天然氣管道壓縮機干氣密封污染原因及改進

陳傳佳

（中國石油西部管道公司，新疆烏魯木齊 830011）

0 引言

干氣密封因其壽命長、能耗低、操作簡單、能適應高溫高壓、被密封流體不受油污染等特點，在長輸天然氣管道壓縮機中得到廣泛應用。但管道壓縮機因輸送介質來源復雜、帶液、壓力高等因素，易造成干氣密封受到污染而失效。以西氣東輸二線Nuovo Pignone 公司PCL800 系列離心壓縮機配套博格曼PDGS10/200 型干氣密封為例，分析干氣密封污染原因，提出相應解決措施。

1 博格曼干氣密封結構及系統

PDGS10/200 型干氣密封為集裝式串聯密封，與普通平衡型機械密封相似，由靜環和動環組成，摩擦副為硬對硬配對。動環為單向V 形槽，采用纏繞彈簧定心，扭矩傳遞方式為摩擦力，材料采用碳化硅或氮化碳，只能單向轉動；靜環由彈簧加載，端面材料采用碳化硅+金剛砂涂層，高硬度金剛砂涂層增強了端面耐化學和磨損性能，并能彌補硬對硬摩擦副自潤滑性能方面的不足，增加了配合端面的使用壽命。干氣密封在正常工作時，由于動環端面單向V 形槽（深度一般為幾微米）存在，周圍氣體會因粘性沿槽形向中心泵送，遇到密封壩處阻礙，氣體壓縮、壓力升高，推開密封面，從而形成3～5 μm 氣膜間隙，使干氣密封運行時，動、靜環始終處于非接觸狀態并且微動。維持動、靜環間形成穩定的剛性氣膜是干氣密封正常運行的必要條件。

2 管道壓縮機干氣密封的污染物

2.1 顆粒污染

管道壓縮機干氣密封密封氣的顆粒污染來源于5 個方面：①濾芯質量差、精度不夠、破損后沒有被發現；②濾芯安裝時與配管的密封元件受損形成短路；③充壓時壓縮腔體工藝氣反竄至密封腔；④上游站場或工藝區波動，密封氣處理系統來不及處理或效果變差，如濾芯堵塞、淹沒、擊穿等；⑤系統新投產或長時間停用自然生銹、系統改造時等（圖1）。

2.2 液體污染

液體污染主要指管網帶水或帶入其他液體，如凝析油。在冬季，特別是西部寒冷地區，凝析油的產生及其對干氣密封的影響尤其應引起重視。管輸壓縮機組通常安裝在沒有設置暖氣設備的壓縮廠房內，環境溫度有時會達到-15 ℃以下。如果壓縮機組長時間沒有運行，如冬季檢修期間，壓縮機腔體、進出口管線、密封氣管線、干氣密封部件溫度均處于較低狀態，如果這時啟機，進入干氣密封腔的密封氣溫度在與干氣密封機械部件接觸后勢必迅速降低，工藝氣體中的重烴凝析，大大增加了干氣密封失效的概率，其表現為干氣密封拆解后會發現在主密封動靜環部位有凝析油存在（圖2）。

凝析油的產生原因與管輸天然氣出廠指標有關，而烴露點是其主要指標。GB 17820—2018《天然氣》標準5.1條對烴露點指標僅作了籠統的規定，即“在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態水和液態烴”，這種要求不能在長達幾千千米的長輸管道任何地域保證重烴不析出；而在俄羅斯全俄行業（OC T51.40—1993）中卻對天然氣水露點、烴露點指標區分溫帶、寒帶進行了規定（表1）。歐州6家主要輸氣公司聯合成立的EASEE-gas 組織也對天然氣烴露點指標進行了規范（表2）。

