朱延哲

（中國石油遼陽石化分公司動力廠，遼寧遼陽 111003）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中，往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)是將空分裝置產(chǎn)生的氧氣輸送到各個(gè)生產(chǎn)裝置的動力設(shè)備，在管網(wǎng)輸送中有著重要作用。一般連續(xù)運(yùn)行約3 個(gè)月后往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)會出現(xiàn)故障，其中填料密封失效是制約其長周期連續(xù)運(yùn)行的問題之一。填料密封是壓縮機(jī)的重要零部件之一，有防止氣缸中高壓氧氣向外泄漏的作用，由于其在往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)運(yùn)行中會產(chǎn)生大量熱量，因此需要通冷卻水對填料密封函進(jìn)行冷卻。另外，填料密封在往復(fù)式摩擦下受損，會降低設(shè)備使用壽命與安全性。多數(shù)情況下氧氣泄漏導(dǎo)致的重大設(shè)備著火事故是填料密封失效引起的，因此本文將從多個(gè)方面分析填料密封失效的原因。

1 往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)概況

遼陽石化分公司公用工程部空分裝置輸送氧氣的壓縮機(jī)由沈陽氣體壓縮機(jī)廠制造，共計(jì)7 臺。設(shè)備型號為4M8-62.5/32，四缸四級壓縮為對稱平衡式結(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)流量為3600 Nm3/h，一級吸入壓力0.01 MPa，一級吸入溫度30 ℃；四級排氣壓力3.14 MPa，四級排出溫度≤40 ℃；軸功率為605 kW。

配套電機(jī)由佳木斯有限責(zé)任公司制造，型號為TK630-18/1730，功率為630 kW，電機(jī)由剛性聯(lián)軸器直接驅(qū)動。

附屬設(shè)備有氣體冷卻器、油冷卻器、油泵、備用油箱、高位油箱等，在各級氣缸的進(jìn)出口均設(shè)有一個(gè)緩沖罐，既有緩沖氣流的作用，還能穩(wěn)定輸送氧氣。各級填料密封均設(shè)有上下冷卻水管線，填料函均為同一型號，各級填料密封可以互換。

2 填料密封的結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)

該往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)組的各級氣封填料由6 個(gè)填料函組成，第零層為節(jié)流環(huán)層，第7 層為氣封的外蓋。在外蓋上有上下冷卻水接口，各層填料函外側(cè)與填料接桶形成冷卻水流道，填料函之間通過O 形圈對水系統(tǒng)進(jìn)行密封。

一、二、三級采用空第5 層填料函的安裝方式，其他層有一副切向密封環(huán)和一副經(jīng)向密封環(huán)。四級氣封全滿式填料函的安裝方式，第1～5 層填料函，每個(gè)填料函中一副切向密封環(huán)、一副經(jīng)向密封環(huán)和阻流環(huán)，第6、第7 層為雙副切向密封環(huán)，密封環(huán)的材料采用填充聚四氟乙烯制成，起到密封作用。阻流環(huán)用于高溫高壓的場合，防止非金屬密封環(huán)變形流失，徑向開口外彈簧，切向密封為三瓣斜口，在氣流作用下使密封環(huán)內(nèi)圓表面緊貼活塞桿。

在使用過程中填料密封會由于較大的摩擦力而產(chǎn)生較多熱量，因此一般設(shè)計(jì)冷卻水流道來保證一部分熱量被冷卻水帶走。填料函外側(cè)設(shè)置有冷卻水孔，冷卻水強(qiáng)制在冷卻孔中折返流動，會帶走一部分熱量。填料密封環(huán)必須按一定要求和順序裝填在填料函內(nèi)，填料函深度15.4 mm，安裝完密封填料環(huán)后要求剩余間隙為0.38～0.42 mm，切向填料密封環(huán)與徑向填料密封環(huán)之間切口要錯開（圖1）。

圖1 填料密封結(jié)構(gòu)

