(1.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003；2.神華新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊 831400）

1 引言

制加氫K-1101+1102新氫-氫增壓聯(lián)合壓縮機(jī)組是該裝置的特護(hù)設(shè)備，分為新氫段和循環(huán)段兩部分，新氫由K-1101吸入經(jīng)兩級壓縮又與由K-1102出來的循環(huán)氫混合，在換熱器E1103AB前與原料油混合后進(jìn)入反應(yīng)器。2015年11月對機(jī)組進(jìn)行中修后，新氫一級填料函冷卻水視窗內(nèi)出現(xiàn)氣泡，在儲水罐水槽上可檢測出可燃?xì)怏w，表明有介質(zhì)竄入冷卻水中，本文從填料函和密封圈的工作原理入手進(jìn)行分析，研究各部件的損壞形式，找出影響密封性能的關(guān)鍵因素，最終分析找出工藝氣竄入冷卻水的根本原因，并提出相應(yīng)的解決措施。

2 事件概況

制加氫壓縮機(jī)K-1101+1102AB新氫-氫增壓聯(lián)合壓縮機(jī)組，采用四列對置平衡固定水冷結(jié)構(gòu)形式，新氫一級入口壓力2.1 MPa，入口溫度40 ℃，出口壓力4.0 MPa，出口溫度85 ℃，新氫二級出口壓力8.0 MPa，出口溫度110 ℃，循環(huán)氫入口7.3 MPa，入口溫度55 ℃，出口壓力8.0 MPa，出口溫度80 ℃，電機(jī)功率2450 kW。該機(jī)組前期運(yùn)行狀況一直較好，2015年11月對其進(jìn)行中修后開機(jī)發(fā)現(xiàn)冷卻水中含有氣泡，最初以為氣泡為空氣，冷卻水總管排氣、切除保護(hù)氮?dú)夂髿馀菸聪?，對填料函法蘭螺栓、冷卻水線進(jìn)行檢查也未發(fā)現(xiàn)異常，儲水罐水槽上可檢測出可燃?xì)怏w，種種跡象表明冷卻水中的氣泡為介質(zhì)，對填料函進(jìn)行拆卸清洗后發(fā)現(xiàn)：水套密封圈開裂損壞，與之配合處的填料函表面存在明顯內(nèi)凹痕跡，如圖1所示。

3 原因分析

3.1 填料函水套問題

壓縮機(jī)填料函與冷卻水流程示意圖如圖2、3所示。填料函水套共有兩組，其除滿足安裝填料所必須的具有的厚度外，還有為冷卻水預(yù)留空間，厚度較其它填料盒明顯偏厚，兩填料盒都為焊接結(jié)構(gòu)，如果焊接質(zhì)量不高或出現(xiàn)裂紋，介質(zhì)就會竄入冷卻水中，從而形成氣泡。檢查清洗后未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，著色檢查也未發(fā)現(xiàn)裂紋或貫穿傷，因此水套的影響因素基本可以排出[1]。

3.2 填料函問題

壓縮機(jī)正常工作時，機(jī)組軸側(cè)填料盒內(nèi)的介質(zhì)壓力增加，由于內(nèi)壓增長的幅度不等，導(dǎo)致每相鄰2個填料室之間產(chǎn)生的徑向形變量也參差不齊，因此填料盤之間在徑向上會產(chǎn)生微小的相對移動。其次，鑒于壓縮機(jī)做功時氣缸內(nèi)的壓力都是呈現(xiàn)周期性的變化，在機(jī)組正常做功時相鄰兩個填料盒的接觸表面也會存在周期性的相對摩擦與移動。在壓縮機(jī)組的正常工況下，填料盒的疲勞強(qiáng)度一般不會有太大的問題，因?yàn)樗钠谑褂脡勖饕侨Q于氣缸內(nèi)接觸應(yīng)力的大小、填料室之間的相對徑向滑移形變量和填料室材質(zhì)的加工表面的狀況等因素。但是就該裝置的聯(lián)合壓縮機(jī)自身而言，如果相鄰2個機(jī)組的進(jìn)排氣閥工況均正常，氣閥工況均無內(nèi)漏等的缺陷，由于壓縮機(jī)的相對排氣壓力是由反應(yīng)系統(tǒng)壓力的大小決定，當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)壓力不變時該壓力可以將其當(dāng)作定值，因此內(nèi)壓的變化對軸側(cè)填料盒接觸應(yīng)力位移形變量的大小所產(chǎn)生的影響也可以將其當(dāng)作定值。而氣缸內(nèi)接觸應(yīng)力的位移量和大小又主要取決于軸側(cè)填料室材質(zhì)、表面加工質(zhì)量，因此通過改善其表面加工精度和提升填料盒材質(zhì)來提高它的密封性能[2]。

