循環氫壓縮機干氣密封失效原因分析及操作建議

蔣 軍

（陜西延長石油（集團）有限責任公司永坪煉油廠，陜西延安 716000）

0 引言

某廠140 萬噸/年柴油加氫裝置采用離心式壓縮機作為其裝置的循環壓縮機，為該裝置的循環提供動力，是該裝置的“心臟”。其介質為氫氣（含有硫化氫），具有易燃易爆、含有毒氣體的特點。一旦機體內部介質泄漏，就有可能發生燃燒爆炸或中毒等事故，給企業造成重大損失，因此保證機組密封的可靠性和安全運行是至關重要的。該組離心式壓縮機所使用的干氣密封為GCTL02-92 型串聯式螺旋槽干氣密封，是目前國內使用的比較多的一種干氣密封。本文就歷年來該離心式壓縮機的干氣密封在使用過程中出現過的問題進行分析和建議。

1 干氣密封原理

干氣密封，即“干運轉氣體密封”，是將開槽密封技術用于氣體密封的一種新型軸端密封，屬于非接觸密封[1]。一般來講，典型的干氣密封結構包含有靜環、動環組件（旋轉環）、副密封O形圈、彈簧和彈簧座（腔體）等零部件。彈簧在密封無負荷狀態下使靜環與固定在轉子上的動環組件配合（圖1）。

圖1 密封機構示意

密封工作的主要原理是流體靜壓力和流體動壓力的平衡[2]。動環表面加工有一定數量的流體動壓槽，動環隨著壓縮機轉子高速旋時轉流體動壓槽把外徑側的高壓隔離氣體泵入密封端面之間，由外徑至槽徑處的氣膜壓力逐漸增加，因端面膜壓增加使所形成的開啟力大于作用在密封環上的閉合力，在摩擦副之間形成很薄的一層氣膜（3～5 m），這樣就會使得密封環能夠保持在非接觸的狀態下工作。所形成的氣膜完全阻塞了相對低壓的密封介質泄漏通道，實現了密封的效果。

2 失效分析

2.1 雜質或凝液污染導致失效

2.1.1 失效案例

2020 年8 月31 日18：28，由于低壓電網故障，直接導致某廠140 萬噸柴油裝置循環氫壓縮機C1101 因上游裝置中壓蒸汽中斷聯鎖停機。

23：20，外圍高壓氮氣管網恢復，將一級密封氣改至高壓氮氣密封，隨后進行開機，開機運行期間一級密封氣驅動端泄漏量有小幅波動（正常泄漏量10 Nm3/h 左右，波動值10～17 Nm3/h，報警值為24 Nm3/h，聯鎖值48 Nm3/h），現場技術員立即對聚結器進行排凝，排凝完畢后泄漏量恢復至10 Nm3/h 左右運行。9 月1日早6 時許一級密封氣泄漏量開始波動（最大值漲至21 Nm3/h）。隨后進行停機搶修。

2.1.2 失效成因分析

經過拆卸后發現干氣密封內部有少量的黑色液體，經過會診后給出意見為：①裝置停工后因高壓氮氣不能及時引進，現場密封氣流量、平衡管差壓低，離心機停機后系統循環中斷離心機出口氣源冷凝后可能會產生冷凝液，進入密封系統后污染了密封面，進而導致密封泄漏量增大；②機組急停時密封氣供給壓力不足，機體內部工藝氣泄漏，存在于工藝氣中的雜質或液體直接接觸密封面，損傷密封面，干氣密封的密封效果下降。干氣密封雜質有3 個主要來源：①機體工藝氣；②軸承潤滑油；③密封氣自身。

2.1.3 操作建議

定期切換、清理過濾器。一般地，密封氣必須是干燥的并且要求過濾掉3 μm 和更大的顆粒。通常在干氣密封系統中提供的多個合適的過濾器并進行多級過濾，當運行過程在發現密封氣過濾器差壓高或運行時間超過6 個月時，必須更換新的濾芯；減少工藝參數波動，避免非計劃停機。壓縮機出口的工藝氣經過分離過濾后作為主密封氣，其壓力和溫度直接受工藝參數波動的影響，工藝系統的壓力變化速度過快會造成密封壓力補償元件來不及動作，直接影響干氣密封氣膜的厚度，同時密封氣中液相析出會破壞密封面氣膜的平衡，造成密封泄漏量增加，進而有可能導致干氣密封失效。

