循環氫壓縮機填料密封泄漏故障分析與改造

宋 彬

（蘭州石化公司設備維修公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

循環氫壓縮機作為40萬t/a航煤加氫裝置的關鍵設備，采用上海德萊賽蘭壓縮機有限公司生產的8.5-2HHE-FB-1型壓縮機。壓縮機具體參如下：級數1級，介質為氫氣，吸入壓力7.026 MPa，吸入溫度40℃，排出壓力9.19 MPa，排出溫度63.7℃，吸入流量20 620 m3/h，缸徑165 mm，軸功率232 kW。

填料泄漏是壓縮機的主要故障。據統計，壓縮機填料運行時間最長為3個月，最短為1周。每次更換填料時，檢修人員都需要抽出活塞，拆卸出入口氣閥，為檢修工作帶來了繁重負擔。以此臺壓縮機填料泄漏故障為例，從填料的結構設計及材料選用入手進行分析，找到改進方法，為壓縮機故障的分析與改進積累了經驗。

1 填料密封的結構與工作原理（圖1）

壓縮機填料盒內裝有7組填料密封，其中5組用來密封介質氣體、2組用來密封氮氣。填料密封組件由支撐環（材質為黃銅）、切向密封環和徑向密封環（材質均為填充聚四氟乙烯）組成（圖2）。氣缸內泄漏的氫氣經過各級填料密封環后逐級減壓，最后壓力降到一個較低值，從而保證只有少量氫氣可以泄漏進入氮氣密封腔。在氮氣密封腔內，氮氣具有一定壓力，能有效防止氫氣繼續泄漏、進入大氣，從而達到較好密封效果。

在每一組填料中，填料對軸的抱緊力由彈簧產生的徑向彈力和氫氣產生的徑向壓力組成。徑向密封環和切向密封環是由填充聚四氟乙烯制成，這種材料有良好的化學穩定性和自潤滑性能，被廣泛應用于活塞式壓縮機密封填料。聚四氟乙烯常見填充物為石墨和碳纖維，調整填充物含量的百分比可以增加其硬度及耐磨性。但是填充聚四氟乙烯也有缺點，在高溫高壓下使用會出現冷流現象[1]。

圖1 填料密封組件裝配圖

圖2 填料密封組件（支撐環、徑向環和切向環）

2 填料密封失效原因分析

2.1 活塞桿磨損對填料密封的影響

活塞桿在拉壓交變載荷的作用下往復運動，要求其與密封填料的接觸部分有較小的粗糙度、較高的表面硬度和尺寸精度。一般情況下，活塞桿表面粗糙度越大，其與密封填料的摩擦力就越大，單位時間內的溫升越快，加速填料磨損。因為壓縮機介質中常含有腐蝕性物質，會對活塞桿造成一定的腐蝕，在表面形成凹坑或裂紋等缺陷，加速活塞桿磨損。檢修中，檢修人員發現活塞桿磨損嚴重，磨損最嚴重處直徑55 mm，未磨損處直徑57.4 mm，磨損量2.4 mm。為了判斷活塞桿能否繼續使用，可以假設填料未經磨損，填料密封與活塞桿處的間隙全部由活塞桿磨損凹陷造成，由密封元件軸向間隙泄漏量計算公式[2]（1）可知：

式中δ——密封元件內表面與活塞桿間的徑向間隙，cm

d——活塞桿直徑，cm

ΔP——密封元件前后氣體壓力差，kg/cm2

μ——氣體動力黏性系數，kg·s/cm2

l——密封元件長度，cm

由式（1）可知，氣體泄漏量V與間隙δ的3次方成正比關系，δ是影響氣體泄漏的主要因素，間隙過大會造成氣體泄漏量超標。由美國石油學會API標準規范可知，氣體泄漏量已經超過標準值1.5×10-5cm3/s，對壓縮機活塞桿應予以更換。

2.2 多變載荷對填料密封的影響

壓縮機活塞的往復運動會產生較強脈動氣流，在密封填料上產生較大的軸向力與徑向力，影響填料壽命。在各組填料中，第一組填料受到的載荷最大，溫度升高也最快，最容易遭到損壞。當第一組填料失效后，第二組填料會因載荷變大，溫度升高而逐漸失效。在拆檢中，檢修人員發現靠近氣缸端的填料很多出現冷流現象，損壞最嚴重。

2.3 冷卻水對填料密封的影響

填充聚四氟乙烯線性膨脹系數[3]較大，受熱易出現塑性變形。拆檢中，檢修人員發現填料盒之間的O形圈存在嚴重老化開裂，造成高壓氣體竄入水線內，使冷卻水無法快速流動，致使填料盒溫度快速升高，填料密封組件快速損壞。

通過以上分析可知，造成循環氫壓縮機填料頻繁泄漏的主要原因是：①活塞桿硬度不夠、易于磨損，造成填料密封泄漏；②填料密封在材料選擇、結構設計上存在缺陷，造成填料密封泄漏；③填料盒冷卻水線不通，致使填料溫度過高而損壞。

3 應對措施及改進辦法

3.1 通過激光淬火技術提高活塞桿表面硬度及性能

活塞桿作為壓縮機的主要受力元件，要求其具備良好的綜合力學性能，尤其需要良好的耐磨性，保證活塞桿與填料之間接觸良好。本壓縮機活塞桿材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，通過激光淬火技術可提高活塞桿表面硬度。這種瞬間完成的激光淬火[4]可以使活塞桿表面獲得很高的硬度（最高可達60 HRC），硬化層非常均勻，并且保證其內部機械性能不變，克服活塞桿變形和表面硬化層不均勻等問題，所以是活塞桿表面硬化的優良方法（圖3）。

