備一樣，出現(xiàn)一些意想不到的復(fù)雜問題，需要我們不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性地展開攻關(guān)活動(dòng)，只有從根本上解決問題，才能保證機(jī)組長周期運(yùn)行，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供可靠的保障。