燃氣壓縮機填料密封失效分析

趙有龍 肖玉華 韋 濤

（中海油能源發展采油服務公司渤中FPSO作業公司 天津 300457）

燃氣壓縮機填料密封失效分析

趙有龍 肖玉華 韋 濤

（中海油能源發展采油服務公司渤中FPSO作業公司 天津 300457）

本文主要講述天然氣壓縮機在進行8000小時維修保養（年檢）時，在更換二級填料密封后啟動試車運行時發現填料密封失效泄露的原因進行分析和解決方法。

往復式壓縮機；填料密封；失效；安裝錯誤

1 引言

明珠號天然氣壓縮機F-C-3102是由DRESSERRAND公司生產制造的往復式壓縮機。型號為15.0＋10.0×6B Vip-2。采用水平對置式，二級壓縮。工作介質為天然氣，流量為3100-6300 m3/d，進口壓力為338.7 kpa(34.6℃)，出口壓力為 2250 kpa（55℃），軸功率為 425 HP。其用途主要是對原油處理過程中產生的伴生天然氣經過壓縮提壓后輸送至V-881/882天然氣儲罐，為燃氣透平發電機組提供合格的燃料氣。壓縮機氣缸內被壓縮的天然氣，會通過活塞桿穿出缸蓋的部位向外泄漏，填料密封就是用來阻止介質泄漏的裝置，若填料密封失效發生天然氣泄漏，不僅降低生產率，當天然氣達到一定的濃度會引起爆炸等嚴重事故。本壓縮機組在根據廠家的技術要求進行8000小時維修保養時出現二級填料密封失效泄漏，導致曲軸箱呼吸口處有較高濃度的天然氣溢出。

2 填料密封的作用及原理

2.1 填料密封作用

填料密封是一種傳統式的接觸式密封，其主要作用是阻止氣缸內高壓的介質沿著活塞桿向外泄露的一種密封裝置。其特點是結構比較簡單，加工方便，便于維修與更換，被廣泛應用于旋轉設備、往復設備等。但同時也會導致功耗的損失，壽命較短，對活塞桿有一定的磨損，不適合用于軸徑向跳動較大的場合。

2.2 填料密封的原理

填料密封一般由一組密封填料組成，由于軸的表面不是絕對的光滑，則軸表面就會與填料形成部分貼合，而另一部份則未接觸，從而形成若干個迷宮，達到迷宮效應，通過軸表面的介質經過多次節流降壓實現密封。填料密封與軸的相互作用類似于滑動軸承，應具有良好的潤滑性以保證填料的使用壽命。填料密封的結構主要由填料盒、填料密封環組件、連接螺栓、法蘭及固定螺栓等組成。如圖1所示：

（1）密封環主要起到密封作用，本壓縮機組所采用的是雙作用密封環。所謂的雙作用密封環是由兩個切向環組合在一起，切口間隙相互覆蓋。氣體通過軸向間隙進入填料杯槽內，氣體壓力使兩個切向環作用于活塞桿表面及杯槽端面形成密封。如圖2所示：

圖1 填料密封結構

圖2 雙作用密封環

（2）刮油環用以防止曲軸箱中的潤滑油隨著活塞桿被帶出曲軸箱。

（3）減壓環通過阻流達到減壓的目的，降低由進、排氣壓力波動對填料環的沖擊負荷，過濾掉體積較大的固體狀或顆粒狀的雜質進入填料盒。減壓環只是減緩或“截斷”氣體壓力的效應，而并非完全封斷氣流。

（4）前端墊片的重要性僅次于填料環，起填料盒與氣缸之間的密封作用，為了確保在填料前端的墊片的密封性和確保填料底部接頭的完密性，填料法蘭上的緊固螺母一定要均勻擰緊。

3 密封失效原因查找及處理

3.1 填料密封的失效

導致填料密封失效的原因有很多，如下所述；

（1）潤滑不良導致密封環與活塞桿干磨燒損；活塞桿表面加工精度不夠或是有損壞，導致密封環被損壞；

（2）密封環組合安裝順序或方向錯位；

（3）密封環彈簧斷裂；

（4）填料盒各密封室之間配合不良，變形，腐蝕密封不嚴；

（5）填料盒前墊片損壞，受力不均造成泄漏；（6）填料環軸向間隙不正確（過大或過?。?；

（7）填料盒中心與活塞桿中心不重合，就會使填料、填料盒偏磨，導致過度發熱，磨損加劇。

3.2 密封失效查找分析

天然氣壓縮機的8000小時維修保養的主要工作是對氣閥的氣密性檢查維修，填料密封的檢查維修，氣缸的缸體、活塞、活塞活塞桿的磨損度檢查，曲軸箱的配合間隙的測量檢查，電機和壓縮機對中檢查。

