壓縮機干氣密封一級泄漏流量低原因分析及處理

趙 亮

（中國石油大慶石化分公司化工一廠，黑龍江大慶 163000）

1 干氣密封的結構和原理

干氣密封是一種非接觸端部密封，由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧、彈簧座、軸套、定位環(huán)等部件組成（圖1）。它在動環(huán)的密封面上開有流體動壓槽，當動環(huán)高速旋轉時系統(tǒng)中潔凈的氣體進入動壓槽，遇到密封壩后氣體受壓、壓力升高產(chǎn)生間隙，在兩端面間形成一層厚約3 μm 的氣膜。氣膜產(chǎn)生的推力將動靜環(huán)推開，使密封端面不接觸。氣體動力學表明，當干氣密封兩端面的間隙在2～3 μm 時，通過間隙的氣體流動層最為穩(wěn)定。氣膜有一定的剛度，當氣體作用力和彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時氣膜的剛度最為穩(wěn)定，從而實現(xiàn)密封效果。動環(huán)密封面開槽形式主要有單向螺旋槽、雙向螺旋槽兩種形式（圖2～圖3）。

圖1 干氣密封結構

圖2 單向螺旋槽形成氣膜示意

圖3 雙向螺旋槽形成氣膜示意

2 干氣密封一級泄漏流量降低故障描述

2.1 故障描述

裂解氣壓縮機EC-1301 分為高壓缸、中壓缸、低壓缸3 個缸體，每個缸體兩側軸端分別安裝有一套串聯(lián)式雙端面干氣密封，共計6 套密封。

高壓缸高壓側干氣密封一級泄漏流量正常值為7 Nm3/h，二級泄漏氣體中可燃氣含量為0。2019 年9 月，一級泄漏流量開始出現(xiàn)逐漸降低趨勢，2019 年11 月降至3.6 Nm3/h（報警值4 Nm3/h），2020 年2 月降至0，同時在二級泄漏管路中檢測到可燃氣含量為4%。通過增大二級密封氣進氣流量，保證一級泄漏流量不低于1 Nm3/h 運行。

2.2 故障排查過程

（1）排查一級密封氣的進氣流量，自開工運行至今穩(wěn)定在150 Nm3/h 無變化，一級密封氣與高壓缸平衡管壓差設定在0.1 MPa 無明顯變化，同時壓差調(diào)節(jié)閥閥位穩(wěn)定在90%左右無明顯變化。

（2）排查二級密封氣進氣流量，自開工至今始終設定在7 Nm3/h，未發(fā)生變化。

（3）排查二級密封氣進氣、一級泄漏管路流程，氣密無泄漏，二級密封氣注入正常，一級泄漏管路無泄漏。

（4）排查工藝系統(tǒng)壓縮機四段吸入壓力、溫度、流量，無明顯變化。

（5）排查火炬管網(wǎng)壓力變化趨勢，當火炬管網(wǎng)壓力高升時高壓側一級泄漏流量降低，但壓力恢復至正常值時泄漏流量不能恢復至原設定值，持續(xù)呈緩慢降低趨勢。

（6）拆檢一級密封泄漏限流孔板，無堵塞情況。

（7）將高壓缸兩側二級泄漏管線活接拆開，用手直觀感覺，高壓側泄漏流量比低壓側泄漏流量大，但未發(fā)現(xiàn)明顯磨損碳粉，初步推測減少的一級密封泄漏流量通過二級密封泄漏排出。

2.3 干氣密封調(diào)整情況

2019 年9 月至2020 年5 月，高壓缸高壓側一級泄漏流量降低呈惡化趨勢，3 次降低到0 Nm3/h，同時在二級泄漏管路中檢測到可燃氣體。操作人員相應地對二級密封進氣流量做了4次調(diào)整，每次調(diào)整維持1 個月左右，一級泄漏流量再次降至接近0 Nm3/h。具體調(diào)整時間為：2019 年11 月28 日，由7 Nm3/h 提到8 Nm3/h；2020 年2 月26 日，由8 Nm3/h 提到10.5 Nm3/h；2020 年3 月17 日，由10.5 Nm3/h 提到12 Nm3/h；2020 年5 月1 日，由12 Nm3/h 提到13 Nm3/h。

為確保一級泄漏流量在1 Nm3/h 以上、二級泄漏管路中無可燃氣體，調(diào)整具體情況如圖4 所示。

圖4 二級密封進氣流量調(diào)整后一級泄漏流量變化趨勢

從以上變化趨勢可以得出：在火炬背壓不規(guī)則變化情況下，一級泄漏流量下降趨勢并沒有一個穩(wěn)定速率，每次人為干預，提高二級密封氣流量1 Nm3/h、一級泄漏流量增加0.9 Nm3/h，可以維持運行約1 個月，但運行狀態(tài)在持續(xù)惡化。

