徐上峰

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

美國石油協(xié)會(huì)(API)在2018年發(fā)布的API 692共分為4個(gè)部分：Part 1 General Requirement，通用要求，這一部分主要是對干氣密封及系統(tǒng)的一般性、共性要求，與其他各部分共同使用；Part 2 Dry Gas Seals是針對干氣密封本體的要求；Part 3 Dry Gas Seals System是針對干氣密封系統(tǒng)的要求；Part 4 Installation and Commissioning 是對干氣密封及系統(tǒng)的安裝和試車要求。本文逐章對該規(guī)范中與工程實(shí)踐相關(guān)部分的重點(diǎn)章節(jié)進(jìn)行了解讀和分析。

1 第一部分 通用要求

該標(biāo)準(zhǔn)中6.2.1條明確提出了干氣密封及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿足所有的正常操作、開停工、測試等所有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的要求。該標(biāo)準(zhǔn)條款也通過提高對密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和密封本體材料的選材要求，最大程度地保證干氣密封能夠適應(yīng)各種工況。在目前工程實(shí)踐中，一般也都會(huì)要求干氣密封的運(yùn)行滿足數(shù)據(jù)表中所列的工況， 以及開車、 盤車、 惰轉(zhuǎn)、緊急停車等特殊工況。但是在壓縮機(jī)開車、 緊急停車階段， 壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)很不穩(wěn)定【2】， 有相當(dāng)一部分干氣密封失效就是出現(xiàn)在開車、緊急停車或者工況急劇變化的階段【3-4】。特別是空氣或者氮?dú)庠囓囯A段， 外部條件不好， 密封很容易損壞。部分壓縮機(jī)制造廠和干氣密封制造廠出于安全、 造價(jià)等因素考慮， 經(jīng)常在車間試車或現(xiàn)場空氣、 氮?dú)庠囓嚂r(shí)采用試車密封(迷宮密封或襯套密封)， 待機(jī)組正式投用工藝氣時(shí)再安裝正式密封；這種方式雖然有利于保護(hù)昂貴的干氣密封， 但是無形中提高了制造廠和用戶的采購成本和工作量， 而且合同密封在投用工藝氣前也無法在機(jī)組試車時(shí)得到初步驗(yàn)證。因此建議在以后的工程實(shí)踐中， 干氣密封本體及系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮壓縮機(jī)所有的運(yùn)轉(zhuǎn)工況， 從根本上解決干氣密封不能很好地適應(yīng)部分非正常操作工況的問題。

在API 692中也首次規(guī)定了工藝側(cè)密封、級間迷宮密封和隔離密封間隙的最小流速。目前工程實(shí)踐中，一般僅要求密封氣供氣系統(tǒng)按照最大間隙的2倍或3倍氣耗量設(shè)計(jì)，并沒有規(guī)定通過間隙的流速，這項(xiàng)要求也規(guī)范了不同制造廠的設(shè)計(jì)原則。不同工況下干氣密封內(nèi)部間隙流速要求見表1。

表1 不同工況下干氣密封內(nèi)部間隙流速要求 單位：m/s

另外，在API 692中首次提出了故障模式的系統(tǒng)性分析。6.9條中指出，如果有規(guī)定時(shí)，需要系統(tǒng)性地分析故障模式，以及針對這些失效模式是否已經(jīng)考慮了適當(dāng)?shù)木徑獯胧？梢灶A(yù)見到，隨著對設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來越高，以后可能會(huì)有更多的API規(guī)范中要求進(jìn)行故障模式的系統(tǒng)性分析。

在這一部分中，API 692還著重強(qiáng)調(diào)了所有串聯(lián)的干氣密封都需要配備密封氣預(yù)處理模塊，本文將在第三部分對此進(jìn)行詳細(xì)解讀。

2 第二部分 干氣密封本體

API 692的第二部分主要規(guī)定了干氣密封本體的技術(shù)要求，也是首次在API規(guī)范中對干氣密封本體的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)作出了詳細(xì)的規(guī)定。

