往復壓縮機填料密封工作原理及失效機理分析

董春玲

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

往復壓縮機在石油煉制行業極為常見，其結構復雜、易損件多，其中填料密封故障便是發生率較高的一項，不僅影響設備正常工作，給生產帶來安全隱患，而且機組的頻繁停機維修、更換填料密封，零部件成本高，大大增加了維修費用。某異構脫蠟裝置的循環氫壓縮機，近5 年來共進行檢維修13 次，其中填料密封故障維修達7 次，占比53.8%。因此，本文對往復壓縮機填料密封泄漏的原因進行分析研究，以便及時采取相應措施延長填料密封的使用壽命。

1 填料密封結構及工作原理

1.1 壓縮機組主要參數和填料密封基本結構

循環氫壓縮機組的型號為2HD/1-1，一極二列對稱型，入口壓力為12.0 MPa，出口壓力為13.1 MPa，入口溫度40 ℃，出口溫度79 ℃。

高壓填料密封通常由多組填料環組成，每組填料環單獨裝配在各自的填料盒中（圖1）。異構脫蠟裝置循環氫壓縮機的填料密封為8 組，從介質側到大氣側（既高壓側到低壓側）分別為：第1個是起減壓作用的阻流環或減壓環；第2 個到第6 個為主密封環，阻止介質泄漏到排氣管的主要部件；第7 個和第8 個是氮氣密封環（也叫尾氣密封環），阻止介質泄漏到隔離室。

圖1 密封盒結構示意

1.2 各部件作用及工作原理

阻流環限制和控制介質泄漏，高壓氣體經過阻流環壓力大大降低，壓縮機吸氣時，氣缸中的壓力會迅速降低，填料盒中的介質就有快速流回氣缸的趨勢，而阻流環就會起節流作用、阻止介質從填料盒反向流回氣缸。如果沒有這種限制，后邊的主密封環會過早損壞甚至直接爆開，密封失效。

主密封環由兩部分組成，一個徑向環和一個切向環，徑向環主要是用來覆蓋切向環切口，切向環是起到主要密封作用的部件（圖2）。

圖2 主密封環示意

（1）徑向環是輔助密封，材料為青銅，裝配在介質側，迎著高壓氣體，徑向環內徑略大于活塞桿直徑，壓縮機在運轉過程中不與活塞桿緊密貼合，在氣缸吸氣和排氣時，起到減壓與限流作用，能防止非金屬的切向環被擠壓變形和過度磨損。

（2）切向環是主要密封部件，主要材料為PEEK（聚醚醚酮），緊貼著徑向環裝配在低壓側，在壓縮機運轉過程中，切向環在彈簧力的作用下緊抱活塞桿，阻止氣體泄漏。在壓縮階段，氣缸內壓力升高，高壓氣體推動填料密封靠向低壓側，氣體在密封環前后形成壓差達到密封作用，共形成3 個密封面：①徑向環與切向環形成密封面；②切向環與填料盒壁面形成密封面；③切向環與活塞桿形成密封面（圖3）。氣體經過每組密封環后，泄漏到下一組氣體仍會通過氣體壓差建立密封面，達到阻止氣體泄漏目的，氣體經過主密封環后泄漏量逐級減少，壓力逐漸降低，到最后泄漏量已經很少，通過排氣孔排放到低壓瓦斯系統回收。在吸氣階段，氣缸內壓力快速下降，部分氣體沿徑向環的切口間隙倒回氣缸，填料盒內的氣體壓力恢復低壓，在下一次壓縮過程中，主密封環組前后又能形成新的壓差、達到密封作用。

圖3 主密封環工作原理

尾氣密封環又稱氮氣密封環，在最后兩道填料密封環之間通入保護氣氮氣，氫氣經過前方阻流環和主密封環后，壓力和泄漏量已經很低，氮氣壓力足以阻止氫氣泄漏至隔離室，尾氣密封環通過銷釘將兩個切向環對接在一起，而徑向切口間隙互相錯開，可以有效阻止氣體外泄。