3 故障原因分析

綜合排查結果和調(diào)整參數(shù)變化，排除一級密封氣流量變化、二級密封氣流量變化、工況變化、一級泄漏孔板堵塞等因素，初步判斷可能存在3 個原因。

（1）高壓缸高壓側二級密封泄漏量增大，導致一級泄漏流量降低。由于二級泄漏排放至大氣，大氣環(huán)境壓力低于一級泄漏去火炬管網(wǎng)壓力，所以一級泄漏氣體優(yōu)先通過二級密封泄漏至大氣。以下3 種因素可能導致二級密封泄漏量增大：①動靜環(huán)密封面磨損；②靜環(huán)浮動性差，導致密封面貼合性不好；③靜環(huán)浮動膠圈移位或變形，導致二級密封氣未經(jīng)過密封面，通過膠圈密封點處直接泄漏至大氣。

（2）一級泄漏排放孔被封堵，導致一級泄漏排放氣體受阻，流通量降低。以下兩種因素可能導致一級泄漏排放孔被封堵：①梳齒密封環(huán)移位，遮擋一級泄漏排放孔；②介質中含有雜質，堵塞一級泄漏排放孔。

（3）在缸體內(nèi)部，干氣密封管路的連接部位存在松動，泄漏氣體，導致一級泄漏排放的氣量降低。主要分為以下兩種可能性：①二級密封進氣為一級密封泄漏氣量的主要來源，如果二級密封進氣管路泄漏則一級泄漏流量會降低；②在缸體內(nèi)部的一級泄漏管路連接部位松動、存在泄漏，導致通過管路排放至火炬的氣量降低。

4 檢修情況及故障原因確定

（1）拆檢情況。機組停工檢修，打開缸體發(fā)現(xiàn)干氣密封一級泄漏排放孔被遮擋（圖5）。進一步拆解密封內(nèi)部結構，發(fā)現(xiàn)梳齒密封環(huán)發(fā)生周向轉動，將一級泄漏排放孔封堵，影響一級泄漏氣體排出（圖6）。

圖5 一級泄漏排放孔被遮擋

圖6 拆檢干氣密封發(fā)現(xiàn)梳齒密封環(huán)偏移

（2）原因確定。由于密封廠家的制造缺陷，梳齒密封環(huán)的定位槽開孔位置存在偏差，且槽寬過長，同時定位銷釘被磨平，起不到定位作用，導致梳齒密封環(huán)發(fā)生周向轉動，進而遮擋一級泄漏排放孔，導致一級泄漏流量降低。

5 改進措施

（1）本次檢修將干氣密封返回廠家重新加工，精確定位梳齒密封環(huán)定位槽開孔位置，并縮短定位槽寬度，同時提高定位銷的高度，保證梳齒密封環(huán)不發(fā)生周向轉動，一級泄漏排放孔不會被遮擋（圖7）。開工后EC-1301 高壓缸高壓側一級泄漏流量在7.102～7.238 Nm3/h，為正常值，可穩(wěn)定運行。

圖7 精確加工梳齒密封環(huán)定位槽寬度并提高定位銷高度

（2）加寬梳齒密封環(huán)與一級泄漏排放孔重合部位的開槽寬度，確保即使梳齒密封環(huán)發(fā)生周向運動也不會遮擋一級泄漏排放孔（圖8）。

圖8 加寬梳齒密封環(huán)與一級泄漏排放孔重合部位的開槽寬度

（3）減小梳齒密封環(huán)的厚度，使其與外殼留有間隙，即使梳齒密封環(huán)開槽處與一級泄漏排放孔不對應，泄漏氣體也可以通過密封環(huán)與外殼之間的間隙，最終流向一級泄漏排放孔，起到雙重保險作用（圖9）。該措施為本次向密封廠家提出的改進建議，但本次檢修未實施。

圖9 減小梳齒密封環(huán)的加工厚度

6 總結

設備技術人員應增強對密封內(nèi)部結構原理的學習，更加透徹地掌握密封的安裝過程。在密封出廠驗收階段，如果能夠及時發(fā)現(xiàn)干氣密封梳齒密封環(huán)的定位槽加工存在尺寸偏差，在安裝投用前及時進行整改，便可避免一次機組停工檢修事件。在面對其他干氣密封加工或安裝缺陷時，如果能夠第一時間發(fā)現(xiàn)隱患，將大大減少故障停機的概率，對延長機組運行周期、提高裝置經(jīng)濟效益具有重要意義。