張錫德，陳 偉，陳小龍

（中石油塔里木石化分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

塔里木石化分公司年產(chǎn)450 kt合成氨/800 kt尿素的大化肥裝置，合成氣壓縮機(jī)是雙缸離心壓縮機(jī)，汽輪機(jī)布置在高低壓缸中間，機(jī)組整體為進(jìn)口設(shè)備，壓縮機(jī)軸封采用串聯(lián)式干氣密封，機(jī)組為氨合成塔提高氫氣和氮?dú)狻?/p>

2017年12月1日因冬季天然氣短缺化肥裝置按計(jì)劃進(jìn)行停工，合成氣壓縮機(jī)于12月1日停機(jī)，在機(jī)組停機(jī)時(shí)首先開啟高、低壓增壓泵，投入干氣密封運(yùn)行，因低壓2臺(tái)增壓泵損壞，低壓缸增壓單元未運(yùn)行，在停機(jī)過程中低壓缸兩側(cè)干氣密封運(yùn)行正常，機(jī)組停車后盤車器立即投入運(yùn)行，因汽輪機(jī)軸封密封蒸汽一直投用，汽輪機(jī)缸體溫度較高，機(jī)組進(jìn)行了長時(shí)間盤車，當(dāng)盤車器停運(yùn)后，低壓缸兩側(cè)干氣密封一級(jí)密封泄漏量突然增大，達(dá)到報(bào)警值，經(jīng)確認(rèn)干氣密封已損壞，隨后對(duì)密封進(jìn)行了更換處理，在拆出密封時(shí)，發(fā)現(xiàn)表面有大量的黑色顆粒及粉末，據(jù)此對(duì)高壓缸干氣密封同樣進(jìn)行了更換，同時(shí)將換下密封送天津某廠商進(jìn)行修理，拆檢發(fā)現(xiàn)低壓缸干氣密封動(dòng)靜環(huán)嚴(yán)重磨損，滑移直徑處密封圈損壞，高壓缸密封也存在不同情況磨損。

1 低壓缸干氣密封

壓縮機(jī)低壓缸型號(hào)為5V-8B，2段壓縮，轉(zhuǎn)子軸上安裝8個(gè)葉輪，4個(gè)葉輪為一組，構(gòu)成了壓縮機(jī)第一二段壓縮，第1組葉輪與第2組葉輪方向布置相反，軸向力抵消，未設(shè)平衡管，每級(jí)入口在轉(zhuǎn)子軸兩端，兩端干氣密封一級(jí)密封氣壓力分別設(shè)置各自參考?xì)狻?/p>

干氣密封系統(tǒng)由一二級(jí)密封氣系統(tǒng)、隔離氣系統(tǒng)、一二級(jí)密封泄漏放空系統(tǒng)、潤滑油煙氣放空系統(tǒng)及增壓單元等組成如圖1所示。干氣密封核心部件為動(dòng)環(huán)和靜環(huán)，在動(dòng)環(huán)密封面上刻有雙向燕尾形槽，形成密封氣膜［1］。

圖1 低壓缸干氣密封控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 干氣密封結(jié)構(gòu)

壓縮機(jī)干氣密封采用某公司的高壓干氣密封28XPBD結(jié)構(gòu)，布置形式為帶中間迷宮的兩級(jí)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，2套密封按相同方向相連而成如圖2所示，第一級(jí)密封為主密封，承擔(dān)大部分負(fù)荷，第二級(jí)為備用密封，承受小部分負(fù)荷［2］。

圖2 兩級(jí)串聯(lián)式密封結(jié)構(gòu)

1.2 一級(jí)密封氣系統(tǒng)