2 填料密封失效分析

壓縮機在運行過程中，填料密封環在氣體壓差的作用下形成3 個密封面，起到密封作用。影響密封面失效的因素有很多，在設計、制造、運輸、安裝、運轉、維護過程中的都有存在，這些因素中的一個或多個作用都有可能導致填料密封失效。影響密封失效因素可以分為兩大類，分別是機械因素和輔助系統因素。

2.1 機械因素

（1）活塞桿。活塞桿引起泄漏的原因主要有4 個：①活塞桿制造工藝差，直徑偏小或橢圓度不符合要求，在填料密封彈簧作用下無法抱緊活塞桿，切向密封環與活塞桿之間的密封面無法建立，密封失效；②活塞桿在運輸、存放期間有下沉，導致徑向跳動度大，造成密封失效；③活塞桿表面出現細微劃痕，密封面貼合不良；④工藝介質含有腐蝕性氣體，導致活塞桿表面被腐蝕。

（2）填料盒。填料盒引起泄漏的原因主要有3 個：①設計或制造尺寸略小，導致填料盒與內部密封環之間的軸向間隙變小。在壓縮機運轉后，溫度升高，填料盒和密封環受熱膨脹，因軸向間隙偏小，無法建立氣體壓差，也就無法形成密封面；②壓縮機做往復運動，密封環與填料盒持續相對運動，造成密封面受損；③填料盒連接螺栓預緊力不足或螺母損壞導致松動，造成填料盒松動，進而軸向間隙增大。

（3）彈簧。因彈簧引的泄漏主要是因為彈簧力設計不足、補償性差，密封環不能抱緊活塞桿等。

（4）密封環。密封環引起泄漏的原因主要有5 個：①密封環制造工藝不良或加工誤差導致密封面缺陷問題導致泄漏；②密封環存放環境不良，包裝受損、導致受潮或變形，或是強光直射導致老化變質；③切向環材料為PEEK，材料雖然耐磨但很硬，自潤滑性能較弱，在與活塞桿反復硬性接觸中會產生摩擦熱，使活塞桿的溫度升高，導致軸向間隙縮小、出現泄漏；④安裝前，未檢查密封環表面是否夾硬性顆粒，安裝過程中密封環表面保護不到位，硬物磕碰導致受損；⑤密封環安裝順序不正確，徑向切口需朝向高壓側。

（5）墊圈。填料盒中可能出現泄漏的零件還有墊圈，原因主要有兩個：①所用墊圈的材料或工藝無法保證足夠的預緊力；②墊圈金屬槽銹蝕或積蓄雜質污垢，墊圈安裝不平整，受力不均發生擠壓變形。

2.2 輔助系統因素

（1）冷卻水系統。若冷卻水水質差、造成管路堵塞，冷卻水流量下降或斷流、影響填料盒冷卻效果，運轉中的多余熱量無法及時帶走，軸向間隙縮小，影響密封效果，并且可能造成潤滑油高溫結焦。

（2）潤滑油系統。若注油器故障導致供油不暢或無法供油，將造成密封環與活塞桿發生干磨，嚴重時將致活塞桿表面劃傷，密封失效。

（3）氮封系統。如果氮封壓力不穩定、時大時小，也會影響密封效果。在壓縮機運轉過程中，當氮封壓力過小時無法阻止氫氣進入隔離室，并且無法撐起尾氣密封環，使其與活塞桿摩擦，導致溫度逐漸升高；氮封壓力過大時，又會使尾氣密封環被壓到活塞桿上，也會與活塞桿過度摩擦并生熱。摩擦生熱會使主密封環膨脹，縮小密封環與填料盒間軸向間隙出現泄漏。

3 結語

往復壓縮機填料密封是一個復雜而多變的過程，密封失效可能是多方面共同作用的結果。結合填料密封工作原理，現場檢修實際情況，并查閱文獻、搜集資料，參考其他學者研究成果，總結分析造成填料密封失效故障的原因，在實際生產中對往復壓縮機故障診斷起到參考指導作用，以降低往復壓縮機泄漏故障的發生，減少維修頻次，保障機組平穩運行。