2.2 密封原理

往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)的填料密封環(huán)是一種動態(tài)的填料密封環(huán)，只有在壓縮機(jī)工作時(shí)才能起到密封作用，在停機(jī)或檢修情況下沒有密封作用。往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)在工作時(shí)候分為兩種工作狀態(tài)，分別是氣缸側(cè)壓縮狀態(tài)和氣缸側(cè)膨脹狀態(tài)（圖2）。

圖2 填料密封工作原理

（1）當(dāng)往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)氣缸側(cè)處于壓縮狀態(tài)時(shí)，高壓氣體通過填料函與活塞桿縫隙進(jìn)入填料函內(nèi)，由于受到高壓氣體力的作用靠向低壓側(cè)，高壓氣體使徑向填料密封環(huán)與切向填料密封環(huán)之間貼合密封，當(dāng)高壓氣體接觸切向填料密封環(huán)時(shí)，由于氣體作用力為徑向，切向填料密封環(huán)將緊緊地抱著活塞桿，三瓣式的切向填料密封環(huán)，瓣與瓣之間形成密封面；在高壓氣體的作用下形成3 個(gè)密封面，分別是徑向填料密封環(huán)與切向填料密封環(huán)切口錯開形成密封面，切向環(huán)與活塞桿表面形成的密封面，以及切向填料密封環(huán)與填料函側(cè)面形成密封面，這樣就阻止了高壓氣體的泄漏，從而起到密封作用。

（2）當(dāng)氣缸側(cè)膨脹狀態(tài)時(shí)，高壓氣體通過徑向填料密封環(huán)的切口間隙部分回流進(jìn)氣缸，填料函內(nèi)的氣體壓力逐漸下降、處于一個(gè)膨脹過程中，切向填料密封環(huán)開始放松，為下一次壓縮狀態(tài)來臨時(shí)，填料函內(nèi)建立起新的壓差，使填密封環(huán)再次形成3 個(gè)密封面，起到密封作用。

3 氧氣泄漏事件經(jīng)過

2018 年10 月11 日10：00 左右，設(shè)備管理人員例行巡檢時(shí)，在1 號往復(fù)式氧壓機(jī)四級氣缸附近氧含量報(bào)警儀報(bào)警，局部氧含量超標(biāo)，發(fā)現(xiàn)四級氣缸氣封處發(fā)出呲呲的響聲。設(shè)備管理人員立即停運(yùn)1 號往復(fù)式氧壓機(jī)，組織崗位人員開3 號往復(fù)式氧壓機(jī)，由于應(yīng)急處置及時(shí)，避免了因氧氣泄漏導(dǎo)致重大設(shè)備著火事故。事后查找原因并及時(shí)上報(bào)這一情況。經(jīng)檢查1 號氧壓機(jī)已經(jīng)連續(xù)89 d，根據(jù)以往檢修時(shí)間間隔，發(fā)現(xiàn)本次運(yùn)行不到3 個(gè)月就發(fā)現(xiàn)氧氣泄漏嚴(yán)重，初步判斷認(rèn)為，四級氣缸填料密封冷卻循環(huán)水堵塞導(dǎo)致熱量積累至填料密封環(huán)變形失效。

4 填料密封失效原因分析

為查找出故障原因，對往復(fù)式氧壓機(jī)解體檢修，發(fā)現(xiàn)：①三級、四級氣封填料水套腐蝕嚴(yán)重，表面發(fā)生點(diǎn)蝕；②各級氣封填料函冷卻水流道內(nèi)有大量泥沙和粗纖維物質(zhì)，堵塞冷卻水循環(huán)，嚴(yán)重影響冷卻效果；③填料密封環(huán)之間粘結(jié)，密封面變形失效，O 形圈嚴(yán)重老化、失去彈性，其中四級填料密封環(huán)變形嚴(yán)重，阻流環(huán)與徑向密封環(huán)老化粘結(jié)成一體、失去密封效果，導(dǎo)致氣缸內(nèi)氧氣泄漏。