1.2.1 啟機(jī)中一級(jí)密封流程

壓縮機(jī)啟機(jī)前，打開氮?dú)忾y，氮?dú)鈮毫?.6 MPa（g），溫度為25 ℃，氮?dú)饨?jīng)過過濾器、氣動(dòng)調(diào)壓閥，進(jìn)入低壓缸兩側(cè)一級(jí)密封腔，氮?dú)鈱?duì)低壓缸內(nèi)的工藝氣體進(jìn)行阻隔，當(dāng)?shù)蛪焊變?nèi)壓力上升至0.4 MPa（g）時(shí)，打開增壓泵驅(qū)動(dòng)空氣閥，空氣壓力為0.4 MPa（g），啟動(dòng)2臺(tái)增壓泵，增壓泵工藝介質(zhì)為低壓缸二段出口氣如圖3所示，干氣密封一級(jí)密封建立后，依次用氮?dú)?、工藝氣?duì)低壓缸進(jìn)行置換及系統(tǒng)均壓，分析合格，啟動(dòng)機(jī)組，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升至最低工作轉(zhuǎn)速8 333 r/min時(shí)，停增壓泵［3］。

圖3 低壓缸增壓單元流程

1.2.2 運(yùn)行中一級(jí)密封流程

正常運(yùn)行時(shí)，低壓缸一級(jí)密封氣為壓縮機(jī)二級(jí)出口氫氮?dú)猓瑲怏w壓力為8.65 MPa（g），溫度為98 ℃，氣體經(jīng)過濾器 （精度3 μm）后，分兩路通過氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，然后參照壓縮機(jī)一二級(jí)入口壓力分別進(jìn)行壓差調(diào)節(jié)，進(jìn)入低壓缸兩側(cè)干氣密封一級(jí)密封腔，密封腔內(nèi)大部分氣體通過軸端迷宮密封進(jìn)入壓縮機(jī)腔內(nèi)，僅有少部分氣體通過一級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)密封面進(jìn)入一級(jí)密封放空火炬管網(wǎng)［4］。

1.2.3 停機(jī)中一級(jí)密封流程

機(jī)組停機(jī)前，開啟增壓泵，低壓缸二級(jí)出口工藝氣經(jīng)增壓泵增壓后，被送入低壓缸兩側(cè)一級(jí)密封腔，當(dāng)機(jī)組完全停下來時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行泄壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力小于系統(tǒng)氮?dú)鈮毫r(shí)，停增壓泵，氮?dú)庾詣?dòng)切入到一級(jí)密封氣系統(tǒng)［5］。

1.3 二級(jí)密封氣系統(tǒng)

來自系統(tǒng)氮?dú)?，壓力?.6 MPa（g），溫度為25 ℃，經(jīng)過濾器（精度3 μm）后分成兩部分:低壓缸干氣密封的二級(jí)密封氣和低壓缸干氣密封的隔離氣。

氮?dú)馔ㄟ^過濾器后，經(jīng)過氣動(dòng)調(diào)壓閥調(diào)壓，進(jìn)入低壓缸兩側(cè)二級(jí)密封腔，其中大部分氮?dú)饨?jīng)過中間密封梳齒進(jìn)入一級(jí)密封泄漏氣管道中，其功能是阻擋一級(jí)密封泄漏氫氮?dú)膺M(jìn)入二級(jí)密封，僅有少部分氮?dú)馔ㄟ^二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)端面，進(jìn)入二級(jí)密封泄漏管中，在現(xiàn)場(chǎng)高點(diǎn)放空［6］。

1.4 隔離密封氣系統(tǒng)

來自過濾器及調(diào)壓閥的氮?dú)?，通過節(jié)流孔板降壓至390 kPa（g），進(jìn)入低壓缸兩側(cè)迷宮密封腔，其壓力稍高于軸承箱油壓，其中部分氮?dú)馔ㄟ^內(nèi)側(cè)梳齒進(jìn)入二級(jí)密封泄漏管道，另一部分氮?dú)馔ㄟ^外側(cè)梳齒進(jìn)入軸承潤滑油煙氣放空管道，隔離氮?dú)夤δ苁亲柚節(jié)櫥瓦M(jìn)入干氣密封［7］。