圖1 PDGS 干氣密封顆粒污染情況

圖2 PDGS 干氣密封一級動環凝析油污染

表1 俄羅斯全俄行業（OC T51.40—1993）相關露點指標

從表1、表2可以看出，即使在管輸天然氣出廠指標完全合格的條件下，在某些局部寒冷的條件下，均會出現天然氣中有水和凝析油的情況，這對干氣密封的運行構成了威脅。

表2 EASEE-gas 提出的有關露點的指標

2.3 軸承潤滑油污染

在干氣密封與支撐軸承之間有內、外隔離密封，在內、外隔離密封之間通入儀用空氣，通過維持儀用空氣和潤滑油氣的壓差來實現潤滑油氣阻斷。如果隔離密封的作用沒有正常發揮，則可能因有以下4 個原因：①潤滑油泵啟動前，隔離氣未及時投用；②機組停機、熱備用期間或潤滑油泵運行時，儀表風空壓機意外停運，造成隔離空氣中斷；③潤滑油泵停止，油溫還未冷卻時，人為過早切斷隔離氣，導致較高溫度油氣進入密封腔；④隔離密封設計及參數設置不合理。在對PCL800 型管輸離心壓縮機干氣密封檢修過程中，可不同程度發現干氣密封在二級放空環槽或干氣密封動靜環進入潤滑油（圖3），這也是造成密封泄漏的重要原因之一。

博格曼PDGS 10/200 型干氣密封在設計時，存在一定的設計缺陷。分析干氣密封、隔離密封的結構可以發現，干氣密封動環軸套鎖緊螺母處存在漏油通道，雖然原則上隔離氣體壓力高于軸承箱壓力且螺母外圓自帶甩油環結構，通常不會產生爬油現象，但螺母內圓與轉子存在配合間隙，構成泄漏通道；另一個缺陷是內外隔離密封間的聯接螺釘存在進油的隱患。一旦油進入，會增加油進入二次放空口的概率（圖4）。

2.4 其他污染因素

工廠裝配及現場安裝、工藝裝配或拆解時，不小心融入；安裝時使用防卡阻劑過多帶來的影響；啟停機操作不當的影響。

3 干氣密封損壞機理

3.1 對氣膜的影響

干氣密封正常工作最核心的工作機理是在配對的動環和靜環之間能夠形成較穩定的微米級剛性氣膜，且在備用、啟機、運行、停機、負荷調整等各個階段，氣膜厚度是變化的。根據西南交通大學王和順等人的研究，干氣密封在啟機過程中端面氣膜厚度變化分為I（接觸）、II（波動）、III（穩定）階段。當有較大顆粒進入密封端面，不論是進入至動壓槽或平面區，都將引起氣膜的不穩定，氣膜的不穩定勢必造成干氣密封運行的不穩定。

圖3 壓縮機二級放空環槽的潤滑油

圖4 干氣密封二級動環油氣污染情況

3.2 對摩擦力矩的影響

在干氣密封正常啟機過程中，啟動力矩是一個重要參數，許多干氣密封制造廠家也就如何降低啟動力矩、減少啟機階段對干氣密封端面的磨損進行著相應研究，并已研發出相應的產品。對于非接觸的氣膜密封（干氣密封）或液膜密封，端面摩擦力即為端面間流體的內摩擦力，即黏性剪切力。干氣密封設計時，都是根據密封氣動力黏度進行設計，而液體動力黏度要遠遠大于氣體動力黏度。如果氣膜被液體污染，則形成氣液混合物，動力黏度將會增加成百上千倍（圖5）。

3.3 對散熱的影響

當干氣密封動靜環斷面之間有油存在時，油就會在動靜環之間形成一層幾微米厚的油膜，這層油膜使動環端面上的氣槽喪失吸入氣體的工作能力，因為有油膜阻礙了氣體。動、靜環端面在相對運動時，氣體分子的摩擦將產生大量的熱量，如果端面被油污染，熱量將被中間的油膜吸收，持續升溫會導致動靜環由于過熱產生脆裂，最終使干氣密封報廢。密封端面的顆粒影響也大致如此。

