高壓壓縮機(jī)填料密封失效的原因分析

黃 華

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江江寧 315800）

高壓壓縮機(jī)填料密封失效的原因分析

黃 華

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江江寧 315800）

大型LNG接收站在運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生大量BOG，在外輸量較小時(shí)，利用高壓壓縮機(jī)對(duì)BOG進(jìn)行回收能夠有效避免BOG直接排放火炬造成的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。首先介紹了高壓壓縮機(jī)在LNG接收站的應(yīng)用以及某LNG接收站因高壓壓縮機(jī)運(yùn)行而引起火炬燃燒的問(wèn)題，再結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行深入分析和探討，最終找到了問(wèn)題的源頭。

LNG接收站；壓縮機(jī)；填料泄漏

近年來(lái)液化天然氣項(xiàng)目快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)LNG 接收站項(xiàng)目有福建、廣東大鵬、上海大型LNG接收站項(xiàng)目。蒸發(fā)氣（BOG）處理系統(tǒng)是 LNG 接收站的核心部分，是LNG接收站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)大型接收站的BOG處理工藝主要是再冷凝和直接壓縮兩種。而其中的直接壓縮工藝，就是將LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG氣體先使用低壓壓縮機(jī)初步加壓，再由高壓壓縮機(jī)直接加壓到管網(wǎng)所需壓力，進(jìn)入外輸管網(wǎng)至下游用戶而采用高壓壓縮機(jī)對(duì)BOG進(jìn)行直接加壓至外輸壓力。

1 背景

2016年1月，廠家對(duì)高壓壓縮機(jī)進(jìn)行了檢修。檢修發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，如后二級(jí)活塞桿陶瓷鍍層損壞，后二級(jí)氣缸缸座連接螺栓斷裂等。活塞桿返廠維修后陶瓷鍍層已恢復(fù)，缸座連接螺栓全部換新，填料也全部更換。2016年4月，高壓壓縮機(jī)進(jìn)行檢修后測(cè)試，測(cè)試結(jié)果一切正常。然而不久之后，工藝人員就發(fā)現(xiàn)火炬處經(jīng)常無(wú)故產(chǎn)生火焰。如果不找到問(wèn)題的癥結(jié)所在，那么長(zhǎng)時(shí)間的BOG燃燒將造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

經(jīng)過(guò)對(duì)該LNG接收站的觀察，火炬頭處的火焰在高壓壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，反之，當(dāng)高壓壓縮機(jī)停運(yùn)時(shí)，火炬頭則不會(huì)有火焰。因此，我們可以判定問(wèn)題的根源在于高壓壓縮機(jī)。

2 高壓壓縮機(jī)的密封形式及原理

高壓壓縮機(jī)的密封形式為機(jī)械密封，其密封件組成部分包括徑向環(huán)、切向環(huán)和阻流環(huán)，材料為聚四氟乙烯。密封環(huán)的作用是防止氣缸中的高壓氣體沿著活塞桿方向泄漏，它是壓縮機(jī)中最重要的零部件之一，也是壓縮機(jī)最主要的外泄漏途徑之一。通常情況下，我們常說(shuō)的填料密封環(huán)是一種動(dòng)密封環(huán)，即只有在壓縮機(jī)工作時(shí)才起密封作用（一般的壓力工況），而壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)或者其他特殊情況下，它并不能起密封作用。而在后者情況下起密封作用的密封環(huán)，我們通常稱為靜密封環(huán)。這里的動(dòng)密封指作用到填料密封環(huán)上的壓力隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而成明顯的周期變化，也即壓力為脈動(dòng)壓力，如通常的雙作用氣缸，這種脈動(dòng)變化的壓力是填料密封環(huán)密封氣體所必需的。為了便于說(shuō)明，下面以最常用的填料密封環(huán)（j見(jiàn)圖1）來(lái)解釋實(shí)際的工作原理，該環(huán)由一片徑向切口環(huán)和一片切向切口環(huán)組成，為典型的單作用環(huán)。