1.5 放空氣控制系統(tǒng)

通過低壓缸干氣密封一級(jí)密封泄漏的少量氫氮?dú)猓c來自二級(jí)密封的大部分氮?dú)饣旌?，被排放到火炬管網(wǎng)，最終燃燒放空，二級(jí)密封的泄漏氮?dú)馀c來自內(nèi)側(cè)梳齒的隔離氮?dú)膺M(jìn)行混合，在現(xiàn)場(chǎng)高點(diǎn)放空 ，通過外側(cè)梳齒的隔離氮?dú)馀c軸承潤滑油的揮發(fā)煙氣進(jìn)行混合，在現(xiàn)場(chǎng)放空［8］。

流量監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置安裝在一級(jí)密封泄漏氣管道上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干氣密封運(yùn)行狀況，當(dāng)泄漏流量超標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 干氣密封故障原因分析

2.1 干氣密封異常情況

2017年12月1日化肥裝置因冬季天然氣短缺而停車，合成氣壓縮機(jī)于12月1日17點(diǎn)停機(jī)，因低壓缸2臺(tái)增壓泵損壞，在停機(jī)時(shí)低壓缸增壓單元未投運(yùn)，機(jī)組停車后對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行泄壓，當(dāng)?shù)蛪焊紫到y(tǒng)壓力降至0.4 MPa以下時(shí)，氮?dú)馔度氲揭患?jí)密封氣系統(tǒng)中。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子靜止后，為防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸因熱而產(chǎn)生彎曲，立即啟動(dòng)盤車器對(duì)機(jī)組進(jìn)行盤車，因汽輪機(jī)軸封密封蒸汽一直投用，汽輪機(jī)缸體溫度一直未降至85 ℃以下，導(dǎo)致盤車器過長時(shí)間運(yùn)行，在盤車過程中干氣密封未出現(xiàn)明顯的異常，12月4日11點(diǎn)12分根據(jù)汽輪機(jī)缸體溫度情況停盤車器，此時(shí)低壓缸干氣密封出現(xiàn)了異常，缸體兩側(cè)一級(jí)密封氣泄漏量增大，從18.7增大到41.7 Nm3/h，已超過報(bào)警值，為進(jìn)一步確認(rèn)干氣密封泄漏情況，將低壓缸兩側(cè)一級(jí)密封泄漏出口管線法蘭拆開，管線中有較大泄漏氣體，確認(rèn)低壓缸兩側(cè)干氣密封已出現(xiàn)了故障。

2.2 原因分析

異常出現(xiàn)后，將干氣密封運(yùn)行參數(shù)從ITCC及DCS中調(diào)出進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況總結(jié)如下：

（1）在機(jī)組運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)低壓缸干氣密封各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行正常。