圖1 氣泡位置及水套密封圈開裂

圖2 機(jī)組填料函示意圖

圖3 填料冷卻水流程圖

壓縮機(jī)正常工作時，在填料盒的軸向上會產(chǎn)生周期性的應(yīng)力變化，這種周期性的變化與壓縮機(jī)做功時排氣壓力的周期性變化相一致，因此填料盒密封面也連續(xù)承受著由氣缸內(nèi)部壓力周期性變化傳遞過來的脈動壓力，其密封面受力分析示意圖如圖4所示。鑒于多層填料密封件的逐級節(jié)流降壓作用，軸向產(chǎn)生的脈動壓力也隨之越來越小，產(chǎn)生介質(zhì)外漏的風(fēng)險及填料疲勞破環(huán)程度也降低。在靠近壓縮機(jī)軸側(cè)氣缸填料室上特別容易產(chǎn)生疲勞裂紋與疲勞破壞的高危區(qū)域，壓縮機(jī)工作時排氣壓力的周期性變化會在填料盒密封面處的尖角、圓角、油孔等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域（如圖4所示錐面區(qū)域）產(chǎn)生周期性疲勞應(yīng)力作用。當(dāng)壓力過大時該疲勞應(yīng)力將會作用在密封面某一區(qū)域，該區(qū)域剛好介于密封面的承壓與非承壓之間，外漏介質(zhì)極易在有磨損缺陷或者有疲勞微裂紋的接觸表面發(fā)生滲透，再加上相鄰的接觸區(qū)域存在微小振動更加劇了該密封面地?fù)p壞，并從圖4所示錐面區(qū)域逐漸向外滲透延伸擴(kuò)展，造成密封接觸表面的整體光滑度、平整度地下降，從而嚴(yán)重影響了其良好的密封性能[3]。

隨著填料盒密封性能的下降，必然造成介質(zhì)泄漏量的增加，泄漏介質(zhì)會順著活塞桿逐漸進(jìn)入填料盒密封面內(nèi)，另外冷卻水壓力大約為0.3 MPa，密封圈的密封能力也十分有限，介質(zhì)就會直接穿過密封圈，進(jìn)入冷卻水內(nèi)形成氣泡。

3.3 冷卻水密封圈問題

該壓縮機(jī)填料函密封圈采用的是一種擠壓型密封結(jié)構(gòu)，主要原理是在機(jī)組正常工作時，輸送介質(zhì)依次從填料盒高壓側(cè)向低壓側(cè)外漏，在壓力的作用下密封圈自身會發(fā)生彈性形變。壓縮機(jī)工作時，在其密封接觸面上會產(chǎn)生一定大小的接觸壓力，該壓力的大小由外界壓力的大小、接觸面的形變量和材質(zhì)的彈性系數(shù)等諸多因素決定，當(dāng)該接觸壓力小于機(jī)組輸送介質(zhì)的內(nèi)壓時圓柱式密封圈會發(fā)生泄漏。O型密封圈工作原理如圖5所示，一般情況下圓柱靜密封壓縮量取10%～15%，以此壓縮量來有效保證圓柱式密封圈的工作可靠性。

