甲醇合成氣壓縮機干氣密封損壞及改造分析

王 凱

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037003)

引 言

目前，在大力提倡生態環境保護的背景下，我國長期以來保持“以煤為主”的能源消費結構，對實現減排目標帶來了巨大壓力。煤化工是將煤轉化為氣體、液體、固體燃料及化學品的工業，尤其新型煤化工以生產潔凈能源和可替代石油化工產品為主，對于中國減輕燃煤造成的環境污染有著重大意義。

煤制甲醇是典型的新型煤化工工藝之一，工藝路線包括燃料氣化、氣體脫硫、變換及甲醇合成等。其中，壓縮機組是甲醇裝置的核心設備，原料氣經過壓縮、甲醇合成與精餾精制后制得甲醇。同時，壓縮機作為旋轉機械，為避免造成故障從而影響整個企業的安全生產和經濟效益，其必須采用軸封。目前，干氣密封作為一種新型的密封方式，已經成為大多數離心式壓縮機的首選軸封[1]。但在生產實踐中，干氣密封故障率仍然普遍。基于此，本文主要針對甲醇合成氣壓縮機干氣密封損壞的情況，探討相關的試驗研究和技術改造。

1 干氣密封的原理及受力分析

1.1 基本原理

干氣密封是將開槽密封技術用于氣體密封的一種新型軸端密封，典型的干氣密封結構主要由動環、靜環、彈簧座等組成。干氣密封屬于非接觸密封，端面的材料可采用氮化硅、碳化硅、硬質合金或石墨等。與其它機械密封相比，干氣密封在結構方面基本相同。典型的干氣密封結構如圖1所示。

圖1 干氣密封結構

值得注意的是，干氣密封靜環是由彈簧所加載，并依靠O形圈輔助密封。而且，干氣密封的一個密封環上面加工有均勻分布的淺槽，故其密封面是分開的。目前，干氣密封槽型以螺旋槽密封最為典型，以串聯式結構有更高的操作可靠性。

1.2 受力分析

現主要從壓縮機分別處于靜止和運轉兩個不同狀態下，分別討論干氣密封的受力[2]。

1) 靜止狀態。在壓縮機處于停車靜止狀態下時，靜環受到來自兩個不同方向的力，一是由彈簧產生的彈力和作用到靜環下游的氣壓組成的FC，另一個是作用在密封面上的流體靜壓力引起的FO，由于FO

2) 運轉狀態。在壓縮機正常運轉時，動、靜環之間的作用力除了來自流體靜壓力，還會受到隨著轉子轉動帶動動環一起旋轉而產生的流體動壓，即與壓縮機處于時停車靜止狀態下時相比，閉合力FC不變，但是開啟力FO則增加了流體動壓引起的力。當FC=FO時，干氣密封在氣膜作用下處于平衡的工作狀態。壓縮機正常運轉時密封面受力分析如第152頁圖2所示。

同時，當壓縮機運轉受到干擾時，螺旋槽干氣密封系統具有自動調整的功能，可以使密封面達到新的平衡位置或重新恢復到平衡位置，從而保證動、靜環不發生接觸，防止對二者密封面造成磨損。

圖 2 壓縮機正常運轉時密封面受力分析

2 干氣密封失效類型及其表觀特征

2.1 失效類型

干氣密封失效類型一般分為兩種：一種是發生結構性的破損，已經失去了修復的價值，此種一般稱為第一種失效類型；另一種是干氣密封外觀完整，結構完好，僅是一次密封氣泄漏量異常升高，此種一般稱為第二種失效類型。

2.2 失效密封表觀特征

1) 第一種失效類型。如高壓缸止推軸承溫度出現異常上漲情況，而止推軸承表面的巴氏合金溫度升高，且隨著轉速的增大而進一步增大，油膜成膜效果惡化，磨損轉變呈熔融磨損為主的嚴重磨損；壓縮機高壓缸轉子軸位移變大，超出限值等。

2) 第二種失效類型。如一次密封的動環、靜環配合面上發現了磨損痕跡和炭黑，O型圈發現密封圈出現了減薄和部分開裂的情況，與靜環配合的卡環上發現了高溫色變等；二次密封動環和卡環中間發現了高溫色變的情況，靜環和外罩接合面發現有嚴重的磨損情況，O型圈發現有磨損痕跡，動環、靜環配合面上同樣發現了磨損痕跡和炭黑，靜環的背面發現有部分劃傷等。此外，對于壓縮機轉子，失效密封表觀特征為干氣密封一次氣供氣的過濾器濾芯內部有黃褐色粉塵，循環段入口導葉底部導淋有大量積液，高壓段第一級葉輪和循環段單級葉輪結垢較為嚴重，壓縮機缸體導淋發現有積液等。