2.1 干氣密封的分類

API 692中干氣密封的種類見表2。

API 692將中于干氣密封和軸承箱之間的隔離密封的種類見表3。

表2 干氣密封種類

API 692中工藝側(cè)密封種類見表4。

雖然API 692給出了很多種密封的結(jié)構(gòu)組合，但同時(shí)也指出，如果用戶沒有特別指定，壓縮機(jī)的干氣密封應(yīng)該選用串聯(lián)式帶中間迷宮密封，隔離密封采用非接觸式的襯套密封，工藝側(cè)密封選用迷宮密封。API 692的默認(rèn)推薦方案和目前工程實(shí)踐中大部分的干氣密封及部件選型是一致的。

表4 工藝側(cè)密封種類

2.2 干氣密封面材質(zhì)的選擇

在API 692第二部分的附錄中，詳細(xì)比較了不同的密封面材質(zhì)特性，并給出了選用原則，這也是API系列規(guī)范首次涉及干氣密封的密封面材質(zhì)的問題。

干氣密封不同的密封面材質(zhì)組合見表5。

表5 干氣密封不同的密封面材質(zhì)組合

由API 692附錄H中密封面材質(zhì)特性介紹以及密封面材料組合導(dǎo)則可以看出：

1) 石墨靜環(huán)潤滑性較好、耐摩擦，可適應(yīng)短時(shí)間輕度接觸，在盤車和惰轉(zhuǎn)時(shí)具有較好的性能，不易損壞，只是縮短密封使用壽命。但是純石墨本身多孔易被滲透，一般需要進(jìn)行浸樹脂、銻、鎳、鉻【5-6】等處理，以取得良好的氣密性，同時(shí)也能得到更好的機(jī)械性能或者化學(xué)性能。但是無論如何，石墨靜環(huán)由于機(jī)械強(qiáng)度較低，在承受高壓時(shí)易變形，一般用于中低壓場合<120×105Pa(絕)的情況。

碳化硅靜環(huán)的強(qiáng)度很好，可以用在高壓場合，但是碳化硅在承受間歇接觸時(shí)易損壞(一般在盤車或者低速運(yùn)行時(shí))。

現(xiàn)在新設(shè)計(jì)的密封可以在靜環(huán)表面噴涂金剛石涂層【7】來改善摩擦性能。也有煉廠對在用干氣密封進(jìn)行過這種改造。

2) 動(dòng)環(huán)材料中，碳化鎢在強(qiáng)度、韌性和剛度上都是比較好的，是最常用的動(dòng)環(huán)材料，但是由于碳化鎢密度較大，不太適合線速度較高的場合；碳化硅也是比較常用的動(dòng)環(huán)材料，但碳化硅的綜合機(jī)械性能略低；氮化硅的機(jī)械性能較好，可以應(yīng)用在線速度很高的場合下；合金鋼材料的剛度略低，一般應(yīng)用在低壓的場合。

API 692也指出，對于同樣的材料，不同制造廠都有各自特有的材料性能，因此API 692中對于不同動(dòng)、靜環(huán)材質(zhì)的介紹僅供參考，實(shí)際應(yīng)用中都還是宜由制造廠按照內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來選擇材料。例如，目前很多高壓工況下靜環(huán)材質(zhì)仍然采用石墨【8】，也能長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 第三部分 干氣密封系統(tǒng)

此部分主要對干氣密封系統(tǒng)(干氣密封盤站)的配置提出要求。這一部分涵蓋了各種類型的干氣密封系統(tǒng)，并且在附錄中給出了干氣密封系統(tǒng)的典型配置和可選配置，內(nèi)容十分豐富。

在API 692中，將干氣密封系統(tǒng)中特定的組件定義為一個(gè)模塊，整套干氣密封系統(tǒng)就由各種模塊組合而成。本文以最常用的帶中間迷宮密封的串聯(lián)密封系統(tǒng)為例，介紹API 692對于干氣密封系統(tǒng)的模塊劃分以及特殊要求(見表6)。