3.2 重新設計填料組件

3.2.1 節流環設計

檢修人員發現靠近高壓側的填料密封環最容易發生損壞，因為此處的填料所受載荷最大。為解決此問題，在不改變填料盒結構的前提下，可以將靠近高壓端的一組填料密封環改為節流環。節流環采用整體結構，材質選用黃銅（圖4）。此次改造使用改進后的節流環，在高壓氣體通過部分設計有膨脹室，通過高壓氣體逐級膨脹和節流，達到減壓效果。氣體壓力降低后，會改善第一組填料密封環的工作條件，從而延長其使用壽命，防止填料密封出現逐級失效的情況。黃銅制作的節流環可以將熱量迅速傳遞給填料盒，提高填料密封組件的散熱性能，從而克服原填料密封盒冷卻水線路較短的缺陷。改進后的節流環擁有更大的膨脹室，能顯著提高節流效果。

圖3 激光淬火技術處理活塞桿

圖4 節流環設計

節流環裝配效果如圖5所示。通過觀察可知，在同樣大小的填料盒內，改進后的節流環可以形成3個膨脹室，并且兩邊的膨脹室體積也較大。在氣體膨脹的過程中，氣體量n不變，溫度T不變，R為常數。根據氣體狀態方程[5]PV=nRT推導，可知即高壓氣體的體積膨脹為原來的2倍，壓強就變為了原來的1/2。傳統結構的節流環膨脹室體積為V1≈3.2 cm3，改進后的節流環膨脹室體積為V2≈11.86 cm3，約為原來的4倍。由此可知，改進后的節流環中，高壓氣體經過3次膨脹降壓可使壓力保持在一個相對較小的數值上，從而為后面幾組填料密封的長周期運行提供保障。

圖5 節流環裝配圖（局部）

3.2.2 密封環設計

填料密封組件中支撐環、切向密封環和徑向密封環依然采用原來的結構形式。其中，支撐環材料選用黃銅，便于導熱且易于加工；徑向密封環和切向密封環材料則改為進口PEEK（Polyether-ether-ketone，聚醚醚酮）材料。在原填料密封組件中，由填充聚四氟乙烯制成的切向密封環和徑向密封環容易在高溫高壓下出現冷流變形，造成密封環失效。為了解決此問題，將密封環的材料改為進口PEEK材料。PEEK材料比填充聚四氟乙烯有更好的機械性能和耐磨性，最高耐熱溫度可達300℃，可以在溫度較高的情況下使用，有效解決了冷流問題。并且當填料盒冷卻水出現故障時，填料依然可以正常工作。

新設計的密封組件在填料盒中應該留有一定的徑向間隙和軸向間隙，以保證其可以在填料盒中自由浮動，防止密封環被卡死。通過查閱資料可知，聚四氟乙烯的熱膨脹（與材料成型壓力方向垂直）系數αt=1.7×10-4℃-1，與PEEK的熱膨脹（與材料成型壓力方向垂直）系數αt=4.7×10-5℃-1不同，所以需要重新計算并設計密封環的尺寸。

密封環與填料盒的徑向間隙f[6]的計算見式（2）。

式中f——周向間隙，mm

d——密封圈內外徑之差，mm

αt——與材料成型壓力方向垂直的熱膨脹系數，℃-1

Δt——操作前后的最大溫升，℃

0.5%d——熱膨脹和磨損補償以外的開口安全量，mm

根據經驗公式，f=（5.5-6）%d≈5.5%×28.8≈1.58 mm。

考慮到用理論方法進行計算時，所選用的熱膨脹系數αt往往與實際情況存在誤差，所以可以將以上2種方法所得數值求平均值，得f=（0.77+1.58）/2≈1.18 mm，以保證徑向間隙的準確性。

密封環與填料盒的軸向間隙K計算：

式中K——軸向間隙，mm

B——密封環及節流環厚度，mm

αt——與材料成型壓力方向垂直的熱膨脹系數，℃-1

Δt——操作前后的最大溫升，℃

1%b——熱膨脹后需保留的氣體通道間隙，mm

根據經驗公式計算得 K=（2.5-3）%×b≈3%×15≈0.45 mm。

考慮到在使用理論方法進行計算時，所選用的熱膨脹系數αt往往與實際情況存在誤差，所以可以將以上2種方法所得數值取平均值運算，可得f=（0.25+0.45）/2≈0.35 mm，以保證軸向間隙的準確性。

根據以上計算，將填料環組件（支撐環、切向密封環和徑向密封環）的外徑定為Φ86.2 mm，內徑定為Φ57.4 mm，厚度定為15 mm，結構和其他尺寸保持不變。改造后填料密封組件裝配如圖6所示。

3.3 對填料盒內冷卻水線進行疏通和維修

圖6 改進后填料密封組件裝配圖

由于活塞桿與填料密封環之間存在往復運動，摩擦會產生高溫，使填料密封耐磨性等顯著下降，使其壽命大大降低。為解決此問題，必須保證填料盒的水冷效果。為此，檢修人員認真清洗并疏通了冷卻水通道，并更換了各個填料盒水道之間的橡膠圈，防止高壓氣體竄入水線，確保冷卻水暢通。

4 總結

對循環氫壓縮機活塞桿及填料密封組件的改造，使其壽命較大提高，各項指標達到工藝要求。解決了因填料頻繁泄漏造成的機組經常性停車檢修等問題，緩解檢修壓力，創造較好經濟效益。通過此次壓縮機故障分析和技術改進，加深了對壓縮機結構的認識，提高了故障分析能力，為壓縮機檢維修積累了經驗。