（2）在機(jī)組停車時(shí)低壓缸兩側(cè)干氣密封在115 min內(nèi)無一級(jí)密封氣壓差。

（3）12月2日在6 h內(nèi)，低壓缸兩側(cè)干氣密封多次出現(xiàn)一級(jí)密封氣壓差過小。

（4）12月3日在10 h內(nèi)，低壓缸兩側(cè)干氣密封多次出現(xiàn)一級(jí)密封氣無壓差。

（5）汽輪機(jī)軸封密封氣于12月4日8點(diǎn)21分停運(yùn)，之前一直投用。

（6）在盤車階段兩側(cè)干氣密封泄漏流量基本正常，其泄漏量指標(biāo)均在指標(biāo)范圍內(nèi)。

（7）在盤車階段低壓缸非聯(lián)軸器側(cè)干氣密封一級(jí)密封泄漏量逐漸增大，但未超標(biāo)。

（8）機(jī)組停機(jī)后，壓縮機(jī)干氣密封一、二級(jí)密封氣未停，其氣源為系統(tǒng)氮?dú)狻?/p>

（9）在停機(jī)階段因增壓泵故障，低壓缸干氣密封增壓單元無法投用。

（10）機(jī)組停車后盤車器運(yùn)行長達(dá)67 h，停運(yùn)后干氣密封一級(jí)泄漏量劇增。

（11）機(jī)組盤車器為渦輪蝸桿連續(xù)盤車裝置，其盤車轉(zhuǎn)速為18.4 r/min。

（12）壓縮機(jī)停車后低壓缸系統(tǒng)壓力從3.84 MPa泄壓至0.42 MPa用時(shí)85 min。

（13）拆卸低壓缸兩側(cè)一二級(jí)密封泄漏氣管線法蘭，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)一級(jí)泄漏氣管線泄漏很大，二級(jí)密封泄漏氣管線微漏。

（14）拆出干氣密封，其外筒表面粘著大量黑色顆粒及粉末。

可以確認(rèn)低壓缸兩側(cè)一級(jí)密封已故障而產(chǎn)生泄漏，須對(duì)低壓缸干氣密封進(jìn)行更換處理。

對(duì)干氣密封結(jié)構(gòu)分析，一級(jí)密封泄漏有4個(gè)通道［9］，如圖 4 所示。

圖4 干氣密封泄漏通道

拆出干氣密封外筒發(fā)現(xiàn)其表面粘著大量黑色顆粒及粉末，可以確認(rèn)干氣密封已被污染，催化劑粉塵和顆粒已進(jìn)入了干氣密封內(nèi)部，同時(shí)動(dòng)靜環(huán)已磨損。

為進(jìn)一步確認(rèn)損壞部位，將干氣密封送往天津?qū)I(yè)廠進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)干氣密封嚴(yán)重污染，密封內(nèi)進(jìn)入了大量的粉塵、顆粒，同時(shí)動(dòng)靜環(huán)磨損嚴(yán)重、滑移直徑處密封圈損壞。

根據(jù)拆檢情況，經(jīng)分析后認(rèn)為低壓缸干氣密封泄漏有2個(gè)通道：（1）動(dòng)環(huán)和靜環(huán)磨損后，氣體從通道①泄漏；（2）滑移直徑處密封圈磨損及損壞后，氣體從通道④泄漏。

2.2.1 干氣密封被污染原因分析

因壓縮機(jī)在停車過程中低壓缸2臺(tái)增壓泵損壞，增壓單元無法投用，同時(shí)壓縮機(jī)停車后，低壓缸系統(tǒng)未及時(shí)快速泄壓，造成低壓缸缸體內(nèi)壓力大于一級(jí)密封氣壓力，據(jù)統(tǒng)計(jì)，低壓缸兩側(cè)干氣密封在115 min內(nèi)無一級(jí)密封氣壓差，導(dǎo)致缸內(nèi)工藝氣未經(jīng)過濾，通過梳齒密封直接進(jìn)入干氣密封，因缸內(nèi)工藝氣含有一段爐、高低變爐和甲烷化爐催化劑粉末和顆粒，從而造成了干氣密封被污染。

二級(jí)密封氣是系統(tǒng)氮?dú)?，該氮?dú)庥裳b置制氮單元生產(chǎn)，因吸附塔的吸附劑易破碎，3 μm以下的粉末顆粒通過過濾器進(jìn)行干氣密封，對(duì)二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)進(jìn)行污染［10］。

2.2.2 動(dòng)靜環(huán)磨損原因分析

干氣密封動(dòng)靜環(huán)為一對(duì)摩擦副，在動(dòng)環(huán)上刻有雙向燕尾形槽，其深度為2.5～10 μm，在機(jī)組停車狀態(tài)時(shí)，動(dòng)靜環(huán)在彈簧力作用下貼合在一起，形成靜密封，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)， 氣體被吸入燕尾槽內(nèi)，吸入氣體隨槽截面形狀變化被壓縮而產(chǎn)生動(dòng)壓力， 使動(dòng)靜環(huán)之間密封面脫離接觸，形成一層氣膜，其厚度為 2～5 μm［11-13］。

