富氣壓縮機干氣密封系統典型故障及處理

潘從錦 趙新奎 阿不力克木·肉孜

（中國石油克拉瑪依石化分公司)

1 富氣壓縮機簡介

某石化公司催化裂化裝置富氣壓縮機是調節反應壓力，將分餾塔頂的富氣壓縮輸送至穩定系統的關鍵設備。富氣壓縮機由凝汽式汽輪機驅動，為離心式二段壓縮機。一段壓縮后的富氣經過中間冷卻器進入油氣分離器，在分離了較重的C5以上烴類組分后進入二段壓縮，然后再進入吸收、解吸和穩定系統。正常時，通過反應壓力調節機組的轉速，達到控制反應壓力的目的。離心式壓縮機運行工況相對穩定，維護工作量小，不需要備機，占地面積小，在石油化工生產中應用較為廣泛。該裝置富氣壓縮機型號為2MCL-456。催化裂化富氣主要組分為H2、H2O、H2S、空氣、硫化物、C1～C2干氣和液化氣等。富氣含硫量達2000 μg/g，具有很強的腐蝕性和酸性。富氣壓縮機能否平穩運行，關系到催化裂化裝置的安全生產。富氣壓縮機運行中出現故障頻率最高的部位是其密封系統，約占總故障率50%以上。富氣壓縮機設計參數如表1所示。

表1 壓縮機設計參數

2 干氣密封系統結構

催化裂化裝置富氣壓縮機選用約翰克蘭鼎銘密封 （天津）有限公司設計生產的TM02A型雙端面干氣密封系統。干氣密封系統的結構如圖1所示。

圖1 干氣密封的結構

TM02A型干氣密封氣由前置緩沖氣、主密封氣和后置隔離氣組成。前置緩沖氣和主密封氣之間為O形輔助密封圈，前置緩沖氣和工藝氣之間為迷宮式密封結構。高壓端和低壓端靠近工藝氣側的迷宮密封上開孔，通過平衡管來平衡兩端迷宮密封后的氣體壓力。高壓端為二段壓縮工藝氣入口，低壓端為一段壓縮工藝氣入口。主密封氣和前置氣經過干氣密封后，進入壓縮機缸體入口與富氣混合后進行壓縮，其流量不會對富氣性質引起大的改變。后置隔離氣和主密封之間為迷宮式密封結構。2.0 MPa中壓氮氣為穩定的干氣源，先經過自力式減壓閥減壓為0.6 MPa，再通過精度為5 μm的一級粗過濾器和精度為3 μm的二級精過濾器。之后分兩路，一路為主密封氣，另一路經過限流孔板減壓為前置緩沖氣。后置隔離氣為凈化儀表風，在進入干氣密封之前，采用精度為5 μm的過濾器過濾，由減壓閥從0.45 MPa減壓為0.3 MPa。干氣密封系統在ESD上的主要運行監控參數為主密封氣的流量、主密封氣和前置氣壓差以及過濾器壓差。主密封氣和前置緩沖氣壓差達到100 kPa時報警，50 kPa設置停機聯鎖。干氣密封的控制系統見圖2。

3 干氣密封系統運行中的典型故障和處理

3.1 潤滑油進入干氣密封系統及密封面磨損

富氣壓縮機干氣密封系統投入運行一段時間后發現密封氣流量逐漸增大，最大時達到4.0 Nm3/h，前后端軸承箱潤滑油供油壓力從0.12 MPa上升到0.27 MPa，接近后置隔離氣壓力。拆檢干氣密封系統發現，潤滑油進入了密封腔，密封面出現磨損劃痕。進一步拆檢軸承箱，檢查軸承和潤滑油回路，發現軸承完好，軸瓦潤滑油回油孔徑較小，軸瓦潤滑油回路不通暢，導致回油腔液位高，支路油壓偏高，后置隔離氣不能完全密封潤滑油，少量潤滑油通過迷宮密封漫入高低壓端干氣密封系統，形成滯留積液，長時間運轉導致密封面磨損。 對軸瓦回油孔擴徑處理后，干氣密封系統運行正常，主密封氣流量為0.3～1.0 Nm3/h，軸瓦潤滑油壓力為0.20 MPa，處于合理范圍。

