MTO裝置壓縮機(jī)干氣密封故障診斷及改造

□張燕莉 薛新巧 賈國(guó)棟

一、引言

化工企業(yè)MTO裝置分別由甲醇制烯烴生產(chǎn)單元、烯烴分離生產(chǎn)單元兩部分組成，其中的甲醇制烯烴單元主要包括反應(yīng)再生系統(tǒng)及取熱系統(tǒng)、急冷和汽提系統(tǒng)；烯烴分離單元中包括進(jìn)料氣壓縮、廢堿液處理系統(tǒng)以及酸性氣體脫除單元，而其中的進(jìn)料氣壓縮是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。MTO裝置的核心設(shè)備是離心式壓縮機(jī)組，當(dāng)壓縮機(jī)的故障原因造成停機(jī)時(shí)，會(huì)造成生產(chǎn)的被迫停止和巨大的能耗。離心式壓縮機(jī)主要的故障是干氣密封系統(tǒng)產(chǎn)生的故障，故障的產(chǎn)生不僅會(huì)產(chǎn)生部分裝置的停機(jī)，嚴(yán)重的會(huì)引起全系統(tǒng)的停車，給生產(chǎn)造成巨大的損失。因此離心式壓縮機(jī)稱為工廠的“心臟”，本文針對(duì)離心式壓縮機(jī)中干氣密封的故障原因分析、解決措施及技術(shù)改造對(duì)實(shí)際的問題進(jìn)行了分析。壓縮機(jī)工藝流程如圖1所示。

圖1 MTO壓縮機(jī)工藝流程圖

MTO裝置壓縮機(jī)是多級(jí)式離心式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)中間設(shè)有級(jí)間冷卻器。氣體反應(yīng)后經(jīng)過各級(jí)壓縮機(jī)、級(jí)間冷卻器以及級(jí)間緩沖罐進(jìn)行反復(fù)壓縮，冷卻、冷凝達(dá)到汽-液分離的目的。干氣密封是20世紀(jì)60年代末建立在氣體的動(dòng)壓軸承和機(jī)械密封的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行根本性改造而研發(fā)出的一種非接觸式密封，實(shí)際上就是通過在機(jī)械密封上增加了一條動(dòng)壓槽以及輔助系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了端面密封的目的。在英國(guó)的70年代末期，約翰克蘭公司率先在海洋平臺(tái)的氣體壓縮機(jī)輸送設(shè)備上使用干氣密封并獲得了成功，解決了高速多級(jí)離心式壓縮機(jī)易泄漏的問題，將軸向密封改造為軸端密封，而且密封面屬于非接觸式運(yùn)行，因此密封的摩擦副所使用的材料不受PV值所限，因此特別適合作為高速及高壓設(shè)備的軸端密封裝置。干氣密封原理如圖2所示。

圖2 干氣密封原理圖

二、生產(chǎn)實(shí)例

寧夏寶豐能源集團(tuán)烯烴項(xiàng)目中的MTO裝置為三段式離心式壓縮機(jī)，采用干氣密封作為離心式壓縮機(jī)的軸端密封，采用Flowserve公司生產(chǎn)的單旋向螺旋槽串聯(lián)干氣密封，從而達(dá)到密封的目的。

三、故障產(chǎn)生原因排查

離心式壓縮機(jī)組因蒸汽系統(tǒng)問題造成停車，經(jīng)過大于8min的時(shí)間壓縮機(jī)組的轉(zhuǎn)速降至0rpm，而此時(shí)壓縮機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端干氣密封第一級(jí)密封氣體排放壓力顯示為12kpa左右。

干氣密封主密封段排放壓力觸發(fā)了排放壓力低聯(lián)鎖值，因此無法再次啟動(dòng)壓縮機(jī)組。在第二級(jí)密封進(jìn)氣流量相同的情況下，非驅(qū)動(dòng)干氣密封的第一級(jí)排放壓力達(dá)到0.01MPa，此時(shí)與驅(qū)動(dòng)端的壓力相差比較多，當(dāng)離心式壓縮機(jī)停車的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)端的干氣密封的各個(gè)參數(shù)均顯示為正常。第一級(jí)排放的氣體的成分主要為二級(jí)進(jìn)入的氣體。在保證干氣密封驅(qū)動(dòng)端以及干氣密封非驅(qū)動(dòng)端二級(jí)供汽流量均達(dá)到25kg/h，對(duì)于干氣密封第一級(jí)的排放口處進(jìn)行檢查，此時(shí)干氣密封非驅(qū)動(dòng)端的以及排放口無氣體排出，但是第二級(jí)干汽密封排放口氣體的排放量大約為干氣密封驅(qū)動(dòng)端二級(jí)密封氣體排放量的兩倍。因此初步分析得出離心式壓縮機(jī)干氣密封非驅(qū)動(dòng)端已損壞。經(jīng)過對(duì)干氣密封進(jìn)行解體后發(fā)現(xiàn)，干氣密封損壞主要發(fā)生在密封部件，且損害嚴(yán)重。

