西氣東輸GE壓縮機干氣密封失效分析及改造

仝 雷，郝福君，徐慶磊，劉少山，安云鵬，張 健

1.中國石油管道局工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油長慶油田分公司安全環保監督部烏審旗監督站，內蒙古鄂爾多斯 017300

3.石油天然氣工程質量監督總站，河北廊坊 065000

西氣東輸GE壓縮機干氣密封失效分析及改造

仝 雷1，郝福君2，徐慶磊1，劉少山1，安云鵬1，張 健3

1.中國石油管道局工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油長慶油田分公司安全環保監督部烏審旗監督站，內蒙古鄂爾多斯 017300

3.石油天然氣工程質量監督總站，河北廊坊 065000

西氣東輸一期干線管道酒泉、嘉峪關壓氣站GE壓縮機先后發生了干氣密封失效事故，導致壓縮機停機。針對干氣密封損壞情況，在分析了GE壓縮機干氣密封基本結構和工作原理的基礎上，進行干氣密封失效分析，指出了原因，并提出了改造方案：在不改變原有干氣密封機械部分的前提下，采用氮氣作為二級密封及隔離氣氣源；通過增設密封氣前置過濾器、加熱器，改進二級密封和隔離氣供氣系統，獨立設置二級密封放空，增設二級放空監控系統，有效提高了干氣密封、壓縮機運行的可靠性，消除了壓縮機干氣密封失效的安全隱患。

GE壓縮機；干氣密封；失效；密封改造；氮氣二級密封

西氣東輸管道起于新疆輪南，止于上海市，設計壓力10 MPa，干線管徑1 016 mm，一期干線管道全線設有22個壓氣站，其中12個站使用GE壓縮機。GE壓縮機的軸端密封均采用了干氣密封。干氣密封組件采用無級間密封的兩級串聯式干氣密封。2013年酒泉壓氣站、嘉峪關壓氣站先后發生了干氣密封失效事故，導致壓縮機停機，并造成一定的經濟損失[1-4]。通過對GE機組干氣密封失效分析，找出失效的原因，提出了改造方案。

1 GE壓縮機干氣密封工作原理

干氣密封機構、原理示意如圖1所示。密封氣采用壓縮機本體出口天然氣作為密封介質，隔離氣采用壓縮空氣。

圖1 干氣密封結構示意

第一級密封起主導作用，承擔密封全部過程壓力，第二級密封作為第一級密封的備用安全措施，允許第一級密封泄漏進入第二級，作為二級密封的工作氣源。密封氣進入干氣密封腔體后，密封氣壓力高于壓縮機殼體內工藝氣壓力，絕大部分氣體通過機械密封后進入管道壓縮機殼體內側，從而阻隔內側氣體向外泄漏，小部分氣體通過一級干氣密封動靜環形成氣膜后泄漏到一級放空，更少部分的氣體繼續通過二級干氣密封動靜環形成氣膜后泄漏到二級放空。二級放空主要放空外側隔離氣經過機械密封后的氣體。隔離氣主要是阻止外側軸承里潤滑油向內側滲漏，從而保護干氣密封不受潤滑油的污染[5]。

1.1 干氣密封參數

一級密封壓力為6.95～8.71 MPa，二級密封壓力（一級放空背壓）為0.2～0.4 MPa，二級放空壓力0.1 MPa，隔離密封壓力0.5～0.6 MPa；一級放空流量6～13 Nm3/h，二級放空天然氣流量0.1～1 Nm3/h，二級放空空氣流量50～180 Nm3/h。

1.2 干氣密封系統檢測系統設置

一級放空系統檢測儀表及設備的設置見表1，二級放空系統未設置任何檢測儀表或壓力控制設備。

表1 一級放空系統檢測儀表及設備設置表

2 故障現象及分析

2.1 干氣密封損壞的情況

2012-2016年，酒泉壓氣站、嘉峪關壓氣站等壓縮機組干氣密封嚴重失效，將壓縮機干氣密封解體后，發現有下列嚴重損壞現象：

（1）軸套表面與梳齒發生摩擦造成磨損。

（2）靜環、動環破損。

（3）一級放空排氣孔有類似鋁的熔融凝固物及黑色顆粒堵塞。

（4）干氣密封腔體、隔離密封腔有大量類似熔融物的黑色碎屑。

2.2 干氣密封失效分析

通過對干氣密封系統組成及功能、檢測系統、運行情況的研究，結合2012-2015年4次返廠送修的57套干氣密封的檢修情況，對現役壓縮機干氣密封系統的失效分析如下：

（1）干氣密封氣存在雜質。干氣密封氣存在雜質是導致干氣密封失效的原因之一。動環和靜環之間的螺旋槽深度約3～4 μ m，雜質（固體小顆粒、水蒸汽、潤滑油霧、凝析液污等）進入狹窄的螺旋槽，使動環和靜環之間剪應力升高，密封部件過熱，最終導致動環、靜環磨損嚴重，干氣密封失效。干氣密封雜質的來源主要有三個：