2.2 排氣溫度高導致失效

2.2.1 失效案例

2015 年6 月裝置計劃檢修停機前，干氣密封泄漏量一直偏高，拆機檢查時對此干氣密封進行解體發現了如下問題：①波紋帶發藍；②部分O 形圈嚴重老化變型，靠近介質側的O 形圈甚至斷裂；③密封面無明顯的磨損現象。

2.2.2 失效成因分析

該套干氣密封自運行到計劃檢修運行時間近2 年，干氣密封的波紋帶發藍和部分O 形圈嚴重老化變脆都說明了該處收到了長時間的高溫的侵蝕。產生高溫的情況無非是摩擦生熱和熱傳導，從動環的密封面看無明顯的摩擦痕跡，那么熱量只可能是熱傳導而來。機組運行過程中排氣溫度最高，這些熱量應是排氣溫度所傳導過來的。通常為開停工期間，氮氣工況下機組負荷重，在過高的排氣溫度下長時間運行，損壞了干氣密封的O 形圈。

2.2.3 操作建議

密切關注機組排氣溫度，建議不超過140 ℃，避免氮氣工況下長時間運行，影響干氣密封的壽命。

2.3 密封氣帶液導致液擊失效

2.3.1 失效案例

2017 年裝置大修結束后，裝置開車階段，循環氫機組進氣壓力6.51 MPa，排氣壓力7.58 MPa，介質為氫氣。8 月3 日下午18：30 左右，干氣密封驅動端一級密封氣泄漏量突然從8 Nm3/h 增大至28 Nm3/h，經排查確認密封失效，隨后做停車處理，停車后排查一二級密封氣，一級密封氣為壓縮機出口氫氣，該氣路的分液罐及過濾器未發現異常。二級密封氣為氮氣，打開該氣路過濾器放空時發現有液體介質，隨后確認二級密封氣氮氣帶液（圖2）。

圖2 拆卸后發現濾芯浸油

2.3.2 失效成因分析

檢查過濾系統時，在干氣密封的二級密封氣過濾器中發現存有許多烴類混合物液體。二級密封氣由于不是專供線，塔頂回流罐的液體隨頂部補壓氮氣管線互竄進入干氣密封氮氣線，進而進入過濾器里，再進入密封腔內。干氣密封在正常運轉時，因氣膜的存在（3～5 μm），使密封的兩端面不發生直接接觸[3]，但是如此小的端面間隙，如果在運行過程中進入液體，就會導致密封端面損傷，從而降低密封的可靠性，進而會引起密封失效。綜上所述，密封失效原因可以判定為密封氣帶液導致液擊失效。

2.3.3 操作建議

各密封氣源使用專線專供，串聯式螺旋槽干氣密封的二級密封氣多數采用低壓氮氣，建議直接從廠氮氧站專供，嚴禁和裝置區的氮氣管線串接（裝置區的氮氣線多數串接較多），防止裝置區內部介質竄入干氣密封系統。

3 總結

干氣密封系統密封性能可靠，但是該系統也很脆弱，極易受到損傷。這就要求加強巡回檢查，做好日常維護保養工作，保證干氣密封系統良好運行才能保證機組平穩運行，才能實現裝置的長周期平穩運行。

（1）減少工藝參數波動，保證壓縮機工藝條件的平穩，運行過程中確保穩定的一級密封氣流量，隨時監控密封氣泄漏量的變化情況。只要干氣密封泄漏量穩定在規定范圍內，且泄漏氣壓力也正常，那么密封正常運行。但如泄漏量出現不斷上升，泄漏氣壓力也隨之上升的現象，則預示著干氣密封可能失效了。

（2）密封氣在進入密封前必須設置氣源緩沖罐、聚結器過濾器器、精過濾器，運行過程中對緩沖罐定期切水，定期更換過濾器，保證密封氣氣源質量。

（3）開停機過程中應密切關注機組排氣溫度，避免氮氣工況下長時間運行。

（4）為防止連接隔離閥關不嚴或者誤操作導致其他介質竄入干氣密封系統，各密封氣源應當使用專線專供。