當(dāng)干氣密封被污染，即帶有催化劑粉塵和顆粒的工藝氣體進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)密封面，因停車過程中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)及停車后盤車器長時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)密封在顆粒作用下嚴(yán)重磨損，此外，盤車器轉(zhuǎn)速為18.4 r/min，在此轉(zhuǎn)速下動(dòng)靜環(huán)密封面產(chǎn)生的動(dòng)壓力不足于將動(dòng)靜環(huán)推開，盤車器長時(shí)間運(yùn)行造成動(dòng)靜環(huán)密封面干摩擦而嚴(yán)重磨損［14-15］，動(dòng)靜環(huán)密封面磨損導(dǎo)致干氣密封泄漏。

2.2.3 滑移直徑處密封圈損壞原因分析

干氣密封運(yùn)行時(shí)，在一級(jí)密封氣壓力作用下滑移直徑處密封圈與推環(huán)外壁緊密貼合在一起，形成密封，同時(shí)滑移直徑處密封圈與推環(huán)之間存在軸向微滑動(dòng)，確保靜環(huán)具備良好跟隨性，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜環(huán)之間具有良好的密封氣膜。在極大貼合力和軸向微滑動(dòng)雙重作用下，滑移直徑處密封圈唇邊容易出現(xiàn)磨損，若干氣密封被污染，顆粒進(jìn)入密封，推環(huán)表面及滑移直徑處密封圈會(huì)被加速磨損，顆?？浦睆教幟芊馊Γ瑯O容易造成滑移直徑處密封圈損壞［16］。

從干氣密封拆檢情況看，推環(huán)表面（密封部位）磨損，滑移直徑處密封圈嚴(yán)重磨損，同時(shí)開裂如圖5所示，可以確定外來顆粒進(jìn)入導(dǎo)致密封磨損及滑移直徑處密封圈開裂，造成了氣體從此通道泄漏，同時(shí)滑移直徑處密封圈被卡澀，導(dǎo)致靜環(huán)跟隨性下降，進(jìn)一步加劇了干氣密封動(dòng)靜環(huán)密封面的泄漏。

圖5 滑移直徑處密封圈損壞及推環(huán)磨損情況

3 對(duì)策

3.1 干氣密封送檢

因低壓缸兩側(cè)干氣密封出現(xiàn)了泄漏，更換備用干氣密封，將損壞密封送專業(yè)廠商進(jìn)行拆檢，檢修情況如下：（1）一二級(jí)動(dòng)環(huán)磨損，對(duì)環(huán)進(jìn)行研磨、激光刻槽修復(fù)。（2）一級(jí)靜環(huán)嚴(yán)重磨損，對(duì)環(huán)進(jìn)行更換處理。（3）二級(jí)靜環(huán)磨損，對(duì)環(huán)進(jìn)行研磨、校準(zhǔn)修復(fù)。（4）一級(jí)推環(huán)工作表面嚴(yán)重磨損，對(duì)環(huán)進(jìn)行更換處理。（5）滑移直徑處密封圈開裂及磨損，對(duì)其進(jìn)行更換處理

3.2 增壓泵送檢

低壓缸一級(jí)密封氣無壓差與增壓單元無法投用有直接關(guān)系，將2臺(tái)增壓泵送專業(yè)廠商進(jìn)行修理，根據(jù)損壞情況，更換了密封包及磨損氣缸等配件。

3.3 管理措施

3.3.1 停機(jī)時(shí)及時(shí)開啟增壓泵

為防止停機(jī)時(shí)因增壓泵未及時(shí)啟動(dòng)，導(dǎo)致一級(jí)密封氣壓力小于缸體壓力，干氣密封被缸體介質(zhì)所污染，機(jī)組停機(jī)時(shí)需及時(shí)啟動(dòng)增壓泵。

