潘從錦 趙新奎 阿不力克木·肉孜

（中國石油克拉瑪依石化分公司)

1 富氣壓縮機簡介

某石化公司催化裂化裝置富氣壓縮機是調(diào)節(jié)反應壓力，將分餾塔頂?shù)母粴鈮嚎s輸送至穩(wěn)定系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。富氣壓縮機由凝汽式汽輪機驅(qū)動，為離心式二段壓縮機。一段壓縮后的富氣經(jīng)過中間冷卻器進入油氣分離器，在分離了較重的C5以上烴類組分后進入二段壓縮，然后再進入吸收、解吸和穩(wěn)定系統(tǒng)。正常時，通過反應壓力調(diào)節(jié)機組的轉(zhuǎn)速，達到控制反應壓力的目的。離心式壓縮機運行工況相對穩(wěn)定，維護工作量小，不需要備機，占地面積小，在石油化工生產(chǎn)中應用較為廣泛。該裝置富氣壓縮機型號為2MCL-456。催化裂化富氣主要組分為H2、H2O、H2S、空氣、硫化物、C1～C2干氣和液化氣等。富氣含硫量達2000 μg/g，具有很強的腐蝕性和酸性。富氣壓縮機能否平穩(wěn)運行，關(guān)系到催化裂化裝置的安全生產(chǎn)。富氣壓縮機運行中出現(xiàn)故障頻率最高的部位是其密封系統(tǒng)，約占總故障率50%以上。富氣壓縮機設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機設(shè)計參數(shù)

2 干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

催化裂化裝置富氣壓縮機選用約翰克蘭鼎銘密封 （天津）有限公司設(shè)計生產(chǎn)的TM02A型雙端面干氣密封系統(tǒng)。干氣密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 干氣密封的結(jié)構(gòu)

TM02A型干氣密封氣由前置緩沖氣、主密封氣和后置隔離氣組成。前置緩沖氣和主密封氣之間為O形輔助密封圈，前置緩沖氣和工藝氣之間為迷宮式密封結(jié)構(gòu)。高壓端和低壓端靠近工藝氣側(cè)的迷宮密封上開孔，通過平衡管來平衡兩端迷宮密封后的氣體壓力。高壓端為二段壓縮工藝氣入口，低壓端為一段壓縮工藝氣入口。主密封氣和前置氣經(jīng)過干氣密封后，進入壓縮機缸體入口與富氣混合后進行壓縮，其流量不會對富氣性質(zhì)引起大的改變。后置隔離氣和主密封之間為迷宮式密封結(jié)構(gòu)。2.0 MPa中壓氮氣為穩(wěn)定的干氣源，先經(jīng)過自力式減壓閥減壓為0.6 MPa，再通過精度為5 μm的一級粗過濾器和精度為3 μm的二級精過濾器。之后分兩路，一路為主密封氣，另一路經(jīng)過限流孔板減壓為前置緩沖氣。后置隔離氣為凈化儀表風，在進入干氣密封之前，采用精度為5 μm的過濾器過濾，由減壓閥從0.45 MPa減壓為0.3 MPa。干氣密封系統(tǒng)在ESD上的主要運行監(jiān)控參數(shù)為主密封氣的流量、主密封氣和前置氣壓差以及過濾器壓差。主密封氣和前置緩沖氣壓差達到100 kPa時報警，50 kPa設(shè)置停機聯(lián)鎖。干氣密封的控制系統(tǒng)見圖2。

3 干氣密封系統(tǒng)運行中的典型故障和處理

3.1 潤滑油進入干氣密封系統(tǒng)及密封面磨損

富氣壓縮機干氣密封系統(tǒng)投入運行一段時間后發(fā)現(xiàn)密封氣流量逐漸增大，最大時達到4.0 Nm3/h，前后端軸承箱潤滑油供油壓力從0.12 MPa上升到0.27 MPa，接近后置隔離氣壓力。拆檢干氣密封系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，潤滑油進入了密封腔，密封面出現(xiàn)磨損劃痕。進一步拆檢軸承箱，檢查軸承和潤滑油回路，發(fā)現(xiàn)軸承完好，軸瓦潤滑油回油孔徑較小，軸瓦潤滑油回路不通暢，導致回油腔液位高，支路油壓偏高，后置隔離氣不能完全密封潤滑油，少量潤滑油通過迷宮密封漫入高低壓端干氣密封系統(tǒng)，形成滯留積液，長時間運轉(zhuǎn)導致密封面磨損。 對軸瓦回油孔擴徑處理后，干氣密封系統(tǒng)運行正常，主密封氣流量為0.3～1.0 Nm3/h，軸瓦潤滑油壓力為0.20 MPa，處于合理范圍。

圖2 干氣密封的控制系統(tǒng)