4.1 循環(huán)冷卻水泥沙和粗纖維物質(zhì)分析

循環(huán)冷卻水塔塔底有3 年多未清理淤泥，循環(huán)水塔在運(yùn)行中空氣中懸浮的微小顆粒與水接觸吸附在水中被水溶解，逐漸聚集成沉淀物質(zhì)。循環(huán)水塔附近有大量的樹木，10 月份正值秋季，樹葉會被大風(fēng)吹落進(jìn)入循環(huán)水，在水流下聚集在過濾器上，微生物在水中繁殖、將樹葉等腐蝕分解，被分解的樹葉通過過濾網(wǎng)進(jìn)入泵內(nèi)、隨后進(jìn)入氧壓機(jī)氣堵塞填料密封水路，最終導(dǎo)致密封泄漏失效。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，粗纖維物質(zhì)為樹葉腐爛打碎后的狀態(tài)，泥沙為藻類及微生物等。

4.2 填料函密封面嚴(yán)重腐蝕

解體氣封填料函，在填料函的端面發(fā)現(xiàn)有腐蝕凹坑，這直接影響密封效果。往復(fù)式氧壓機(jī)處于壓縮狀態(tài)時(shí)，填料函內(nèi)部壓力升高，氧氣會通過填料函的端面密封進(jìn)入循環(huán)水冷卻水，為微生物提供氧氣、使之大量繁殖，產(chǎn)生的大量泥沙堵塞循環(huán)水流道（圖3）。

圖3 填料函端面腐蝕

4.3 填料函的循水折反流道有設(shè)計(jì)缺陷

流道寬20 mm，而填料函的循環(huán)水折反流道只有5 mm寬，存在設(shè)計(jì)方面的缺陷。循環(huán)水進(jìn)入氣封填料函后，經(jīng)過4 次折反后壓力逐漸降低，循環(huán)水中的沉積物因?yàn)閴毫ο陆盗粼谔盍虾鞯纼?nèi)，日積月累會堵塞填料函流道。

解體氣封時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣封循環(huán)水入口流道的沉積物堆積明顯少于循環(huán)水出口流道，且出口流道已經(jīng)堵滿泥沙和粗纖維物質(zhì)等，氣封與活塞桿摩擦產(chǎn)生的大量熱量無法及時(shí)釋出，導(dǎo)致密封環(huán)受熱變形失效（圖4）。

圖4 填料函流道泥沙堆積

4.4 填料密封環(huán)材料耐高溫能力不足

聯(lián)系廠家后發(fā)現(xiàn)，填料密封環(huán)的材料為聚四氟乙烯，其韌性較好，耐高溫達(dá)250 ℃、低溫-180 ℃。而往復(fù)式氧壓機(jī)泄漏的氧氣具有高氧化性，加速了聚四氟乙烯的老化，導(dǎo)致其耐高溫能力和抗壓能力下降。在活塞每完成一次壓縮與膨脹的過程中，氣缸內(nèi)壓力頻繁波動，導(dǎo)致活塞桿填料密封面處承受一個(gè)脈動壓力，這樣填料密封環(huán)受到交變應(yīng)力的作用，同時(shí)還要承受著氧氣的高氧化性作用和高壓、高溫，導(dǎo)致密封環(huán)性能急劇下降，這也是影響填料使用壽命的重要因素之一。

4.5 其他因素

查詢往復(fù)式氧壓機(jī)檢修記錄，發(fā)現(xiàn)在上次回裝時(shí)切向填料密封環(huán)厚度比以前多了0.08 mm，在每個(gè)填料函內(nèi)安裝一副切向填料密封環(huán)和徑向填料密封環(huán)后間隙為0.32 mm，標(biāo)準(zhǔn)填料函安裝間隙要求為0.38～0.42 mm、比標(biāo)準(zhǔn)間隙小了0.06 mm。這樣在壓縮機(jī)工作時(shí)，填料密封環(huán)的運(yùn)動間隙變小，而高壓氣體通過填料函與活塞桿縫隙進(jìn)入填料函內(nèi)，密封環(huán)之間由于擠壓熱量急劇增加極易發(fā)生老化粘結(jié)、密封失效，還會造成填料環(huán)變形失效、出現(xiàn)結(jié)焦等現(xiàn)象。檢修作業(yè)時(shí)候，填料一定按照技術(shù)要求進(jìn)行回裝。