3 干氣密封損壞原因分析

3.1 第一類損壞原因分析

經實踐分析發現，平衡管堵塞會造成軸向推力異常增加，且一旦壓縮機聯鎖跳車，轉子負荷發生大幅變化，軸向推力隨之增加，這個額外增加的軸向力將影響到壓縮機機內部結構，如造成止推軸承瓦塊工作的最小油膜破壞，從而使止推軸承瓦塊溫度升高，進而導致瓦塊磨損等；造成止推盤鎖母變形，止推盤發生位移等[3-4]。總之，高壓缸平衡盤功能失效，造成壓縮機高壓缸轉子軸向推力過大，超出了止推鎖母和止推軸承能夠承受的極限，以及止推盤鎖母發現形變造成止推盤松動等，是造成干氣密封第一類損壞的主要原因。

3.2 第二類損壞原因分析

除了干氣密封損壞情況外，其還存在泄漏量異常增大的情況，且主要集中在干氣密封的密封面損傷、O型圈破損兩個方面。究其原因，主要有以下幾個因素[5]。

1) 污垢進入密封面。造成原因包括密封氣供氣不足、密封梳齒間隙增大、平衡管堵塞導致驅動端供氣壓力升高等。

2) 供氣氣源自身污染。造成原因主要包括密封氣源未過濾干凈、火炬氣倒流等。

3) 干氣密封進液。造成原因主要包括供氣管線無伴熱保溫、壓縮機啟動時冷凝、隔離氮氣中斷、正常運轉中節流帶液、緊急停車造成反流帶液等。

4) 其他。如頻繁開停車、干氣密封反轉、“O”型圈磨損等。其中，“O”型圈磨損原因包括壓縮機缸體泄壓速率過快、長期頻繁的摩擦導致O型圈的減薄和破裂等。

4 干氣密封技術改造

4.1 消除異常軸向力

壓縮機緊急停車時的壓縮機軸向力過大是造成干氣密封破壞性損傷即第一類損壞的主要原因。為了避免此種情況的發生，可以進行如下技術改造：1) 增加平衡盤壓力監測。即利用平衡盤腔室接出的導淋排放口，增加現場壓力表，以防止壓縮機平衡盤腔室壓力升高。2) 壓縮機平衡系統改造。即將壓縮機平衡管出口處的內缸壁加工，增大間隙，從根本上解決平衡管壓差大的問題等。

4.2 供氣系統改造

對干氣密封的一次供氣氣源進行改造，使其具備充足的壓力，以阻止未經凈化的工藝氣進入密封端面[6]。具體措施有：1) 一次氣氣源增壓改造。即高壓缸和低壓缸密封氣系統分別增加一個增壓機總成，防止工藝側氣流倒灌進入干氣密封腔室，從而保護干氣密封。2) 增加一次氣就地排放。即為了有效地保護干氣密封，在干氣密封一次氣排放到火炬管網的管線上增加切斷閥，補充一條就地排放管線。3) 增加干氣密封供氣管線電伴熱。即將所有的一次密封氣管線都增設電伴熱，從而確保干氣密封供氣溫度始終大于對應的露點溫度。4) 增加干氣密封供氣腔室導淋。即在壓縮機缸體預留口增加干氣密封一次氣腔室低點導淋，避免因工藝氣節流造成帶液進入供氣管線。

4.3 儀表監測系統改造

此技術改造主要指增設一次排放L、LL報警以及軸位移探頭改造。其中，前者指在原有基礎上增加一次排放氣流量L、LL報警，使其及時起到警示作用，以便更加全面地監控密封泄漏量；后者指將高壓缸軸位移探頭的測量位置改到轉子的端面位置，以避免出現干氣密封損壞現象。

4.4 改進工藝操作方式

引起泄漏量變化的因素很多，如工藝氣的波動、軸竄、喘振等。因此，在日常操作中須精心維護，防止不當操作導致干氣密封損壞。主要包括縮短盤車時間、加強干氣密封排液檢查、避免反向壓力操作、避免壓縮機轉子反轉、定期更換維修等。

5 結論

干氣密封故障會導致甲醇裝置離心式壓縮機頻繁停機檢修，從而制約裝置安、穩、長、優運行。分析其原因發現，第一類干氣密封失效是密封的機械結構發生了破壞，第二類干氣密封失效是由干氣密封供氣系統所引起。因此，須通過消除異常軸向力、供氣系統改造、儀表監測系統改造及改進工藝操作方式等對干氣密封實施技術改造，從而促進運轉可靠性獲得大幅提升。