張錫德，王開發(fā)，戴景義，張 軍，陳小龍，帕孜麗亞·居來提

（中石油獨山子石化塔里木石化分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

裂解氣壓縮機是乙烯裝置的核心動設(shè)備。來自于急冷水塔頂部的裂解氣進入裂解氣壓縮機，經(jīng)過四段壓縮將工藝介質(zhì)壓力從0.127 MPaA提高至1.694 MPaA，進入干燥塔干燥，后送入脫乙烷塔將C2（乙烷、乙烯）以下和C3（丙烷、丙烯）以上組分分離，C2以下輕組分進入壓縮機五級壓縮，將壓力提升至3.18 MPaA，送入碳二加氫系統(tǒng)及分離深冷系統(tǒng)，對工藝介質(zhì)進行去炔處理。

裂解氣壓縮機用于獨山子石化塔里木石化分公司新建設(shè)60 萬t/a乙烯裝置，壓縮機經(jīng)單機試車，于2021年9月投入正常生產(chǎn)，2021年10月4日，乙烯裂解氣壓縮機高壓缸非聯(lián)軸器側(cè)干氣密封一級密封泄漏量突然增大，聯(lián)鎖跳車，導致整個乙烯裝置停車，機組停機。本文詳細介紹了本次機組停機后，對干氣密封進行拆解，對故障原因進行分析等相關(guān)情況，并提出了具體的解決措施。

1 裂解氣壓縮機相關(guān)情況

塔里木石化分公司60 萬t乙烯裝置采用中國石油環(huán)球工程公司自主研發(fā)的乙烯蒸汽裂解工藝，裂解氣壓縮機由低、中、高 3個缸體組成，缸體為水平剖分式，壓縮機型號為DMCL1006+2MCL1006+2MCL808，額定功率為32 736 kW，額定轉(zhuǎn)速為5 565 r/min，壓縮機的軸端密封采用 John Crane 提供的串聯(lián)式帶中間迷宮密封的干氣密封，驅(qū)動機采用汽輪機，型號為EHNK63/56/96。

1.1 干氣密封的工作原理

干氣密封核心部件由動環(huán)和靜環(huán)組成，在動環(huán)密封端面上有許多互不相通的淺槽，其深度一般為3～10 μm。在靜止時動環(huán)與靜環(huán)靠彈簧力貼合在一起防止氣體泄漏，當運轉(zhuǎn)時在動靜環(huán)端面之間形成2～5 μm厚度的氣膜［1-2］，氣膜產(chǎn)生的開啟力與彈簧和介質(zhì)形成的閉合力達到平衡，形成非接觸運轉(zhuǎn)。當受外部干擾，氣膜厚度減小，則氣膜反力增大，開啟力大于閉合力，迫使密封間隙增大；相反，若氣膜厚度增大，則氣膜反力減小，閉合力大于開啟力，迫使密封間隙減小，保證干氣密封平穩(wěn)運轉(zhuǎn)［3］。

1.2 高壓缸干氣密封結(jié)構(gòu)

干氣密封的型號為John Crane T28XP，為防止機組反轉(zhuǎn)，裂解氣壓縮機采用雙旋向燕尾槽，布置形式為兩級串聯(lián)式帶中間迷宮結(jié)構(gòu)，兩套動靜環(huán)密封按照相同的方向首尾相連，如圖1所示，分為第一級密封和第二級密封［4-5］。

圖1 兩級串聯(lián)式密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Two-stage tandem sealing structure

1.3 高壓缸干氣密封氣系統(tǒng)

干氣密封氣系統(tǒng)分為一級密封氣系統(tǒng)、二級密封氣系統(tǒng)、隔離氣系統(tǒng)及放空氣控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 高壓缸干氣密封氣系統(tǒng)Fig.2 High pressure cylinder dry gas sealing gas system

1.3.1 一級密封氣系統(tǒng)

