干氣密封系統(tǒng)故障分析與防控

朱狄，納賽爾，武麗萍

（中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司煉油廠，新疆 獨(dú)山子 833699）

循環(huán)氫壓縮機(jī)是加氫裂化裝置的核心機(jī)組，不設(shè)備機(jī)，一旦出現(xiàn)故障，則裝置被迫停工，破壞原有的煉油部各生產(chǎn)單元之間的物料平衡，對(duì)降低石化公司全年度的柴汽比的工作造成極大困難；同時(shí)減少了近1/4的化工原料的供給，制約了整個(gè)石化公司整體經(jīng)濟(jì)效益的提升。循環(huán)機(jī)的各部件的有效性和可靠性直接關(guān)系到裝置的正常生產(chǎn)，而循環(huán)氫壓縮機(jī)的干氣密封系統(tǒng)是制約循環(huán)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

某加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)由蒸汽輪機(jī)和離心式壓縮機(jī)組成。蒸汽輪機(jī)運(yùn)行較為穩(wěn)定，本文暫不討論；離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行受到的制約則相對(duì)較多，離心式壓縮機(jī)的密封采用干氣密封系統(tǒng)。干氣密封是一種新型的非接觸式軸封，基本上不受PV值的限制，因此干氣密封特別適合作為在高速高壓條件下的大型離心壓縮機(jī)軸封，不再會(huì)受到密封潤(rùn)滑油的限制，且氣體控制系統(tǒng)比油膜密封的油系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。

1 干氣密封簡(jiǎn)介及運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 干氣密封簡(jiǎn)介

某加氫裂化裝置的循環(huán)機(jī)干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含有靜環(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（腔體）等零部件。靜環(huán)位于不銹鋼彈簧座內(nèi)，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無負(fù)荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在轉(zhuǎn)子上的動(dòng)環(huán)組件配合。該干氣密封工藝及結(jié)構(gòu)圖見圖1。

該干氣密封的主密封氣為經(jīng)循環(huán)機(jī)壓縮后的循環(huán)氫，操作溫度穩(wěn)定在75～80℃之間，操作壓力穩(wěn)定在16～16.5MPa的區(qū)間，循環(huán)氫經(jīng)過除液、過濾、恒溫后進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)，大部分進(jìn)入壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)側(cè)，小部分經(jīng)過一級(jí)密封系統(tǒng)與壓縮機(jī)漏氣混合后與補(bǔ)入的部分二級(jí)氮?dú)庠俅位旌虾笕セ鹁嫦到y(tǒng)。

1.2 干氣密封運(yùn)行現(xiàn)狀

該加氫裂化裝置循環(huán)機(jī)2009年投入運(yùn)行。2010年5月，因干氣密封系統(tǒng)失效被迫停工檢修；隨后正常運(yùn)行至2011年，2011年大修后，正常運(yùn)行至2015年5月，2015年大修后再次投入運(yùn)行，在2017年9月11日，干氣密封系統(tǒng)的低壓端密封泄漏量突然出現(xiàn)波動(dòng)，先是泄漏量增大，在恢復(fù)正常后又出現(xiàn)泄漏量增大，且在隨后的幾天內(nèi)出現(xiàn)多次波動(dòng)。低壓端的泄漏量波動(dòng)沒有任何先兆，且沒有明顯的規(guī)律性可言。9月15日，泄漏壓力高達(dá)到聯(lián)鎖值，導(dǎo)致循環(huán)機(jī)停機(jī)。

該干氣密封系統(tǒng)采用的是約翰克蘭公司的28XP型干氣密封，密封組件經(jīng)天津約翰克蘭2015年修復(fù)后安裝在循環(huán)機(jī)上，一直運(yùn)行平穩(wěn)，直至2017年9月，干氣密封失效而聯(lián)鎖停機(jī)。

對(duì)循環(huán)機(jī)的干氣密封拆解后，高壓端的干氣密封組件未發(fā)現(xiàn)明顯的問題；對(duì)出現(xiàn)問題的低壓端密封組件拆檢后發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜環(huán)表面僅有微量的磨痕，無明顯問題；二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)及副密封良好，無卡滯現(xiàn)象；一級(jí)密封副密封存在2處被撕裂，見圖2。

圖2 一級(jí)密封副密封撕裂

副密封表面有黑色物質(zhì)附著，擦除黑色物質(zhì)發(fā)現(xiàn)一級(jí)副密封工作表面均已經(jīng)被嚴(yán)重磨損，部分已經(jīng)有裂痕，見圖3。

干氣密封低壓端內(nèi)彈簧座以及推環(huán)表面均有黑色結(jié)焦物質(zhì)附著，去除推環(huán)附著的黑色結(jié)焦物質(zhì)后，發(fā)現(xiàn)推環(huán)鍍層有明顯磨損。