主密封氣供氣系統(tǒng)由Module A、B、C、D組成。

Module A(模塊A)為有替代氣源的密封氣源模塊，有主密封氣源和備用氣源。目前實(shí)際工程實(shí)踐中，不僅配有備用氣源，備用氣源上還有止回閥和電磁閥防止各路氣源反串，并可實(shí)現(xiàn)在主密封氣源壓力不足時(shí)自動(dòng)切換氣源的功能，穩(wěn)定性和復(fù)雜程度都高于API 692模塊A的配置。

Module B(模塊B)為密封氣處理模塊。根據(jù)API 692,串聯(lián)式干氣密封都需要配備密封氣處理系統(tǒng)；如果單封、帶壓雙封的密封氣清潔程度和露點(diǎn)溫度不能滿足要求，也需要配備密封氣處理系統(tǒng)。密封氣處理系統(tǒng)通常包括冷卻器、氣液分離器、增壓泵和加熱器4部分。主要目的是將密封氣(包括壓縮機(jī)出口氣和各種備用氣源)冷卻脫液后，再進(jìn)行增壓、加熱，確保密封氣足夠清潔且至少高于露點(diǎn)溫度20 ℃，以避免液體進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)的可能。

表6 干氣密封系統(tǒng)模塊分類

在目前的煉化行業(yè)工程實(shí)踐中，一般不要求制造商提供完整的密封氣處理系統(tǒng)，而是優(yōu)先選擇裝置中可以提供的適宜的密封氣源，如一些輸送輕質(zhì)氣體的壓縮機(jī)出口氣、氮?dú)狻⒁蚁?、氫氣等，它們足夠清潔且溫度適宜，因此并不需冷卻、加熱和氣液分離，僅有可能需要增壓泵；只有采用介質(zhì)成分較重或可能含液的氣體做密封氣時(shí)(如裂解氣壓縮機(jī)、富氣壓縮機(jī)和循環(huán)氫壓縮機(jī)等)，一般會(huì)要求配備分液罐和伴熱。歷年的實(shí)踐結(jié)果顯示，由于大部分機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)充分考慮密封氣的條件，即便是沒有配備密封氣處理系統(tǒng)，煉化企業(yè)的干氣密封系統(tǒng)也一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

Module C(模塊C)為雙聯(lián)過濾器模塊。根據(jù)API 692，主密封氣需配備雙聯(lián)過濾器，過濾精度為1 μm。雙聯(lián)過濾器的切換閥必須采用六通閥或者2個(gè)三通的恒流量切換閥進(jìn)行切換。目前工程實(shí)踐中有時(shí)候會(huì)采用單獨(dú)的切斷閥來切換雙聯(lián)過濾器，這在API 692中是不允許的。

Module D(模塊D)為密封氣量控制模塊，一共分為4種，分別為Module DT(流量控制)、Module DT1(壓差控制)、Module DT2(孔板控制)、Module DT3[(驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端)獨(dú)立流量控制]和Module DT4(高火炬背壓下的壓差控制)。密封氣量控制模塊中，Module DT和DT1是目前石化行業(yè)中常用的主密封氣控制方案，Module DT4也經(jīng)常在部分入口壓力較低的壓縮機(jī)(例如乙烯裝置中的三機(jī)【9】或重整循環(huán)氫壓縮機(jī))中使用。另外，在API 692中，不管采用哪一種流量控制模塊，都需要在配置中提供密封氣的壓力變送器和進(jìn)入每一個(gè)密封的流量變送器。

除了以上的模塊外，還需要在接近干氣密封本體的主密封氣管線上配備密封氣溫度變送器，用于監(jiān)控密封氣溫度以及控制密封氣預(yù)處理系統(tǒng)Module B的加熱器。這在目前工程實(shí)踐中一般為選配項(xiàng)。