3.2 雜質(zhì)進入密封系統(tǒng)及動靜環(huán)輔助密封圈失效

2009年5月，富氣壓縮機大檢修后投入運行，高壓端主密封氮氣流量（FI302）為0.8 Nm3/h，并在數(shù)天內(nèi)上升到1.0 Nm3/h，其后流量上升趨勢明顯減緩，但總體仍然呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢。8月12日氮氣流量（FI302）上升到1.4 Nm3/h，8月12日裝置意外停工，富氣壓縮機重新開機正常后，氮氣流量直接升高到1.8 Nm3/h， 8月24日達到3.4 Nm3/h，9月底氮氣流量上升到4.0 Nm3/h以上。高壓端主密封氮氣流量（FI302）趨勢如圖3所示。

圖3 高壓端主密封氮氣流量趨勢

2009年10月2日，富氣壓縮機被迫停機檢修干氣密封系統(tǒng)。停機后高壓端氮氣密封流量在靜壓狀態(tài)下仍然保持在4.0 Nm3/h。氮氣流量在正常停機情況下應該回零。但停機后氮氣仍有流量，這說明氮氣密封內(nèi)部靜密封點已經(jīng)損壞，所以其在運行狀態(tài)下氮氣流量會持續(xù)上升。技術(shù)人員分析造成這種現(xiàn)象的原因，除了安裝方面的因素外，主要是可能有雜質(zhì)進入密封面，隨著機組的運行，雜質(zhì)使密封面的損壞逐漸增加；其次也有可能隔離氣未能完全隔離油氣，使得油氣逐漸滲透到密封體，造成流量上升。拆檢氮氣密封看到，O形密封圈已經(jīng)損壞得相當嚴重，干氣密封的兩級進口過濾器濾芯中雜質(zhì)較多，動靜環(huán)密封面存在明顯磨損。更換新的干氣密封系統(tǒng)后，靜壓狀態(tài)下干氣密封氮氣流量處于 “0”的狀態(tài)，即氮氣密封系統(tǒng)正常。

密封生產(chǎn)廠商技術(shù)人員分析， O形密封圈從擠壓特性、溫度、工作壓力以及抗吸氣能力幾個方面均滿足壓力要求，選擇氟橡膠做輔助密封圈的材料較為合適，不存在材質(zhì)選擇不合理的問題。為防止此類現(xiàn)象再次發(fā)生，制定了以下措施： （1）安裝人員在干氣密封的安裝過程中要清洗所有進氣管路及機殼上進出氣孔，檢查是否有粘附物和劃痕，特別是要檢查與靜密封O形圈配合的部位是否有缺陷，必要時要進行修理修整，并在密封的有關(guān)部位均勻地涂上一層薄潤滑脂；安裝干氣密封時須用專用潤滑脂和防咬合劑，降低因安裝失誤導致密封損壞的風險。 （2）定期切換使用兩級氮氣過濾器，并檢查濾芯是否帶液，及時切液；要檢查濾芯內(nèi)是否有雜質(zhì)存在，要及時更換濾芯。 （3）每半年定期更換兩級氮氣過濾器和隔離氣過濾器。 （4）壓縮機潤滑油運行前至少投用后置隔離氣10 min，停機后保持潤滑油運行10 min，然后方可停止后置隔離氣。

3.3 工藝氣結(jié)垢腐蝕，堵塞干氣密封腔

2013年3月1日至2013年5月下旬，干氣密封的主密封氣壓力維持在0.6 MPa，沒有發(fā)生變化，而前置緩沖氣壓力從170 kPa逐步上升到350 kPa。主密封氣流量FI302從0.5 Nm3/h上升到了2.2 Nm3/h，流量趨勢見圖4；主密封氣與前置緩沖氣壓差PD201從415 kPa逐步下降到了245 kPa，流量趨勢如圖5所示。此運行階段，由于密封氣差壓下降趨勢明顯，存在富氣壓縮機聯(lián)鎖停機的嚴重風險，于是決定2013年5月21日停機檢修干氣密封系統(tǒng)。拆檢發(fā)現(xiàn)，高壓端干氣密封體沒有油漬，轉(zhuǎn)動磨損痕跡明顯。于是，更換了高壓端的干氣密封。低壓端密封面雖有微量的磨損，但沒有進行更換處理。密封體外殼和密封面上分布有大量的深棕色灰塵狀物質(zhì)，壓縮機二段入口干氣密封腔體處存在明顯的腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢物呈現(xiàn)深棕色，數(shù)量較多，汽封環(huán)上的排氣孔堵塞嚴重，維修人員進行了疏通清理。經(jīng)化驗分析，深棕色灰塵狀物質(zhì)為單質(zhì)硫，結(jié)垢物的主要成分為硫化物。