2 密封損壞原因分析

2.1 密封拆解分析

由拆檢的結(jié)果分析，本次干氣密封低壓端的密封組件的失效主要集中在密封靜環(huán)及推環(huán)和對(duì)靜環(huán)和推環(huán)起密封作用的聚合物密封圈上。

圖3 副密封表面有黑色物質(zhì)附著

（1）干氣密封廠商的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)人員承認(rèn)在安裝過程中，可能存在密封組件的鎖緊螺母未安裝到位的情況，導(dǎo)致在密封運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，鎖緊螺母如果沒有鎖緊會(huì)導(dǎo)致推環(huán)與副密封摩擦加劇，從而致使副密封磨損加劇。

副密封材質(zhì)是以碳為基體的密封組件，當(dāng)副密封組件表面與存在硬質(zhì)合金的推環(huán)表面摩擦后，部分碳粉微粒落在副密封的彈簧座內(nèi)及推環(huán)和副密封之間，造成推環(huán)與副密封之間產(chǎn)生不規(guī)則的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)一步加劇了彈簧和推環(huán)之間的摩擦，造成更多的碳粉微粒進(jìn)入密封腔體內(nèi)，進(jìn)而造成惡性循環(huán)；且推環(huán)與副密封之間的聚合物密封圈有兩處撕裂，撕裂的小段聚合物密封圈可能進(jìn)入推環(huán)與副密封之間，或卡在預(yù)緊固的彈簧上，造成推環(huán)與副密封之間更大的不規(guī)則的對(duì)位，導(dǎo)致主密封與副密封之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生大幅度的改變，改變主、副密封的平衡受力狀態(tài)，導(dǎo)致主、副密封之間的間隙大幅度的改變，可能造成大量的介質(zhì)氣泄漏至后路，造成排氣壓力急劇上升，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)。

正常情況下，主、副密封之間的間隙穩(wěn)定在2～4μm之間，在循環(huán)氫壓縮機(jī)正常運(yùn)行過程中存在3～6μm的軸向波動(dòng)。因軸向位移的波動(dòng)在主、副密封之間的間隙無法快速的恢復(fù)平衡狀態(tài)時(shí)，也會(huì)造成密封泄漏量的增大。

（2）低壓側(cè)密封組件先前修復(fù)時(shí)未曾更換推環(huán)，只對(duì)推環(huán)工作表面做了拋光處理，在精度上與原始的噴涂硬質(zhì)合金有差異，在運(yùn)行過程中推環(huán)不斷伴隨轉(zhuǎn)子的軸位移使得推環(huán)與副密封存在反復(fù)摩擦導(dǎo)致副密封磨損。由此同樣會(huì)造成主密封與副密封之間的間隙變化，干氣密封的工況不穩(wěn)定，進(jìn)而造成密封泄漏量的增大。

2.2 工藝條件分析

工藝參數(shù)對(duì)于干氣密封運(yùn)行的影響，主要體現(xiàn)為干氣密封介質(zhì)氣組成的改變以及介質(zhì)溫度的控制。統(tǒng)計(jì)了最近6個(gè)月的循環(huán)氫組成分析，平均化處理后的分析如表1。

表1 循環(huán)氫最近6個(gè)月的平均組成分析

對(duì)此循環(huán)氫的組成利用ASPEN軟件測(cè)算出在壓縮機(jī)正常運(yùn)行條件下的露點(diǎn)溫度約為56.5℃，根據(jù)軟件模擬測(cè)算分析，在正常運(yùn)行條件下，干氣密封氣帶液的可能較小，而一旦壓縮機(jī)因?yàn)槟撤N原因停機(jī)，或在壓縮機(jī)的開停工階段，壓縮機(jī)工藝參數(shù)改變，循環(huán)氫的露點(diǎn)溫度下移，則有可能造成液態(tài)物質(zhì)進(jìn)入動(dòng)靜密封的工作表面，進(jìn)而影響干氣密封的正常運(yùn)行。2010年，該裝置的干氣密封系統(tǒng)曾因?yàn)橥９て陂g的處置不當(dāng)，導(dǎo)致將液態(tài)物質(zhì)帶入干氣密封的動(dòng)靜環(huán)工作表面，造成干氣密封損壞，如圖4所示。

圖4 油漬浸入靜環(huán)而產(chǎn)生的亮斑

除去帶液的問題外，在正常運(yùn)行的過程中，循環(huán)機(jī)進(jìn)出口的溫度基本維持穩(wěn)定，但進(jìn)出口的壓力因反應(yīng)系統(tǒng)或氫氣供給的波動(dòng)，可能造成循環(huán)機(jī)的進(jìn)出口壓力較大幅度的波動(dòng)，特別是循環(huán)機(jī)出口的壓力波動(dòng)，直接影響到干氣密封系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，如瞬間波幅過大，可能造成動(dòng)靜環(huán)表面相互接觸而在高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中造成極大地磨損，造成干氣密封的失效而損壞。