5 日常巡檢中填料密封失效進(jìn)行預(yù)防及處理

5.1 往復(fù)式氧壓縮機(jī)備臺時(shí)

（1）在往復(fù)式氧壓縮機(jī)做備臺時(shí)候，每周進(jìn)行一次盤車處理，每次盤車時(shí)間至少20 min。

（2）盤車后活塞桿要放在不同的位置。在盤車的時(shí)候，要仔細(xì)查看各級氣封的視鏡是否有氣泡產(chǎn)生。

5.2 往復(fù)式氧壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)

（1）操作人員和維護(hù)人員必須認(rèn)真學(xué)習(xí)往復(fù)式氧壓機(jī)的操作規(guī)程，在日常巡檢中嚴(yán)格按操作規(guī)程操作：發(fā)現(xiàn)氧壓機(jī)在超溫、超壓、超負(fù)荷、超速情況下運(yùn)行時(shí)應(yīng)立即組織倒機(jī)；應(yīng)按規(guī)定的巡回檢查時(shí)間、路線、內(nèi)容，如氧壓機(jī)的出入口壓力、轉(zhuǎn)速、振動、油溫、油壓、過程儀表、安全柵、繼電器等是否處在合格位置；對這些部位進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、處理缺陷；認(rèn)真填寫運(yùn)行記錄、巡檢記錄和操作日記。發(fā)現(xiàn)氧壓機(jī)運(yùn)行異常時(shí)，應(yīng)立即檢查原因、采取措施、及時(shí)報(bào)告。在緊急情況下操作人員按照操作規(guī)程采取果斷措施進(jìn)行處置，氧壓機(jī)故障停機(jī)后應(yīng)認(rèn)真檢查、分析原因，不得盲目開機(jī)。

（2）認(rèn)真查詢實(shí)時(shí)監(jiān)測儀表及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對氧壓機(jī)各級氣封處測量氧含量情況，發(fā)現(xiàn)氧含量報(bào)警時(shí)就應(yīng)立即停車處理，同時(shí)觀察現(xiàn)場氧壓縮機(jī)上下水視鏡中是否有氣泡，有氣泡則說明有氣體串入水路中，要立即查找原因。

5.3 氣封填料函檢維修時(shí)

（1）氣封填料函研磨標(biāo)準(zhǔn)為0.38～0.42 mm，每個(gè)填料函中密封環(huán)要低于填料函的深度。一般氣封填料環(huán)研磨時(shí)，研磨切向密封環(huán)，切向密封好研磨不易散架。每次檢修回裝時(shí)，由于腐蝕嚴(yán)重，填料函要測量填料函深度。

（2）脫脂面積方面要求：①各級氣封的填料函，密封環(huán)，O 形圈，套筒必須進(jìn)行脫脂處理，取樣合格后方可回裝；②各級氣封回裝完成后要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)要求壓力為1.2 MPa，保壓30 min 內(nèi)壓力在1.0～1.2 MPa 即合格。

6 結(jié)束語

往復(fù)式氧縮機(jī)是空分裝置的關(guān)鍵機(jī)組，而填料密封泄漏是制約往復(fù)式氧縮機(jī)長周期運(yùn)行的關(guān)鍵問題，填料密封一旦發(fā)生氧氣泄漏就會發(fā)生著火爆炸事故，直接經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。在日常巡檢中，操作人員和維護(hù)人員要認(rèn)真查看往復(fù)式氧縮機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的異常變化，發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)處理，確保往復(fù)式氧縮機(jī)的長周期、安全運(yùn)行。