圖2 干氣密封的控制系統

3.2 雜質進入密封系統及動靜環輔助密封圈失效

2009年5月，富氣壓縮機大檢修后投入運行，高壓端主密封氮氣流量（FI302）為0.8 Nm3/h，并在數天內上升到1.0 Nm3/h，其后流量上升趨勢明顯減緩，但總體仍然呈現緩慢上升態勢。8月12日氮氣流量（FI302）上升到1.4 Nm3/h，8月12日裝置意外停工，富氣壓縮機重新開機正常后，氮氣流量直接升高到1.8 Nm3/h， 8月24日達到3.4 Nm3/h，9月底氮氣流量上升到4.0 Nm3/h以上。高壓端主密封氮氣流量（FI302）趨勢如圖3所示。

圖3 高壓端主密封氮氣流量趨勢

2009年10月2日，富氣壓縮機被迫停機檢修干氣密封系統。停機后高壓端氮氣密封流量在靜壓狀態下仍然保持在4.0 Nm3/h。氮氣流量在正常停機情況下應該回零。但停機后氮氣仍有流量，這說明氮氣密封內部靜密封點已經損壞，所以其在運行狀態下氮氣流量會持續上升。技術人員分析造成這種現象的原因，除了安裝方面的因素外，主要是可能有雜質進入密封面，隨著機組的運行，雜質使密封面的損壞逐漸增加；其次也有可能隔離氣未能完全隔離油氣，使得油氣逐漸滲透到密封體，造成流量上升。拆檢氮氣密封看到，O形密封圈已經損壞得相當嚴重，干氣密封的兩級進口過濾器濾芯中雜質較多，動靜環密封面存在明顯磨損。更換新的干氣密封系統后，靜壓狀態下干氣密封氮氣流量處于 “0”的狀態，即氮氣密封系統正常。

密封生產廠商技術人員分析， O形密封圈從擠壓特性、溫度、工作壓力以及抗吸氣能力幾個方面均滿足壓力要求，選擇氟橡膠做輔助密封圈的材料較為合適，不存在材質選擇不合理的問題。為防止此類現象再次發生，制定了以下措施： （1）安裝人員在干氣密封的安裝過程中要清洗所有進氣管路及機殼上進出氣孔，檢查是否有粘附物和劃痕，特別是要檢查與靜密封O形圈配合的部位是否有缺陷，必要時要進行修理修整，并在密封的有關部位均勻地涂上一層薄潤滑脂；安裝干氣密封時須用專用潤滑脂和防咬合劑，降低因安裝失誤導致密封損壞的風險。 （2）定期切換使用兩級氮氣過濾器，并檢查濾芯是否帶液，及時切液；要檢查濾芯內是否有雜質存在，要及時更換濾芯。 （3）每半年定期更換兩級氮氣過濾器和隔離氣過濾器。 （4）壓縮機潤滑油運行前至少投用后置隔離氣10 min，停機后保持潤滑油運行10 min，然后方可停止后置隔離氣。

3.3 工藝氣結垢腐蝕，堵塞干氣密封腔

2013年3月1日至2013年5月下旬，干氣密封的主密封氣壓力維持在0.6 MPa，沒有發生變化，而前置緩沖氣壓力從170 kPa逐步上升到350 kPa。主密封氣流量FI302從0.5 Nm3/h上升到了2.2 Nm3/h，流量趨勢見圖4；主密封氣與前置緩沖氣壓差PD201從415 kPa逐步下降到了245 kPa，流量趨勢如圖5所示。此運行階段，由于密封氣差壓下降趨勢明顯，存在富氣壓縮機聯鎖停機的嚴重風險，于是決定2013年5月21日停機檢修干氣密封系統。拆檢發現，高壓端干氣密封體沒有油漬，轉動磨損痕跡明顯。于是，更換了高壓端的干氣密封。低壓端密封面雖有微量的磨損，但沒有進行更換處理。密封體外殼和密封面上分布有大量的深棕色灰塵狀物質，壓縮機二段入口干氣密封腔體處存在明顯的腐蝕和結垢現象，結垢物呈現深棕色，數量較多，汽封環上的排氣孔堵塞嚴重，維修人員進行了疏通清理。經化驗分析，深棕色灰塵狀物質為單質硫，結垢物的主要成分為硫化物。