圖4 高壓端主密封氮氣流量趨勢

圖5 主密封氣和前置緩沖氣差壓趨勢

催化裂化裝置原料中的硫化物主要包括硫醇、硫醚和噻吩，在催化裂化反應中約40%的硫化物轉(zhuǎn)化為H2S。動力車間的制氮機隨著運行時間的積累，氮氣中氧含量逐步上升，加之富氣中本來就含有空氣組分，這樣富氣壓縮機入口就處于富含H2S和O2的狀態(tài)，在干氣密封腔體處流速較低，有充足的反應時間，此處便發(fā)生化學反應產(chǎn)生單質(zhì)硫，反應方程式如下所示：

單質(zhì)硫和富氣中的硫化物在壓縮機運行時不斷產(chǎn)生和沉淀，逐漸進入并堵塞干氣密封的密封腔，并使得平衡管入口的干氣密封腔體排氣孔不通暢，造成堵塞，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。此時高壓端的二段入口由于干氣密封腔體處密封效果差，泄漏的富氣壓力逐漸升高，前置緩沖氣受此壓力影響，背壓升高，緩沖氣壓力升高，導致主密封氣和前置緩沖氣壓差不斷降低。干氣密封腔體處富氣流量的增加，出現(xiàn)富氣向緩沖氣返混的現(xiàn)象，形成的單質(zhì)硫和硫化物向干氣密封系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，顆粒較小的單質(zhì)硫逐步分布到了密封體外殼和密封面上，因此造成了密封面的磨損，主密封氣流量隨運行時間逐漸增大。

二段入口和一段入口之間通過下平衡管來平衡高、低壓端之間的軸向力。高壓端通過迷宮密封泄漏的富氣和高壓端干氣密封泄漏的氮氣以及高壓端緩沖氣一起通過上平衡管進入壓縮機低壓端，再通過低壓端迷宮密封進入低壓端入口，并在此與入口富氣混合進行壓縮。在實際運行中，由于富氣軸封效果差，泄漏量大，導致緩沖氣背壓升高。緩沖氣壓力升高，上平衡管兩側(cè)的壓力均在0.32 MPa左右，而緩沖氣壓力為0.35 MPa左右，這就是主密封氣和前置緩沖氣壓差減小的原因所在。

為減少富氣對機體側(cè)干氣密封腔體的腐蝕和單質(zhì)硫的產(chǎn)生，機組運行時應加強一段入口分液罐的切液和中間分液罐的切液，保證進入機組的氣體不含液相。要使氮氣系統(tǒng)盡可能分離過濾氮氣中的水分和油分，提高過濾精度。適當?shù)靥岣咧髅芊鈿鉁囟龋梢允姑芊鈿庵械哪簹饣?，降低或避免凝液的產(chǎn)生。操作實踐發(fā)現(xiàn)，適當提高高壓端和低壓端入口富氣的溫度，可以減少單質(zhì)硫的產(chǎn)生，減少硫化物在干氣密封腔體處的結(jié)垢和腐蝕。二段入口溫度從50℃提高到60℃，高壓端緩沖氣壓力上升速度放緩，甚至出現(xiàn)長時間平穩(wěn)運行，主密封氣和緩沖氣壓差穩(wěn)定。通過以上措施的實施，目前富氣壓縮機密封氣壓差已穩(wěn)定在200～240 kPa范圍，高壓端氮氣流量也穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)，運行平穩(wěn)。

4 建議和結(jié)論

檢查發(fā)現(xiàn)，壓縮機下平衡管壓力為0.05 MPa，而上平衡管壓力為0.35 MPa。由此判斷，二段入口干氣密封腔體泄漏嚴重和排氣孔堵塞是造成上平衡管壓力升高的原因所在。上平衡管因為要經(jīng)過壓縮機一段入口的氣封，排氣孔徑小，流量較小，因此無法有效平衡壓力。建議在上平衡管和下平衡管之間增加一條跨線，即將上下平衡管連通，起到降低緩沖氣背壓的作用，從而降低緩沖氣壓力，提高主密封氣與緩沖氣壓差，進而減小壓縮機因壓差低而聯(lián)鎖停機的風險。

目前應用于富氣壓縮機的干氣密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)日趨完善。在實際應用中，往往是由于技術(shù)人員的安裝技術(shù)、操作條件問題以及運行維護不當導致了故障的發(fā)生。要使干氣密封系統(tǒng)安全可靠地長周期運行，就必須為干氣密封提供一個干燥、潔凈、穩(wěn)定的環(huán)境，提供純凈的主密封氣、前置緩沖氣和隔離氣以及適宜的工作溫度和壓力，保證軸封上的輔助干氣密封腔體有效密封，防止工藝氣對干氣密封系統(tǒng)的污染。