圖4 相鄰兩填料盒受力狀況示意圖

圖5 O型密封圈工作原理示意圖

當(dāng)填料盒與密封圈的尺寸被選定后，填料盒溝槽的大小決定選定的密封圈使用工況、拉伸量、壓縮量及壓縮機(jī)的運(yùn)行工況。所以填料盒溝槽的寬度直接影響密封圈的密封性和使用壽命。槽盒寬度過小時密封圈無法滾動，則活塞桿運(yùn)動時在此處產(chǎn)生的摩擦阻力將會很大，會導(dǎo)致密封圈受到嚴(yán)重磨損。槽盒寬度過大時密封圈的運(yùn)動游隙范圍隨之過大，也容易造成密封圈磨損。在壓縮機(jī)正常工作時，密封圈一旦出現(xiàn)異常磨損，將會以排氣壓力的周期性變化速度加劇磨損，最終導(dǎo)致O型圈完全失效，失去密封作用。通過查閱密封圈相關(guān)的參考資料可以得知，壓縮機(jī)組所使用的填料盒密封圈的最大截面面積不小于矩形槽截面面積的85%，此外槽寬一定要大于整個O型圈工作時壓縮變形后的最大直徑，而不是密封圈靜態(tài)下的最大直徑。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)場合下以O(shè)型圈截面直徑的1.1～1.5倍作為槽盒寬度的取值[4]。

根據(jù)壓縮機(jī)填料現(xiàn)場拆檢后的測繪數(shù)據(jù)顯示，密封圈最大截面直徑為1.9 mm，外徑為20 mm，密封圈溝槽徑向深度為1.6 mm，軸向間距為2.0 mm，從所取數(shù)值分析得出發(fā)生故障的填料槽寬和密封圈截面寬度基本相等，由此可見密封圈完全沒有任何活動余量，因此拆檢時才會出現(xiàn)外圈被“擠出”的現(xiàn)象，同時其壓縮量為25%的數(shù)值也同樣偏大。此外，溝槽底部和外邊口均未加工圓弧倒角，溝槽表面用手接觸都可以明顯感覺出毛刺和凹凸，從這些現(xiàn)象可以看出溝槽加工質(zhì)量和精度都有待提高。

4 改進(jìn)措施

4.1 重新設(shè)計填料函，提高加工精度

密封圈配合處的填料盒表面出現(xiàn)內(nèi)凹痕跡，這表明填料函材質(zhì)較軟，將0Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼材質(zhì)升級為2Cr13馬氏體不銹鋼，提高填料表面的耐蝕性和硬度。同時在注油孔、密封圈溝槽外邊等部位設(shè)置圓弧倒角，對溝槽寬度和深度也進(jìn)行了重新設(shè)計。

4.2 規(guī)范檢修操作

填料盒之間的密封性能與其預(yù)緊力有直接關(guān)系，而預(yù)緊力是通過壓蓋螺栓而獲得，如果螺栓緊固不到位會造成填料函接觸應(yīng)力不足，緊固力不均勻就會造成填料盒偏斜，這些都會影響填料盒的密封性能，由于檢修現(xiàn)場空間有限，無法使用液壓工具和力矩扳手，填料函螺栓緊固的難易程度也不同，因此作業(yè)人員的檢修技能和責(zé)任心就起了重要作用，通過規(guī)范操作步驟和檢修方法，可避免人文因素造成的返工，提高檢修質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文通過對壓縮機(jī)填料函冷卻水竄氣現(xiàn)象進(jìn)行分析，從填料盒的工作原理和影響因素入手，找出發(fā)生故障的根本原因，通過提高填料函材質(zhì)等級、重新設(shè)計密封圈溝槽、提高加工精度、規(guī)范檢修操作等措施，徹底解決了填料函冷卻水中含有氣泡問題，對防止事故擴(kuò)大保證裝置平穩(wěn)安全運(yùn)行具有積極作用。從當(dāng)前實(shí)施措施后的應(yīng)用效果看，截止至今未發(fā)生一起類似竄氣事故，有效地解決了填料函冷卻水竄氣的問題，同時也為國內(nèi)處理類似問題提供了借鑒和參考。