如圖2所示，狀態(tài)一為所需密封的工作氣缸端被壓縮時(shí)，填料密封環(huán)由于受氣體力的作用靠向低壓側(cè)，氣體從填料密封環(huán)與填料盒杯槽之間的軸向間隙和徑向環(huán)的切口間隙中進(jìn)入填料的外側(cè)，在氣體力的作用下形成三個(gè)密封面：徑向環(huán)與切向環(huán)切口錯(cuò)開(kāi)形成密封面、切向環(huán)與活塞桿表面形成密封面、切向環(huán)與杯槽側(cè)面形成密封面。這樣就阻止了氣體的泄漏，從而起到密封作用；當(dāng)氣缸吸氣時(shí)（如圖2狀態(tài)二），氣體通過(guò)徑向環(huán)的切口間隙部分回流進(jìn)氣缸。壓縮機(jī)的往復(fù)運(yùn)行周期：在壓縮階段，氣缸內(nèi)的高壓氣體作用在填料密封環(huán)上，在填料密封環(huán)前后形成壓差，各密封面在氣體壓差的作用下能夠很好的工作，氣體逐步泄漏到隨后的填料杯槽里并形成類似的密封形式，最終保證整個(gè)填料盒的密封效果；在吸氣階段，由于氣體通過(guò)填料密封環(huán)組中徑向環(huán)的切口回流到氣缸，填料杯槽內(nèi)的氣體壓力逐漸下降，因此這樣就可以保證在下一個(gè)壓縮過(guò)程中，填料密封環(huán)的前后又能建立起新的壓差，使填料密封環(huán)形成三個(gè)密封面，起到密封作用。

圖1 常用的填料密封環(huán)

圖2 氣缸工作狀態(tài)

填料函的冷卻方式為水冷。一般來(lái)講，填料環(huán)與活塞桿之間會(huì)有一個(gè)磨合的過(guò)程，經(jīng)過(guò)磨合，填料環(huán)內(nèi)的密封件能夠緊緊貼住活塞桿，使密封效果達(dá)到最佳。

3 原因分析

從前面所述可知，高壓壓縮機(jī)的密封是靠密封環(huán)的相互配合來(lái)完成的。在運(yùn)行過(guò)程中，填料環(huán)的冷卻方式為水冷。一般來(lái)講，填料環(huán)與活塞桿之間會(huì)有一個(gè)磨合的過(guò)程，經(jīng)過(guò)磨合，填料環(huán)內(nèi)的密封件能夠緊緊貼住活塞桿，使密封效果達(dá)到最佳。那么，高壓壓縮機(jī)的密封如何會(huì)失效呢？從密封原理來(lái)看，可以得知有以下幾個(gè)原因：

1）裝配時(shí)密封元件和填料盒間的軸向間隙太小，工作時(shí)氣體溫度高，密封元件受熱膨脹，造成密封失效。

2）密封件彈簧失效，填料解體。

3）填料過(guò)度磨損，失去自緊補(bǔ)償作用。

4）活塞桿過(guò)度磨損，尺寸變小。

5）填料盒冷卻效果差，填料溫度偏高，造成密封件損壞。

由于是廠家負(fù)責(zé)檢修工作，因此填料裝配和填料質(zhì)量這兩方面存在問(wèn)題的可能性不大。至于填料過(guò)度磨損也不太可能，聚四氟乙烯這種材料的產(chǎn)品摩擦系數(shù)很低，甚至可以作潤(rùn)滑之用。活塞桿過(guò)度磨損的可能性也很低。為了防止高壓壓縮機(jī)的活塞桿磨損，在活塞桿表面有陶瓷鍍層，而陶瓷的最大特性就是耐磨。