來自外引乙烯氣或裂解氣壓縮機五段出口氣或系統(tǒng)高壓氮氣經(jīng)過過濾器，與平衡管壓力比較，壓差為0.3 MPa，調(diào)壓后的密封氣進入一級密封緩沖氣腔體，密封氣分為兩部分，大部分氣體進入機內(nèi)，另一部分進入密封腔，通過動靜環(huán)泄漏的密封氣與部分二級密封氣混合，送一級密封泄漏放空系統(tǒng)［6-7］。

裂解氣壓縮機一級密封氣在正常運行時，首先用乙烯氣，再次是裂解氣，最后是高壓氮氣，通常使用較干凈乙烯氣。

1.3.2 二級密封氣系統(tǒng)

來自系統(tǒng)的低壓氮氣，分成兩路，一路作為高壓缸二級密封氣之用，另一路作為密封隔離氣之用。氮氣進入高壓缸干氣密封的二級密封腔，大部分氣經(jīng)中間梳齒進入一級密封泄漏放空系統(tǒng)，同時二級氮氣使二級密封形成氣膜，僅有極少氮氣進入二級密封泄漏放空系統(tǒng)，現(xiàn)場高點排放［8-9］。

1.3.3 隔離氣系統(tǒng)

隔離氮氣進入高壓缸干氣密封后置迷宮密封腔，其中一部分氮氣經(jīng)過內(nèi)側(cè)梳齒密封與二級密封泄漏氣混合，現(xiàn)場高點放空；另一部分氮氣經(jīng)過外側(cè)梳齒，到軸承潤滑油煙氣放空系統(tǒng)，隔離氣的作用是防止?jié)櫥瓦M入干氣密封［10-11］。

1.3.4 放空氣控制系統(tǒng)

一級密封泄漏氣排放到火炬管網(wǎng)進行燃燒，其氣來自一級密封泄漏的裂解氣以及經(jīng)過中間梳齒來的二級密封氮氣，泄漏氣系統(tǒng)上裝有流量和壓力監(jiān)測報警系統(tǒng)，當泄漏流量達到聯(lián)鎖值時，觸發(fā)機組聯(lián)鎖跳車；二級密封泄漏氣高點放空，排向大氣，其氣來自二級密封泄漏氮氣及經(jīng)過后置內(nèi)側(cè)梳齒的隔離氮氣；潤滑油煙氣放空氣直接排至大氣，其氣來自通過后置外側(cè)梳齒的隔離氮氣以及軸承箱潤滑油揮發(fā)的煙氣［12-13］。

2 干氣密封故障原因分析

2.1 高壓缸干氣密封異常情況

2021年10月4日07：20：05裂解氣壓縮機高壓缸非驅(qū)動端干氣密封泄漏流量FT30381A/B/C3點值分別從16.578，16.32，16.156 Nm3/h開始上漲，07：26：59泄漏流量上漲至20.832，20.598，20.527 Nm3/h，07：27：00 3點流量值突然增至73.125，74.344，73.547 Nm3/h，機組在4 744 r/min聯(lián)鎖跳車，聯(lián)鎖值為66 Nm3/h，3選2，裝置做緊急停工處理。

因3個點泄漏流量值同時到達聯(lián)鎖值，且泄漏壓力PI30837值從0.030 MPa上升到0.365 MPa，可以排查假信號，確定干氣密封一級泄漏量出現(xiàn)異常。

2.2 泄漏原因分析

異常出現(xiàn)后，將機組運行參數(shù)從SIS及DCS中調(diào)出進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場檢查情況總結(jié)如下：

（1）在整個過程中壓縮機低壓缸、中壓缸及高壓缸驅(qū)動端干氣密封各項指標運行正常。

（2）在事故整個過程中，高壓缸干氣密封一級密封壓差值PDT30833為0.225～0.295 MPa，沒出現(xiàn)異常，設(shè)計低報值為0.1 MPa，聯(lián)鎖值為0.05 MPa。