圖5 干氣密封一級動環支撐拉簧損壞情況

4 預防改進措施

4.1 操作層面

（1）優化操作規程。啟機前至少提早投用隔離氣30 min。

（2）減少啟機次數。以減少低速情況下對密封端面的磨損。

（3）機組反向充壓。當條件允許時，可以嘗試開啟干氣密封供氣閥的形式對壓縮機腔體進行反向充壓，直至壓力達到平衡，可以減少工藝氣反竄至干氣密封腔體，污染密封端面。

（4）條件具備時，可以另設氮氣給輔助密封供氣。既可以保證二級密封（輔助密封）的供氣量，又可防止一級密封的污染氣對二級密封的影響，增加干氣密封運行可靠性。

（5）保證隔離氣的不間斷供應。若確需切斷，應確保在機組軸承回油溫度＜40 ℃且潤滑油泵及應急油泵均斷電停用后進行。

（6）在全站所有機組均停運時，應立即對機組進行泄壓放空。不得通過干氣密封增壓撬長時間連續保壓，避免密封氣供應中斷或不足。

（7）隨時與上下游站場保持溝通，掌握工況變化信息。對大量帶液工況作為應急事件來處理，做到響應及時，措施得當。

（8）合理評估壓縮機的怠速盤車和機組切換頻次，盡量減少干氣密封非正常工況運行機會。

4.2 維護層面

（1）要經常性地打開壓縮機隔離氣環槽、二級放空環槽排污閥，檢查內部是否有油，及時排放。

（2）更換干氣密封組件時：①應對所有密封C 形圈、O 形圈進行更換，注意檢查C 形環開口方向正確；②檢查梳齒密封齒頂是否磨損、倒齒，有磨損要及時更換備件，保證密封間隙；③干氣密封表面，不得有油漬存在，保證安裝部位腔體及對應進氣管線干凈、干燥、無雜質，及時封堵拆卸的密封氣管線，回裝前進行必要的吹掃檢查；④安裝內外隔離密封螺釘時，每個螺釘都應配置密封環墊，隔絕油氣通過螺釘向隔離氣溝槽的泄露通道。

（3）嚴格監控干氣密封過濾器壓差。及時切換和更換濾芯，防止壓差過高、異常突降，避免工作介質帶液擊穿濾芯本體，從而使密封氣流短路。

（4）保證礦物油箱風機的正常運行。定期清理排放阻火塞，保證油箱真空度＜-100 mmH2O（約-1 kPa），保證所有回油管路正常暢通。

（5）保證密封氣、隔離氣的排放管路暢通，盡量單獨排放。

（6）如需對機組進行氮氣置換，應先通過臨時接管。在干氣密封雙聯精過濾器之前導入密封氮氣，再通過壓縮機進出口相關接口向缸體內通入置換氮氣的方式進行充壓置換操作。

4.3 參數及結構優化方面

（1）調整密封氣供氣壓力、溫度、流量等參數。冬季運行時必須提高干氣密封的供氣溫度至＞60 ℃，以提高一級密封端面時溫度，避免工藝氣中重組份在密封浮動部位冷凝堆積。

（2）調整潤滑油供油壓力。在滿足軸承溫度要求前提下，盡量降低油壓，降低油從阻油環中泄油的流量。

（3）改進干氣密封結構設計。優化現有動環支撐拉簧結構，減少向動環傳遞扭矩時變形量，提高其可靠性；或優化軸套與動環扭矩傳動方式，將動環扭矩傳遞由支撐拉簧改進為撥叉傳動。

（4）將隔離梳齒密封形式改為碳環密封，改進擋油環設計，阻斷油氣泄漏通道。

（5）優化密封氣控制邏輯。延長干燥、預熱干氣密封供氣時間，至少保持30 min 以上，保證動環、密封軸套材料和橡膠密封圈充分預熱，盡量杜絕密封氣在溫度較低的情況下進入干氣密封腔，并保持密封氣溫度始終處于較高水平，減少重烴凝出的概率。

5 結論

（1）管道壓縮機干氣密封必須在干燥、潔凈的環境中運行，任何輕微的污染都有可能導致密封可靠性下降，甚至引起密封失效。

（2）顆粒、液體、潤滑油氣是干氣密封的主要污染物質，其來源包括密封氣、工藝氣和軸承潤滑油，產生的根源為上游站場、本站工藝區、機組的生產操作、日常維護及系統設計缺陷等。

（3）冬季運行時應特別注意天然氣凝析油對干氣密封的污染。

（4）減少污染的措施，應根據壓縮機運行站場的實際情況，從操作、維護、優化等方面進行綜合施策，不應千篇一律。