維修保養后進行啟動測試運行約半小時，發現在曲軸箱呼吸口處測量出天然氣濃度較高，立即停機檢查，進行靜壓密封測試，發現二級氣缸填料密封處有氣體泄漏。于是采取下列方法對密封失效泄漏的原因進行排查處理。

（1）活塞桿檢查

圖3 活塞桿徑向跳動測量

活塞桿表面有輕微的摩擦痕跡。再次對活塞桿進行徑向跳動測量，跳動值正常。判斷填料密封環與活塞桿應有磨損。如圖3所示：

（2）潤滑檢查

檢查注油器注油情況，注油壓力及注油量正常。拆下填料密封潤滑油注入口和排放口，手動盤車未發現潤滑異常。

（3）填料密封拆卸檢查

檢查填料密封，活塞桿與填料盒法蘭盤之間環繞著活塞桿的間隙不均勻。將填料拆下檢查，發現填料密封前端的墊片擠壓面受力不均如圖4所示。檢查各個密封環彈簧完好，且安裝順序和方向均正確，測量裝配間隙均在正常范圍內。但密封環有部分摩損的燒灼的痕跡。

圖4 填料盒末端墊環受力不均

（4）原因分析及處理

通過上述過程對密封失效原因分析后初步認為是由于填料盒安裝方法和安裝位置不正確導致填料盒中心與活塞桿中心不重合，使填料、填料盒發生偏磨，導致過度發熱損壞。

維修過程中維修人員為方便活塞桿順利通過填料密封，預先將填料盒安裝在氣缸上，并將固定螺絲上緊后將活塞桿穿過填料密封，如圖5所示。但由于填料盒法蘭螺栓孔與固定螺栓存在一定的間隙，導致填料盒中心由于重力原因自然下沉未與活塞桿中線重合，安裝完成后沒有用塞尺檢查填料密封與活塞桿環繞間隙，并且四顆法蘭固定螺栓上緊時受力不均，從而出現了密封環和活塞桿有偏磨發生泄漏。

圖5 錯誤的安裝方法

在糾正錯誤的安裝方法后，重新更換新的密封環和前端墊片并對活塞桿進行研磨修復安裝，用塞尺檢查活塞桿與填料法蘭之間的間隔確保此間隙在圍著活塞桿的各個方向上均相等后恢復機組啟動測試。運行約1小時后在曲軸箱呼吸口處仍有天然氣泄漏。

再次停機檢查進行泄漏原因分析。打開填料盒檢查密封環和活塞桿未發現異常，但填料盒前端的墊片仍有受力不均現象。經認真分析認為法蘭固定螺栓的受力不均，導致墊片壓偏密封不嚴，且填料盒有輕微的變形導致泄漏。更換扭矩扳手核對扭矩值時發現在維修時上緊的實際扭矩大于規定值，故判斷認為是由于扭矩扳手出現故障，導致四顆固定螺栓的扭矩值不相同且扭矩大于要求值，使得填料盒之間的受力不均發生擠壓變形，填料盒內部填料環的軸向間隙發生改變，造成前兩次維修填料密封失效。

重新研磨填料盒并更換前端墊片，采用正確的安裝方法重新安裝，用塞尺檢查活塞桿與填料盒環繞間隙均勻，使用合格的扭矩扳手均勻對角上緊四顆法蘭固定螺栓。機組恢復后啟動測試運行，壓縮機工作正常無泄漏。

結語

綜上所述天然氣壓縮機在維修過程中出現的兩次填料密封失效泄露的主要原因是由于錯誤的安裝方法和使用不合格工具導致。但根本原因是維修人員在維修初期只片面的考慮透平燃油模式下的經濟性差，為節省燃油而加快進度，沒有經過認真的原因分析就盲目進行維修施工，即使在維修后暫時沒有發生密封的泄漏也會嚴重的影響密封的使用壽命。這樣的維修不僅造成了備件和工時浪費，而且造成了更大的經濟損失。

[1]陳華風編著.淺談往復式壓縮機填料密封環工作原理

[2]呂紅旗編著.壓縮機設計適用手冊

[3]張偉編著.淺談氫氮氣壓縮機填料密封