二級密封氣供氣系統(tǒng)由Module C 雙聯(lián)過濾器模塊和Module F 二級密封氣量控制模塊組成。Module F 為二級密封氣壓力控制，如果有指定，也可以選用Module F1(壓差控制)，Module F2(流量控制)或者M(jìn)odule F3[(驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端)獨(dú)立流量控制]。這和目前石化行業(yè)的常用配置是一致的。另外，在API 692中，不管采用哪一種流量器控制模塊，都需要在Moudule F配置中提供密封氣的壓力變送器和進(jìn)入每一個(gè)密封的流量變送器，而目前工程實(shí)踐中，有的提供流量變送器，有的則提供現(xiàn)場流量計(jì)，以檢測二級密封氣流量。

隔離氣供氣系統(tǒng)由Module C 雙聯(lián)過濾器模塊和Module M隔離氣氣量控制模塊組成。API 692中允許Module C模塊可以與二級密封供氣系統(tǒng)中的Module C共用。Module M 為隔離氣壓力控制，如果有特殊規(guī)定，也可以選用Module M1[(驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端)獨(dú)立流量控制]，Module M2(壓差控制)或者M(jìn)odule M3[(驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端)獨(dú)立壓差控制]。目前石化行業(yè)的常用配置是壓力控制，且多數(shù)與二級密封氣共用。

主密封氣排火炬/排空系統(tǒng)由Module G、H、L、I、J、K組成。主密封氣排火炬系統(tǒng)由Module G、H、L 3(個(gè)模塊組成)。Module G為安全閥模塊，為可選項(xiàng)，目前一般僅在壓力較高的工況下使用；Module H為壓力和流量監(jiān)控模塊，為必選項(xiàng)；Module L為背壓控制模塊，有3種選項(xiàng)，分別為Module L(背壓調(diào)節(jié)閥和止回閥組合模塊)，該選項(xiàng)為默認(rèn)選項(xiàng)、Module L1(帶彈簧的止回閥模塊)和Module L2(孔板和止回閥組合模塊)，目前實(shí)踐中較少專門設(shè)置背壓控制，只用測流量孔板代替背壓控制。

二級密封氣排空系統(tǒng)由Module I、J、K組成，這3種模塊均為可選項(xiàng)，目前實(shí)踐中一般二級密封氣排空都不配備這幾個(gè)模塊，個(gè)別有配備溫度變送器的情況。隨著對于安全運(yùn)行的要求越來越高，建議在以后實(shí)踐中至少配備Module I模塊，以真正確保帶級間迷宮密封的串聯(lián)密封無任何介質(zhì)會(huì)泄漏至大氣中。

排凝系統(tǒng)由Module N、O、P、Q、R組成，分別為干氣密封的主密封腔(Module R)，主密封氣放空腔(Module Q)、二級密封氣腔(Module P)、二級密封氣放空腔(Module O)和隔離氣腔(Module N)排凝模塊。這幾個(gè)排凝模塊在API中都是強(qiáng)制要求的，目的就是在干氣密封運(yùn)行前確保干氣密封內(nèi)部沒有任何液體的存在。但是目前石化行業(yè)中，除了Module N會(huì)配備，其他的排凝模塊一般都不考慮設(shè)置，在做好管線吹掃和排凝的前提下，也能夠?qū)崿F(xiàn)干氣密封及系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了API 692規(guī)范中對干氣密封及其系統(tǒng)的要求，并且比較了部分關(guān)鍵的技術(shù)要求與目前工程實(shí)踐的區(qū)別。整體上API 692的要求更加細(xì)致和完善，很多要求和配置都在以往API規(guī)范中從未出現(xiàn)。目前石化行業(yè)中常見配置大部分與API 692的要求一致，但是也有部分要求屬于可選項(xiàng)，部分配置幾乎從未采用過。如果以后在工程中要求嚴(yán)格執(zhí)行API 692規(guī)范，設(shè)計(jì)人員、制造廠和用戶都需要逐步適應(yīng)。