其一，密封氣氣源。投產初期，密封氣含有較多的水、固體顆粒，投產后，密封氣管路為細長結構，拐彎較多，容易引起壓降，密封氣含有冷凝液[6]。

其二，軸承潤滑油（密封的外側）。干氣密封外側需要隔離密封，隔離密封位于干氣密封和壓縮機軸承座區域之間，隔離密封氣源為壓縮空氣，主要作用是阻止軸承潤滑油或者油霧進入干氣密封，由于隔離密封氣進氣流速較高，有極小部分潤滑油進入干氣密封。

其三，工藝氣（密封的內側或高壓側）。當密封氣供給壓力過高，工藝氣通過內側迷宮密封泄漏，直接接觸密封面，存在于工藝氣中的雜質破壞了干氣密封。

（2）二級密封無獨立供氣源。二級密封的氣源為一級密封的泄漏氣體，二級密封正常工作需要穩定的壓力、流量來建立氣模。在壓縮機處于啟動、停車及異常工況時，二級密封無法形成足夠的背壓及緩沖壓力，這樣二級密封將會在過小的壓差下工作，降低了其運行的可靠性。正常工況下，二級密封端面會有微量的天然氣泄漏，與隔離氣混合后泄漏至二級放空管道放空（放空氣體為天然氣與空氣的混合氣體）；事故工況下，二級密封放空混合氣體中天然氣含量上升，達到爆炸極限，存在一定的爆炸風險。

（3）二級密封驅動端、非驅動端采用一根匯管放空，二級放空無監測裝置。在壓縮機一端（驅動端或者非驅動端）二級密封出現故障的狀態下，大量氣體會通過二級放空管道放空，勢必造成二級放空管道壓力的升高。由于兩端采用一根匯管，這將導致另一端密封出現失效風險，即：其一，造成另一端二級密封放空背壓升高，使正常端密封承受反壓，從而導致密封面受損；其二，故障端密封的放空氣體可能夾雜著碎片等通過二級放空匯管進入正常側的密封腔，導致正常側密封損壞。

二級放空無監測裝置，用戶只能在一級密封極端失效的情況下作出反應，這不利于用戶在二級密封出現故障時立刻作出反應，無法及時避免二級密封失效導致的次生損壞[7]。

（4）隔離密封氣源為壓縮空氣。其一，隔離氣流量較大（約70 Nm3/h），進入梳齒流速過快，造成油霧被高速氣流吹入二級密封腔室，使二級密封受到軸承油的污染，增加了其故障的概率[8]；其二，為保證二級泄漏氣的安全，需增大隔離氣的氣量來降低泄漏出天然氣的濃度，避開天然氣的爆炸極限，而增大隔離氣的氣量會造成二級密封大氣側有一定的背壓，在壓縮機啟動、停車階段，可能會造成隔離氣形成的背壓接近甚至大于二級密封工作的壓力，干氣密封承受反壓，導致密封損壞；其三，使空氣大量進入軸承箱，潤滑油氧化嚴重，更換周期短，維護費用較高。

3 總體改造方案

總體改造方案見圖2。

（1）密封氣進入干氣密封前，加裝前置過濾器、加熱器，減少密封氣氣體雜質，減小雜質對干氣密封的影響[9]。

（2）采用氮氣為二級密封、隔離氣源，提高二級密封、隔離氣的穩定性[10]。氮氣作為二級密封和隔離密封氣源，從根本上杜絕了天然氣與空氣的混合。利用場站現有壓縮空氣，增加變壓吸附制氮設備制備連續穩定的氮氣，氮氣產量240 Nm3/h，壓力0.6～0.65 MPa，純度≥98%，氮氣常壓露點為-45℃，壓縮空氣消耗量低于520 Nm3/h。

（3）對干氣密封二級放空管道進行改造，增加1條DN80放空管道，實現驅動端、非驅動端二級放空管道的獨立放空。

（4）非驅動端、驅動端二級放空管道分別設置流量檢測設備。對干氣密封系統進行改造之后，二級密封放空管道的工藝參數見表2。正常工況下，二級密封放空管道的氣體流量是恒定的，在事故工況下，放空管道的氣體流量變化情況如下：其一，二級密封良好，一級密封失效，則二級放空管道流量可達到17.5 Nm3/h；其二，二級密封失效，二級放空流量會達到25 Nm3/h左右；其三，一級密封和二級密封同時失效，一級密封放空管道瞬時流量可遠大于26.5 Nm3/h。通過檢測二級密封放空流量，流量信號上傳至壓縮機控制系統，由壓縮機控制系統對高高流量報警信號進行邏輯判斷，觸發壓縮機連鎖停機，避免事故的進一步擴大。