（3）調(diào)出9月30日以后高壓缸相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從10月3日乙烯氣壓縮機二段液位跳車后，裂解氣壓縮機高壓缸軸位移值總趨勢是在不斷減小，在這期間出現(xiàn)兩次軸位移較大變動，在4日07：20：05之前未發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動端干氣密封一級密封泄漏量有異常。

（4）高壓缸非驅(qū)動端一級密封泄漏量在4日07：20：05以后出現(xiàn)持續(xù)增大，到07：27：00歷時時間為415 s，泄漏量從16.438 Nm3/h上升至20.832 Nm3/h。

（5）一級密封泄漏量在4日07：27：00猛然增大，1 s左右到達66 Nm3/h，觸發(fā)聯(lián)鎖停車。

（6）高壓缸非驅(qū)動端振動值VI30381沒有大的變化，約為11.6～15.31 μm。

（7）高壓缸非驅(qū)動端一級密封泄漏量從07：27：00猛然增大，到泄漏量為0，經(jīng)歷時間為3 s。

（8）在事故整個過程中，高壓缸干氣密封二級密封壓力值PI30838為0.459～0.479 MPa，沒出現(xiàn)異常。

（9）在事故發(fā)生時，高壓缸非驅(qū)動端一級密封泄漏氣壓力值PI30837從0.022 MPa猛升至0.431 MPa，在泄漏量為0時，壓力維持在0.282～0.401 MPa，后出現(xiàn)泄漏量時，壓力為0.058 MPa。

（10）從07：27：03到08：06：46，持續(xù)2 383 s，非驅(qū)動端一級密封泄漏流量為0，08：06：46時泄漏量突然猛增至63.516 Nm3/h，之后泄漏量一直保持在47.156～52.820 Nm3/h。

一級密封泄漏量增大有兩方面原因：一方面是受二級密封氣（N2）的影響；另一方面是干氣密封本身出現(xiàn)了故障。因在事故整個過程中，高壓缸干氣密封二級密封壓力值約為0.46 MPa，沒出現(xiàn)異常，該原因可以排除，可以確認高壓缸非驅(qū)動端干氣密封內(nèi)部已出現(xiàn)了故障，需對干氣密封拆檢及更換。

對干氣密封結(jié)構(gòu)分析，高壓缸非驅(qū)動端一級密封泄漏有4個通道［14-15］，見圖3，即：（1）靜環(huán)與動環(huán)密封端面之間通道；（2）軸套密封圈與動環(huán)之間通道；（3）推力環(huán)密封圈與靜環(huán)之間通道；（4）推力環(huán)與POLYMER密封之間通道。

在4個泄漏通道中，通道（1）（4）易產(chǎn)生泄漏，也就是動靜環(huán)端面及POLYMER密封通道，屬動密封通道，特別是動靜環(huán)密封端面，而通道（2）（3）為靜密封通道，一般不易泄漏。

2.2.1 干氣密封拆檢情況

高壓缸干氣密封本體由英國某公司生產(chǎn)，型號為T28XP，動環(huán)材質(zhì)為碳化鎢硬質(zhì)合金，靜環(huán)材質(zhì)為石墨。

將高壓缸干氣密封拆出，在現(xiàn)場進行解體，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)一級密封嚴重損壞，二級密封基本完好，情況如下：

（1）干氣密封動環(huán)密封端面有10處以上裂紋，多為貫穿裂紋，分布在端面一圈上，見圖4。

圖4 動環(huán)端面貫徹裂紋及破損情況Fig.4 Through crack and damage of rotating ring face

（2）靜環(huán)背部防轉(zhuǎn)槽有多處崩裂和脫落，彈簧座腔體內(nèi)有許多靜環(huán)碎塊及磨損的石墨碎屑粉，見圖5。

圖5 靜環(huán)背部防轉(zhuǎn)槽破損情況Fig.5 Anti-rotation groove damage on back of stationary ring