（1）計(jì)劃性停機(jī)時(shí)，需先開增壓泵，然后停機(jī)。

（2）連鎖停機(jī)時(shí)，需在5 min內(nèi)開啟增壓泵。

3.3.2 壓縮機(jī)系統(tǒng)及時(shí)快速泄壓

為保證增壓泵及時(shí)停機(jī)，同時(shí)為防止因壓縮機(jī)缸體壓力過高，導(dǎo)致一級(jí)密封氣無壓力而干氣密封被污染，停機(jī)后要快速對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)泄壓，保證氮?dú)鈮毫Υ笥诟左w工藝氣壓力。

3.3.3 及時(shí)停增壓泵

增壓泵壽命為1 000 h，為防止增壓泵過快損壞，在啟機(jī)階段，當(dāng)壓縮機(jī)到達(dá)最低工作轉(zhuǎn)速時(shí)，要及時(shí)停增壓泵，在停機(jī)階段，當(dāng)壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力小于氮?dú)鈮毫r(shí)，要及時(shí)停泵［17］。

3.3.4 系統(tǒng)氮?dú)鈮毫σ椒€(wěn)

裝置停車后要保證系統(tǒng)氮?dú)鈮毫ζ椒€(wěn)，要避免因系統(tǒng)氮?dú)庵脫Q和吹掃造成氮?dú)鈮毫Υ蠓炔▌?dòng)，從而造成一級(jí)密封氣無壓力而干氣密封被污染。

3.3.5 及時(shí)停盤車器，避免密封干磨損

因渦輪蝸桿盤車器盤車轉(zhuǎn)速低，盤車時(shí)動(dòng)靜環(huán)未分開，所以停機(jī)后，要及時(shí)切斷軸封密封氣，使汽輪機(jī)缸體溫度盡快降下來，當(dāng)缸體溫度下降至85 ℃時(shí)及時(shí)停盤車器，以避免盤車器長時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)磨損。

3.4 下一步措施

因制氮單元吸附劑易破碎，粉末顆粒污染二級(jí)密封，建議吸附塔更換質(zhì)量更可靠的吸附劑，提高氮?dú)馄焚|(zhì)。

干氣密封更換后于2018年3月2日6點(diǎn)27分啟動(dòng)合成氣壓縮機(jī)，低壓缸干氣密封故障消失，各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行正常。

4 結(jié)論

（1）干氣密封動(dòng)靜環(huán)磨損及滑移直徑處密封圈損壞是造成低壓缸一級(jí)密封泄漏流量異常的根本原因。

（2）在停車過程中，干氣密封因沒有壓力較高的干凈的一級(jí)密封氣保護(hù)而被機(jī)內(nèi)臟的工藝氣體污染，而污染造成干氣密封滑移直徑處密封圈卡滯，導(dǎo)致干氣密封靜止組件軸向沒有補(bǔ)償性和跟隨性，引起密封動(dòng)靜環(huán)密封面打不開、形不成穩(wěn)定的氣膜；同時(shí)臟的固體顆粒等污染源進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)密封面會(huì)造成密封面的磨損、甚至堵塞槽區(qū)。

（3）低壓缸增壓泵損壞導(dǎo)致機(jī)組停車時(shí)無一級(jí)密封壓差。

（4）增壓單元未投用，停車后壓縮機(jī)系統(tǒng)未快速泄壓，導(dǎo)致干氣密封嚴(yán)重污染。

（5）盤車器不宜長時(shí)間運(yùn)行，否則干氣密封會(huì)因干摩擦而損壞。

（6）系統(tǒng)氮?dú)鈮毫Υ蠓炔▌?dòng)，對(duì)干氣密封造成極大影響。

（7）為確保一級(jí)密封氣壓差，增壓泵要及時(shí)投用。

（8）制氮單元吸附劑質(zhì)量對(duì)干氣密封有很大影響。