圖2 干氣密封總體改造方案流程示意

表2 干氣密封系統改造后二級密封放空管道工藝參數

（5）一級密封放空參數調整。二級密封改造后，正常工況下大部分二級密封氣都會通過一級管道放空（一級泄漏氣管道內為氮氣、天然氣）。通過核算，設定一級流量計流量監測報警參數的低報警值為7.5 Nm3/h，高報警值為26.5 Nm3/h。

一級放空壓力變送器增加壓力低低報警（報警值為50 kPa）和壓力高報警（報警值為250 kPa），并在HMI顯示，以提醒運行人員注意。

4 改進效果

2017年2月，西氣東輸一線酒泉壓氣站成功改造了GE壓縮機干氣密封系統二級密封進氣、隔離器進氣、二級密封監控系統，并成功投產。此系統改進、投產后，制氮設備運行狀態良好，氮氣氣源壓力及流量穩定，滿足向干氣密封系統提供穩定氣源的要求；干氣密封運行狀態良好，動環轉速平穩正常，動環、靜環沒有發生卡阻及不正常摩擦現象，二級放空流量未出現超高的工況；壓縮機組運行在高效率區域。干氣密封改造后，消除了壓縮機干氣密封隱患，提高了壓縮機組運行的可靠性。

5 結束語

針對GE壓縮機干氣密封損壞情況，進行干氣密封失效分析，指出了干氣密封失效的原因，并提出了改造方案。通過增設密封氣前置過濾器、加熱器，改進二級密封、隔離氣供氣系統，獨立設置二級密封放空，增設二級放空監控系統，有效提高了干氣密封、壓縮機運行的可靠性，消除了壓縮機干氣密封失效的安全隱患，也為天然氣管道壓縮機干氣密封系統改造提供寶貴的借鑒經驗。

[1]鐘桂香，羅瀟，郗祥遠.干氣密封失效原因分析與有效性措施[J].油氣儲運，2014，33（3）：335-339.

[2]張石超.干氣密封在西氣東輸管道的應用[J].油氣儲運，2010，29（1）：57-58.

[3]左汝寬，韓輝.影響壓縮機干氣密封使用壽命的因素分析[J].油氣儲運，2009，28（5）：40-43.

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[5]劉培軍，楊默然.干氣密封在離心壓縮機中的應用[J].油氣儲運，2007：26（7）：51-54.

[6]孫啟敬，高順華.西氣東輸管道壓縮機組輸送濕氣實踐分析[J].油氣儲運，2007：26（6）：57-59.

[7]姚新華，何耀輝.干氣密封的選用及失效分析[J].潤滑與密封，2011，36（4）：116-124.

[8]李飛.氨氣壓縮機干氣密封故障原因分析及改進措施[J].化工設計通信，2014，40（5）：26-29.

[9]侯松.離心式壓縮機干氣密封系統改造及應用[J].化工設備與管道，2016，53（3）：61-65.

[10]譚清德.28AT型干氣密封裝置的應用研究及其應用[D].成都：成都大學，2004.

Failure analysis and improvement of dry gas seal systems of GE compressors in West-East Gas Pipeline

TONG Lei1，HAO Fujun2，XU Qinglei1，LIU Shaoshan1，AN Yunpeng1，ZHANG Jian3
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.Safety and Environment Supervision Department of PetroChina Changqing Oilfield Company，Ordos 017300，China
3.GeneralAdministration of Quality Supervision of Petroleum&NaturalGas Projects，Langfang 065000，China

Failures of dry gas seal systems of GE compressors at Jiuquan Station and Jayuguan Station of West-East Gas Pipeline happened and caused the compressors to stop working.The reasons of seal system failures were analyzed.The improvement measures were put forward，which included adopting nitrogen as the secondary seal and the isolating gas source without changing the original mechanical parts of the dry gas seal system；adding the seal gas pre-filter and the heater；improving the secondary seal system and the isolating gas supplying system；setting the secondary seal gas exhaust device and the monitoring system.These measures improved the reliability of dry gas seal and compressor operation.

GE compressor；dry gas seal；failure；sealimprovement；secondary sealwith nitrogen

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.015

仝 雷（1984-），男，山東鄆城人，工程師，2006年畢業于中國石油大學油氣儲運工程專業，現主要從事石油天然氣管道設計工作。Email：tonglei-gy@cnpc.com.cn

2017-06-15