（3）動、靜環(huán)密封端面內(nèi)圈存在磨損。

（4）彈簧座外圓與密封筒體內(nèi)表面及推環(huán)內(nèi)、外圈表面有較為明顯的磨痕，見圖6。

圖6 部件表面磨痕情況Fig.6 Surface abrasion of the components

（5）密封腔體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)外來的鐵削和顆粒。

因干氣密封本體中POLYMER密封及其他密封圈未發(fā)現(xiàn)有損壞情況，所以可以確定，一級密封氣泄漏量增大是由一級密封動環(huán)開裂損壞及一級動、靜環(huán)磨損造成的。

2.2.2 動靜環(huán)損壞分析

一級密封動環(huán)開裂損壞及一級動、靜環(huán)磨損導致干氣密封一級密封氣泄漏量增大，一般來說，動環(huán)開裂損壞是動、靜環(huán)碰撞或摩擦熱裂引起的，而動、靜環(huán)磨損是顆粒摩擦或直接接觸摩擦導致的［16-17］。

在干氣密封腔體內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)外來的鐵削和顆粒，可以排除外來顆粒摩擦引起干氣密封動靜環(huán)磨損和損傷。

從動環(huán)端面開裂的形貌和端面一圈都有裂紋的情況來看，動環(huán)裂紋不是因碰撞而導致的，應(yīng)該是因接觸摩擦受熱而發(fā)生的炸裂。

據(jù)干氣密封工作原理可知，在動靜環(huán)之間有一層氣膜，其厚度為2.5～5 μm，當壓縮機轉(zhuǎn)子軸竄動時，靜環(huán)具有追隨和補償功能，保證干氣密封的正常穩(wěn)定運行［18-19］。

據(jù)干氣密封結(jié)構(gòu)圖可以看出，彈簧座是不動的，動環(huán)、靜環(huán)和推環(huán)是動的。當壓縮機轉(zhuǎn)子軸右移時，氣膜間隙減小，氣膜內(nèi)壓力升高，在氣膜壓力的作用下，靜環(huán)推動推環(huán)和彈簧向右移動，達到新的平衡位置，通常壓縮機運行時，動環(huán)和靜環(huán)是不會接觸摩擦［20-21］。

當靜環(huán)或推環(huán)卡住時，因工藝裝置波動，引起壓縮機轉(zhuǎn)子軸向靜環(huán)方向竄動時，就會造成動環(huán)與靜環(huán)的接觸摩擦，通常，靜環(huán)與彈簧座之間間隙較大，靜環(huán)本身不易卡住，除非存在較大顆粒，而推環(huán)與彈簧座和軸套之間的間隙較小，若存在細微顆粒，就容易被卡住。

從干氣密封解體情況看，一級密封推環(huán)內(nèi)、外圈表面有較為明顯的磨痕，說明干氣密封推環(huán)運行不暢或被卡住。

據(jù)上述描述可知，從10月3日開始高壓缸軸位移一直在減小，動環(huán)不斷向靜環(huán)方向移動，直到10月4日07：20：05前，高壓缸一級密封泄漏流量一直比較正常，說明這段時間高壓缸非驅(qū)動側(cè)一級密封推環(huán)（包括靜環(huán)）運行基本正常，即靜環(huán)追隨和補償功能處于基本正常狀態(tài)，推環(huán)基本未卡澀，07：20：05時一級密封泄漏流量開始增大，說明推環(huán)出現(xiàn)運行不暢或卡澀，軸位移持續(xù)減小導致動、靜環(huán)開始接觸摩擦，泄漏量進一步增大，N點泄漏量從16.438 Nm3/h上升至20.832 Nm3/h，持續(xù)時間為414 s，07：27：00點后泄漏量猛然增大，到達66 Nm3/h，觸發(fā)聯(lián)鎖停車。