四、干氣密封損壞原因分析

干氣密封工作原理是采用一種潤(rùn)滑氣膜流體的動(dòng)環(huán)、靜環(huán)相結(jié)合的非接觸式的機(jī)械密封和氣體的阻塞密封的結(jié)合體。在動(dòng)環(huán)的表面上通過精加工出一條直線或螺旋槽并進(jìn)行研磨并拋光處理，槽深大概為2.5μm～10μm，螺旋槽一般為對(duì)數(shù)螺旋線。在靜止不動(dòng)時(shí)，動(dòng)靜環(huán)是相對(duì)靜止的，靜環(huán)在靜壓力和彈性元件的彈力作用下將靜環(huán)貼緊在動(dòng)環(huán)上。在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，沿著動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)的方向，密封氣體流經(jīng)螺旋槽，在被壓縮時(shí)又收到密封堰的阻擋，氣體的壓力逐漸升高從而將動(dòng)靜環(huán)推開，這部分力成為開啟力，作為流體的動(dòng)壓力。干氣密封故障原因產(chǎn)生有以下幾種。

(一)離心式壓縮機(jī)如果發(fā)生緊急停車。離心式壓縮機(jī)如果發(fā)生緊急停車，在制動(dòng)時(shí)會(huì)引起系列故障。在制動(dòng)時(shí)會(huì)引起軸向推力的增加，勢(shì)必會(huì)造成壓縮機(jī)推盤上的鎖定螺母和離心式壓縮機(jī)上的止推軸承損壞，壓縮機(jī)上的止推軸承會(huì)承受巨大的負(fù)荷，增加的軸向推力部分又會(huì)反作用在壓縮機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件，使干氣密封系統(tǒng)損壞。

A、葉輪入口處軸向力的計(jì)算：

式中，Ds——葉輪輪蓋的直徑，單位為m

Dm——葉輪入口輪轂的直徑，單位為m

di——葉輪隔板密封處直徑，單位為m

Po——葉輪入口處的壓力，Pa

B、葉輪出口處軸向力的計(jì)算：

式中，Ds——葉輪輪蓋的直徑，單位為m

P2——葉輪出口的壓力，單位為Pa

dm——葉輪入口輪轂的直徑，單位為m

di——葉輪隔板密封處直徑，單位為m

Po——葉輪入口處的壓力，Pa

大致近似取Ds=dm=di，推導(dǎo)出P單(單個(gè)葉輪產(chǎn)生的軸向推力)

C.平衡盤的軸向力計(jì)算：

式中，Dp1——壓縮機(jī)平衡盤輪轂直徑，單位為m；Dp2——壓縮機(jī)平衡盤外徑，單位為m

P1——平衡盤后壓強(qiáng)，單位為Pa；P2——平衡盤前壓強(qiáng)，單位為Pa

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生故障后，由于壓縮機(jī)的平衡管的堵塞會(huì)造成軸向推力的增加，如果在離心式壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)太多的問題，但是如果一旦離心式壓縮機(jī)發(fā)生了聯(lián)鎖跳車，會(huì)增加更多的軸向力，這樣將會(huì)對(duì)離心式壓縮機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)造成巨大的損害。