圖4 高壓端主密封氮氣流量趨勢

圖5 主密封氣和前置緩沖氣差壓趨勢

催化裂化裝置原料中的硫化物主要包括硫醇、硫醚和噻吩，在催化裂化反應中約40%的硫化物轉化為H2S。動力車間的制氮機隨著運行時間的積累，氮氣中氧含量逐步上升，加之富氣中本來就含有空氣組分，這樣富氣壓縮機入口就處于富含H2S和O2的狀態，在干氣密封腔體處流速較低，有充足的反應時間，此處便發生化學反應產生單質硫，反應方程式如下所示：

單質硫和富氣中的硫化物在壓縮機運行時不斷產生和沉淀，逐漸進入并堵塞干氣密封的密封腔，并使得平衡管入口的干氣密封腔體排氣孔不通暢，造成堵塞，產生腐蝕現象。此時高壓端的二段入口由于干氣密封腔體處密封效果差，泄漏的富氣壓力逐漸升高，前置緩沖氣受此壓力影響，背壓升高，緩沖氣壓力升高，導致主密封氣和前置緩沖氣壓差不斷降低。干氣密封腔體處富氣流量的增加，出現富氣向緩沖氣返混的現象，形成的單質硫和硫化物向干氣密封系統轉移，顆粒較小的單質硫逐步分布到了密封體外殼和密封面上，因此造成了密封面的磨損，主密封氣流量隨運行時間逐漸增大。

二段入口和一段入口之間通過下平衡管來平衡高、低壓端之間的軸向力。高壓端通過迷宮密封泄漏的富氣和高壓端干氣密封泄漏的氮氣以及高壓端緩沖氣一起通過上平衡管進入壓縮機低壓端，再通過低壓端迷宮密封進入低壓端入口，并在此與入口富氣混合進行壓縮。在實際運行中，由于富氣軸封效果差，泄漏量大，導致緩沖氣背壓升高。緩沖氣壓力升高，上平衡管兩側的壓力均在0.32 MPa左右，而緩沖氣壓力為0.35 MPa左右，這就是主密封氣和前置緩沖氣壓差減小的原因所在。

為減少富氣對機體側干氣密封腔體的腐蝕和單質硫的產生，機組運行時應加強一段入口分液罐的切液和中間分液罐的切液，保證進入機組的氣體不含液相。要使氮氣系統盡可能分離過濾氮氣中的水分和油分，提高過濾精度。適當地提高主密封氣溫度，可以使密封氣中的凝液氣化，降低或避免凝液的產生。操作實踐發現，適當提高高壓端和低壓端入口富氣的溫度，可以減少單質硫的產生，減少硫化物在干氣密封腔體處的結垢和腐蝕。二段入口溫度從50℃提高到60℃，高壓端緩沖氣壓力上升速度放緩，甚至出現長時間平穩運行，主密封氣和緩沖氣壓差穩定。通過以上措施的實施，目前富氣壓縮機密封氣壓差已穩定在200～240 kPa范圍，高壓端氮氣流量也穩定在合理范圍內，運行平穩。

4 建議和結論

檢查發現，壓縮機下平衡管壓力為0.05 MPa，而上平衡管壓力為0.35 MPa。由此判斷，二段入口干氣密封腔體泄漏嚴重和排氣孔堵塞是造成上平衡管壓力升高的原因所在。上平衡管因為要經過壓縮機一段入口的氣封，排氣孔徑小，流量較小，因此無法有效平衡壓力。建議在上平衡管和下平衡管之間增加一條跨線，即將上下平衡管連通，起到降低緩沖氣背壓的作用，從而降低緩沖氣壓力，提高主密封氣與緩沖氣壓差，進而減小壓縮機因壓差低而聯鎖停機的風險。

目前應用于富氣壓縮機的干氣密封系統的結構設計和生產技術日趨完善。在實際應用中，往往是由于技術人員的安裝技術、操作條件問題以及運行維護不當導致了故障的發生。要使干氣密封系統安全可靠地長周期運行，就必須為干氣密封提供一個干燥、潔凈、穩定的環境，提供純凈的主密封氣、前置緩沖氣和隔離氣以及適宜的工作溫度和壓力，保證軸封上的輔助干氣密封腔體有效密封，防止工藝氣對干氣密封系統的污染。