說明從07：20：05點到07：27：00點因接觸摩擦產(chǎn)生熱量集聚，在N點導致動環(huán)出現(xiàn)熱崩裂。

因動、靜環(huán)接觸摩擦及密封失效，其作用力被傳遞到靜環(huán)外邊緣處，導致靜環(huán)背部防轉(zhuǎn)槽（薄弱部位）多處脫落和崩裂。

（1）一級密封推環(huán)失效分析。

通常造成推環(huán)卡澀的原因是外來的鐵削和顆粒進入了干氣密封腔內(nèi)，但在干氣密封解體后，在腔內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)外來物顆粒，進一步檢查發(fā)現(xiàn)壓縮機密封筒體錯邊，錯邊造成孔徑在垂直方向和水平方向的尺寸縮小，水平方向縮小更嚴重，如圖7所示。

圖7 密封筒體錯邊情況Fig.7 Misalignment of sealing cylinder body

在拆出干氣密封后發(fā)現(xiàn)，在彈簧座外圓與密封腔體的內(nèi)表面有較為明顯的磨痕，說明壓縮機密封腔體對彈簧座外圓產(chǎn)生了作用力。

為便于安裝及防止腔體微變形對干氣密封的影響，對于裂解氣壓縮機，某公司將密封腔體與彈簧座外圓間隙設(shè)計為0.1 mm，這是常態(tài)的設(shè)計間隙，根據(jù)機組運行溫度變化情況，有所不同，如乙烯機干氣密封為0.35 mm，丙烯機干氣密封為0.25 mm。

筒體錯邊、內(nèi)孔兩個方向直徑變小，使原設(shè)計為0.1 mm間隙大大縮水，已基本上無間隙，干氣密封彈簧座外圓有較為明顯的磨痕就說明了這一點，因壓縮機運行時溫度變化，引起密封筒體微變形，該力很大，作用在彈簧座上，導致彈簧座內(nèi)圓孔變形，使推環(huán)與彈簧座內(nèi)圓孔間隙發(fā)生變化，其間隙變化不完全一致，據(jù)推環(huán)內(nèi)、外圈表面有較為明顯的磨痕，可以確定當推環(huán)運動到一定位置后出現(xiàn)運行不暢，直至被卡住。

當干氣密封解體后，在全行程范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)推環(huán)或靜環(huán)卡澀，說明溫度變化引起壓縮機密封筒體微變形及干氣密封彈簧座內(nèi)圓變形是彈性變形，而非塑性變形。

（2）故障前推環(huán)未卡澀原因分析。

從9月30日到機組聯(lián)鎖跳車前，高壓缸出現(xiàn)過兩次軸位移較大變動，但并未引起一級密封泄漏量有異常，說明推環(huán)在此過程未卡澀。據(jù)上述分析可知，外力使推環(huán)與彈簧座內(nèi)圓孔間隙發(fā)生變化，當推環(huán)運行到一定位置后才被卡住，從兩次軸位移波動情況看，其波動最低點軸位移遠大于卡住點的軸位移，所以推環(huán)未被卡住，在氣膜自調(diào)特性作用下，很快恢復平衡狀態(tài)，所以干氣密封泄漏量未出現(xiàn)異常。

（3）一級密封泄漏量變化分析。

據(jù)上述描述可知，機組跳車后，一級密封泄漏量立即降為0，持續(xù)時間為39 min 43 s，其后泄漏量突然從0猛增到63.516 Nm3/h，出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。

泄漏量減小有兩種原因：（1）二級密封動靜環(huán)端面一直處于分離狀態(tài)，因二級密封現(xiàn)場泄漏高點放空有煙筒負壓效應(yīng)，所以可以實現(xiàn)一級泄漏氣通過二級密封進行泄漏，而導致一級密封泄漏量為0，但這種可能性不大；（2）一級泄漏管堵塞，出現(xiàn)無流量，堵塞會導致泄漏管壓力上升，調(diào)出一級密封泄漏氣壓力，發(fā)現(xiàn)PI30837值維持在0.282～0.401 MPa，而正常值為0.022 MPa，可以確認泄漏管堵塞，而易堵塞部位在流量孔板和止逆閥處，對管線、流量孔板和止逆閥進行現(xiàn)場敲擊，不久出現(xiàn)泄漏流量，后拆卸止逆閥檢查，確認閥芯故障，當機組聯(lián)鎖，處于停車時刻，止逆閥閥芯動作卡澀，出現(xiàn)泄漏量為0。