離心式壓縮機(jī)的主要部件高壓缸上的止推軸承的設(shè)計(jì)負(fù)荷較大，當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生跳車時(shí)，轉(zhuǎn)子的負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生較大的變化，造成軸向推力的增加。軸向推力的增加，勢(shì)必會(huì)造成壓縮機(jī)內(nèi)部的止推軸承內(nèi)部損壞，止推軸承內(nèi)部瓦塊中的最小油膜會(huì)在軸向推力異常增加的過程中被破壞，由于摩擦產(chǎn)生的熱量極速增加，造成了止推軸承瓦塊的溫度急速升高，導(dǎo)致止推軸承的瓦塊磨損。壓縮機(jī)在發(fā)生因故障引起的跳車時(shí)也容易造成高壓缸止推軸承溫度瞬間上升，說明壓縮機(jī)跳車的瞬間產(chǎn)生了巨大的軸向力，同時(shí)也造成了止推盤上的鎖母發(fā)生變形，造成止推盤發(fā)生偏離。這時(shí)，過量的軸向推力將會(huì)造成離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子竄向高壓端，直接作用在干氣密封部件上，造成部件的損壞。干氣密封的過盈間隙的設(shè)計(jì)量為2.5mm，但是在當(dāng)離心式壓縮機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，間隙變?yōu)?.6mm，位移范圍大大超過了干氣密封允許的位移范圍。原因是離心式壓縮機(jī)在發(fā)生故障停車時(shí)，干氣密封承受了軸向推力的原因，受到了擠壓，內(nèi)部的動(dòng)靜環(huán)受到了因軸向推力引起的擠壓。離心式壓縮機(jī)軸向推力增大，是因?yàn)楦邏焊灼胶獗P的作用失效，因此造成高壓缸轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向推力過大所造成的干氣密封的損壞。要解決這個(gè)問題就要對(duì)離心式壓縮機(jī)平衡盤的平衡氣管線、返回氣、密封裝置等進(jìn)行排查，找到問題的原因。同時(shí)，由于軸向推力造成止推盤的鎖母發(fā)生了形變，軸向位移設(shè)置的探頭的測(cè)點(diǎn)位置設(shè)在止推盤的外部，造成了止推盤的松動(dòng)。

(二)MTO壓縮機(jī)組在一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，動(dòng)靜環(huán)的閉合力與動(dòng)靜環(huán)的開啟力之間應(yīng)達(dá)到一種平衡狀態(tài)。在動(dòng)靜環(huán)之間可形成具有一定厚度和剛度的密封氣膜，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的非接觸式密封。但是MTO壓縮機(jī)組停車的過程會(huì)存在倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，因此干氣密封動(dòng)靜環(huán)的開啟力趨近于零，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)處于閉合的狀態(tài)，動(dòng)靜環(huán)之間缺乏減少摩擦的一定剛度的氣膜，會(huì)使動(dòng)靜環(huán)直接摩擦造成損壞，從而使干氣密封發(fā)生泄漏。

(三)離心式壓縮機(jī)干氣密封的氣源必須保證足夠清潔。必須經(jīng)過高精度過濾后才可以使用，否則會(huì)造成密封氣源不清潔，過濾器遭到破壞，管網(wǎng)被腐蝕，造成大的顆粒物進(jìn)入密封腔，導(dǎo)致密封面受到損壞；在開車時(shí)，要對(duì)針型閥的開度進(jìn)行調(diào)整，氣源內(nèi)不可夾帶液體，否則會(huì)使過濾器的壓差快速增加。如果更換下來的濾芯發(fā)現(xiàn)有棕色的污漬或是水漬，就說明一次氣供氣氣源夾帶液體且不潔凈。

(四)由于安裝人員在安裝期間操作不當(dāng)，導(dǎo)致密封面受到一定的污染。由于介質(zhì)中存在輕烴的組分，在冷卻后形成凝液，當(dāng)離心式壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，如果液滴發(fā)生了液化或者汽化，或者是烴類產(chǎn)生了炭化，都會(huì)造成密封面的動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間氣膜厚度的破壞，對(duì)密封面的剛性氣膜產(chǎn)生影響，從而失去密封效應(yīng)，造成密封面的干摩擦，直接接觸會(huì)造成巨大的摩擦熱的產(chǎn)生，熱量無法在短時(shí)間散去，造成密封面的動(dòng)靜環(huán)發(fā)生變形，密封失效，直接導(dǎo)致泄漏或者引發(fā)火災(zāi)事故、爆炸等，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

(五)密封系統(tǒng)的不穩(wěn)定，也會(huì)造成干氣密封系統(tǒng)失效。離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)較易發(fā)生喘振的現(xiàn)象，壓縮機(jī)的喘振會(huì)造成工藝氣的流量振動(dòng)，使工藝參數(shù)受到影響而產(chǎn)生波動(dòng)，使密封系統(tǒng)受到干擾，導(dǎo)致干氣密封失效。當(dāng)出現(xiàn)此類故障，要全面檢查密封系統(tǒng)，通常如果沒有發(fā)生嚴(yán)重的損壞，不需要更換新的零件，進(jìn)行修復(fù)即可二次使用。

(六)隔離氣要在加入潤(rùn)滑油之間切斷，以免操作不當(dāng)潤(rùn)滑油進(jìn)入密封面。在離心式壓縮機(jī)正常的操作情況下，隔離氣要求在加入潤(rùn)滑油之間就進(jìn)行切斷，如果操作的不正確會(huì)發(fā)生潤(rùn)滑油進(jìn)入密封面的現(xiàn)象，造成密封面污染，如果出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，需要拆除密封原件，進(jìn)行更換。更換后檢測(cè)壓縮機(jī)組缸體，如果沒有問題，可以重新啟動(dòng)干氣密封系統(tǒng)，對(duì)于拆除的受到污染的干氣密封原件，需要進(jìn)行維修，以便二次使用。