3 穩(wěn)定干氣密封運(yùn)行的措施

3.1 保證安裝質(zhì)量，避免出現(xiàn)類似密封組件鎖緊螺母安裝不到位的情況

由于干氣密封核心部件的安裝全部都是密封廠商的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行，因商業(yè)合約的限制，無法對(duì)其安裝的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。可在商業(yè)條款中加大對(duì)出現(xiàn)問題后的追責(zé)來使廠商的技術(shù)服務(wù)人員來保證核心部件安裝的質(zhì)量。

對(duì)于推環(huán)等核心部件，如出現(xiàn)磨損，則盡可能不再使用，修復(fù)后的核心組件在整體裝配上的精度差異，無法通過工藝調(diào)整來獲得補(bǔ)償，為此節(jié)省的費(fèi)用而造成裝置面臨極大的停工風(fēng)險(xiǎn)，反而得不償失。

3.2 在工藝生產(chǎn)過程中，盡可能的保證干氣密封系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)的穩(wěn)定

3.2.1 避免液態(tài)物質(zhì)進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)

由于干氣密封的特性，在正常運(yùn)行過程中，工藝參數(shù)的小幅度波動(dòng)不會(huì)對(duì)供氣密封的運(yùn)行造成永久性的損傷；而在裝置開工或停工等特殊階段，有可能因?yàn)閰?shù)設(shè)置的不當(dāng)而造成干氣密封系統(tǒng)帶液，進(jìn)而造成密封性能的降低或完全失效。

定期進(jìn)行循環(huán)氫的全組成分析，以確定其該運(yùn)行狀態(tài)下的露點(diǎn)溫度低于操作溫度。降低循環(huán)氫介質(zhì)進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)后產(chǎn)生凝液的可能；并對(duì)干氣密封的除濕除霧器設(shè)定一定的液位報(bào)警值，當(dāng)液位到達(dá)報(bào)警值時(shí)，及時(shí)對(duì)除濕除霧器進(jìn)行切液，避免液態(tài)介質(zhì)進(jìn)入干氣密封的動(dòng)靜環(huán)運(yùn)動(dòng)表面而使密封失效。

在開停工期間，特別注意介質(zhì)運(yùn)行參數(shù)的變化，及時(shí)使用ASPEN軟件或其他類似的軟件對(duì)循環(huán)氫進(jìn)行露點(diǎn)測(cè)算，保證其運(yùn)行溫度在當(dāng)前狀態(tài)下的露點(diǎn)溫度之上。

在循環(huán)機(jī)停工期間，對(duì)循環(huán)機(jī)的出口管線外接臨時(shí)管線進(jìn)行排液，避免開機(jī)時(shí)，液體隨高速流動(dòng)的氣流進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)而使密封失效。

3.2.2 控制壓縮機(jī)的出口壓力的瞬間波動(dòng)量

在廠商給出的建議值中，進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)在操作溫度下的壓力變動(dòng)每分鐘不大于0.4MPa；而目前干氣密封主要通過主密封氣與壓縮機(jī)平衡管之間的差壓來控制干氣密封主密封氣的流量，差壓正常情況下控制為0.25～0.27MPa，而當(dāng)循環(huán)機(jī)的出口壓力瞬間波幅大于此差壓，則有可能造成干氣密封主密封氣無流量通過，大量的工藝介質(zhì)氣體經(jīng)過主密封氣進(jìn)入主密封的動(dòng)靜環(huán)工作表面，造成工藝介質(zhì)氣與干氣密封主密封氣之間的迷宮密封因差壓過大而引發(fā)迷宮密封的失效，進(jìn)而引發(fā)干氣密封失效，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)泄漏量過大而導(dǎo)致壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車。

為此，穩(wěn)定工藝操作，特別是控制異常狀態(tài)下的循環(huán)機(jī)出口的壓力波幅，而循環(huán)機(jī)出口的壓力控制源于新氫壓縮機(jī)負(fù)荷控制與反應(yīng)系統(tǒng)氫氣需求負(fù)荷之差。在異常情況下，除了維持新氫機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)外，更應(yīng)保證循環(huán)機(jī)的出口壓力波動(dòng)不大于0.25MPa/min,以確保在波動(dòng)的瞬間不至于主密封氣無流量注入。同時(shí)避免因出口壓力波動(dòng)過大，而引發(fā)干氣密封動(dòng)靜環(huán)之間的間隙無法及時(shí)恢復(fù)平衡。

4 結(jié)語

因?yàn)楦蓺饷芊庖淮涡猿尚偷奶攸c(diǎn)，為保證干氣密封運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，除了保證安裝的可靠性和精度外，工藝上盡可能的去除進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)的液相物質(zhì)，并維持壓縮機(jī)出口壓力的單位時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)小于干氣密封系統(tǒng)的控制差壓，以保證干氣密封系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為循環(huán)機(jī)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造平穩(wěn)的工作條件。