3 措施及效果

（1）高壓缸兩側(cè)干氣密封更換。

經(jīng)分析，采用丙烯壓縮機備用干氣密封對高壓缸兩側(cè)密封進行更換，基于以下考慮：①壓縮機密封筒體錯邊消除難度很大，難以實施。②若直接安裝備用干氣密封，間隙設(shè)計值為0.1 mm，動、靜環(huán)再次接觸損壞風險很大。③增大干氣密封外圓與密封腔體的間隙，從0.1 mm增大至0.25 mm，需將備用干氣密封返天津約翰克蘭工廠處理，需要2周時間，對乙烯裝置生產(chǎn)恢復不利。④丙烯壓縮機干氣密封尺寸與裂解氣壓縮機高壓缸干氣密封完全一致，同時設(shè)計壓力、溫度也基本吻合，裂解氣干氣密封設(shè)計溫度為-70～150 ℃，丙烯機干氣密封設(shè)計溫度為-45～200 ℃，并得到約翰克蘭公司更換許可。⑤高壓缸另一側(cè)干氣密封雖然這次沒有損壞，但存在同樣風險。

（2）對彈簧座外圓進行加工，使外圓與密封腔體之間的間隙從原來的0.1 mm增大至0.25 mm。

（3）在以后擇機停機情況下，對裂解氣壓縮機低壓缸、中壓缸密封筒體尺寸進行核實，考慮是否將備用干氣密封全部返廠加工，保證彈簧座外圓與密封腔體之間間隙為0.25 mm。

（4）適當增大推環(huán)與彈簧座內(nèi)圓孔間隙，防止推環(huán)被卡，同時考慮推環(huán)運行穩(wěn)定性。

（5）對高壓缸聯(lián)軸器進行對中度復查，達到設(shè)計標準。

采取上述措施后，對裂解氣壓縮機進行啟動，高壓缸非驅(qū)動端干氣密封一級密封氣泄漏量數(shù)值FT30381A/B/C分別為16.16，16.13，15.78 Nm3/h，另一側(cè)泄漏量也無異常，均達到設(shè)計指標，機組運行穩(wěn)定，干氣密封運行正常。

4 結(jié)論

（1）高壓缸一級密封動環(huán)熱裂導致密封泄漏量猛增至74.34 Nm3/h，觸發(fā)泄漏量為66 Nm3/h，聯(lián)鎖停機，動環(huán)熱裂是由動、靜環(huán)接觸摩擦生熱導致的。

（2）靜環(huán)背面多處脫落和崩裂是由動、靜環(huán)摩擦力被傳遞到靜環(huán)外邊緣處所導致的。動、靜環(huán)內(nèi)圈磨損是動靜環(huán)接觸摩擦所引起，非外界顆粒磨損，軸位移不斷變小到-0.268 mm，一級密封推環(huán)卡澀導致了動、靜環(huán)接觸摩擦。

（3）一級密封推環(huán)卡澀不是由外顆粒所引起，是由推環(huán)與彈簧座之間的內(nèi)圓孔間隙變小所引起，壓縮機密封筒體錯邊，導致筒體與干氣密封彈簧座之間間隙減小到0，溫度變化引起壓縮機密封筒體微變形，變形力作用在彈簧座上，導致推環(huán)與彈簧座內(nèi)圓孔間隙發(fā)生變化，造成推環(huán)運行到一定位置被卡澀。

（4）干氣密封外圓與密封腔體之間需保持足夠間隙，間隙需大于0.1 mm以及推環(huán)在彈簧座內(nèi)能自由移動是保證干氣密封安全、可靠運行的關(guān)鍵。