(七)干氣密封面的干摩擦?xí)?dǎo)致泄漏。如果平衡管出現(xiàn)了問題，一次氣的供氣壓力主要取決于壓縮機(jī)平衡盤腔室內(nèi)壓力的大小。當(dāng)離心式壓縮機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子的平衡盤位于非驅(qū)動(dòng)端時(shí)，為保證密封氣體的供氣壓力，必須保證平衡管上端的進(jìn)氣壓力大于下端的進(jìn)氣壓力，才能使壓縮機(jī)兩端的供氣要求達(dá)到要求。如果高壓缸軸向力的平衡系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，在運(yùn)行過程中，平衡管的壓差過大，密封面無法正常打開，使動(dòng)靜環(huán)之間無法形成一定剛度的氣膜。當(dāng)壓縮機(jī)干氣密封的供氣壓力差降到0時(shí)，不但無法形成一定剛度穩(wěn)定的氣膜，甚至還會(huì)造成壓縮機(jī)缸體內(nèi)部工藝氣體的壓力高于干氣密封氣腔室的壓力，造成工藝氣體反流。

(八)密封氣的氣源中斷造成的密封失效。這類故障較少出現(xiàn)，壓縮機(jī)單元工作異常，蓄能器也出現(xiàn)問題的情況下，最終造成密封氣的氣源被迫中斷，動(dòng)靜環(huán)的密封面無法形成氣膜，進(jìn)而造成干摩擦，導(dǎo)致密封失效。

(九)操作失誤造成密封失效。在正常運(yùn)行一段時(shí)間之后，各級(jí)參數(shù)會(huì)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是依然會(huì)發(fā)生DCS報(bào)警。在經(jīng)過認(rèn)真分析后得出結(jié)論，干氣密封一級(jí)密封泄漏量出現(xiàn)了波動(dòng)。離心式壓縮機(jī)在停車后，由于一次密封氣的供氣來自于壓縮機(jī)出口氣體或者是備用氣源，中途可能會(huì)出現(xiàn)供氣的中斷。壓縮機(jī)裝置停車一般都伴隨火炬氣的放空，火炬管網(wǎng)內(nèi)壓力大大高于干氣密封一次氣排放時(shí)的壓力。在一次氣排放的掛線單向閥泄漏的狀況下，火炬的放空氣可能會(huì)發(fā)生回流的現(xiàn)象。回流時(shí)攜帶管道中的雜質(zhì)、水分等，流到干起密封腔中造成干氣密封的動(dòng)靜環(huán)中進(jìn)入雜質(zhì)，發(fā)生磨損。針型閥開度不夠大，干氣密封在放火炬時(shí)排放的不及時(shí)，導(dǎo)致干氣密封密封腔內(nèi)的壓力增高，并最終造成聯(lián)鎖故障情況出現(xiàn)。

五、處理措施

在停產(chǎn)檢修時(shí)對(duì)離心式壓縮機(jī)的出口止回閥進(jìn)行檢修或更換，確保其在壓縮機(jī)組停車時(shí)不發(fā)生泄漏的情況；將干氣密封的動(dòng)環(huán)的密封槽的形式進(jìn)行改進(jìn)，改為T型槽，保證壓縮機(jī)組在正向或是反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)靜環(huán)之間能夠始終形成一定壓力的穩(wěn)定的氣膜，避免造成動(dòng)靜環(huán)直接進(jìn)行接觸發(fā)生磨損的現(xiàn)象。要確保壓縮機(jī)進(jìn)氣的質(zhì)量，控制好密封氣的壓力差，從而避免干氣密封發(fā)生泄漏及干磨的情況。在設(shè)備正常運(yùn)行期間，要關(guān)注干氣密封相關(guān)參數(shù)的變化情況，分析判斷干氣密封存在的故障隱患，找到合理的解決方法。做好記錄，發(fā)現(xiàn)干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律，研究干氣密封的操作，調(diào)試工況至正常范圍，能夠降低離心式壓縮機(jī)出現(xiàn)干氣密封泄漏的概率，保證壓縮機(jī)組可以長(zhǎng)周期穩(wěn)定的運(yùn)行，減少維修量，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

通過離心式壓縮機(jī)干氣密封故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、供氣溫度及供氣壓力對(duì)密封氣壓力的影響，深入地分析了干氣密封系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的影響因素，為下一步干氣密封的技術(shù)分析和改造提供了依據(jù)。