前面四個(gè)原因均不太可能，那么會(huì)不會(huì)是填料盒冷卻效果差這個(gè)原因呢？為什么會(huì)造成冷卻效果差，無(wú)非兩方面的原因：冷卻水流量過(guò)小和冷卻水溫度過(guò)高。冷卻水溫度主要受外界天氣影響，夏季熱則溫度偏高，通過(guò)啟動(dòng)冷卻水風(fēng)扇可以對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫。冬季冷則冷卻水溫度偏低，通過(guò)啟動(dòng)加熱器和冷卻水泵可以對(duì)冷卻水進(jìn)行升溫。夏季最熱時(shí)水溫一般可以維持在35℃左右，而冬季最冷時(shí)水溫一般可以維持在20℃左右。也就是說(shuō)，冷卻水的溫度常年在20～35℃之間，并不會(huì)出現(xiàn)冷卻水溫度過(guò)高的情況。那么就是冷卻水流量不足這個(gè)問(wèn)題了。從高壓壓縮機(jī)維修以后的運(yùn)行記錄來(lái)看，有個(gè)細(xì)節(jié)值得注意，那就是冷卻水泵出口壓力不斷提高，但下游冷卻水壓力卻始終很低（工藝人員巡檢時(shí)曾注意到，水泵出口壓力為0.5MPa時(shí)，管線末段壓力表讀數(shù)顯示不到0.01MPa）。這說(shuō)明，冷卻水管線內(nèi)存在堵塞，且堵塞比較嚴(yán)重。管道內(nèi)存在未清理的雜物是有可能的，但最重要的原因來(lái)源于冷卻水水質(zhì)。本人在查找相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，高壓壓縮機(jī)對(duì)冷卻水水質(zhì)有明確要求，必須是軟化水，否則長(zhǎng)期運(yùn)行后，水里的鈣鎂離子形成水垢，必然會(huì)造成管道堵塞。

將水軟化需要專門(mén)的軟化設(shè)備去除鈣鎂離子等，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性角度來(lái)講，遠(yuǎn)不如自來(lái)水。因此，在高壓壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，該LNG接收站用自來(lái)水替代了軟化水。長(zhǎng)期以往，問(wèn)題便產(chǎn)生了：管道內(nèi)水垢增多，管道流量減小，填料段的冷卻水量不足，活塞桿與填料之間摩擦產(chǎn)生的大量熱量無(wú)法及時(shí)被帶走，導(dǎo)致該處溫度升高。聚四氟乙烯耐高溫，因此填料密封環(huán)尚可保持完好，但活塞桿表面的陶瓷鍍層耐磨卻不耐高溫，持續(xù)的高溫將會(huì)燒壞陶瓷鍍層。

4 結(jié)論

由此，可以做出推測(cè)，由于該接收站使用自來(lái)水作為冷源，導(dǎo)致在長(zhǎng)期運(yùn)行后管道內(nèi)產(chǎn)生水垢，管道內(nèi)水流不暢，填料段得不到足夠冷卻，造成填料段與活塞桿之間溫度過(guò)高，最終燒壞了活塞桿表面陶瓷。至此，活塞桿與填料之間間距變大，二者無(wú)法緊密貼合，填料密封失效，而氣缸做功時(shí)一部分氣體便從填料段泄漏出去，排向火炬。

2016年3月，該LNG接收站對(duì)高壓壓縮機(jī)進(jìn)行再次檢修。在此次檢修過(guò)程中，我們的推斷得到了驗(yàn)證：密封環(huán)完好，而活塞桿表面則有燒壞的痕跡，凹凸不平。在對(duì)冷卻水管道進(jìn)行清洗后，該LNG接收站改用了軟化水作為冷源，密封環(huán)未予更換。在高壓壓縮機(jī)重新完成裝配工作后，啟動(dòng)測(cè)試。通過(guò)連續(xù)一周的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)漏氣回收管線排放口處的過(guò)氣量明顯減小，火炬頭未再出現(xiàn)火焰。

問(wèn)題的根源往往在于細(xì)節(jié)，對(duì)于化工行業(yè)更是如此。做好每一個(gè)細(xì)節(jié)，可能就會(huì)減少很多不必要的損失。

Cause High Pressure Compressor Packing Seal Failure Analysis

Huang Hua

Large LNG terminal during operation will generate a lot BOG，lose out when a small amount of high-pressure compressor for recycling BOG BOG can effectively avoid the direct discharge torch caused economic losses and environmental pollution. First introduced in the high-pressure compressor and the application of a LNG terminal LNG terminal due to high pressure compressor caused flaring problems，combined with the actual production situation，the issue in-depth analysis and discussion，and finally found the source of the problem.

LNG receiving station；compressor；packing leakage

TH45

B

1003–6490（2016）04–0094–02

2016–03–25

黃華（1988—），男，四川瀘州人，助理工程師，主要從事液化天然氣工藝操作工作。