壓縮機干氣密封泄漏分析與處理經驗

魏希超

（弘潤石化（濰坊）有限責任公司，山東濰坊 262500）

某化工裝置壓縮機運行期間，干氣密封系統出現泄漏量報警。從其運行曲線（圖1）可以看到，非驅動端干氣密封主密封氣的體積流量在6 時22 分由0.68 m3/h（標準狀態，下同）迅速降至0 m3/h,持續53 min 后主密封氣流量又快速上升至1.8 m3/h，然后緩慢升至4.2 m3/h后開始緩慢下降至2.0 m3/h，4 h 后主密封氣流量迅速上升，現場流量表滿量程為9 m3/h，而主密封氣流已經超出流量表顯示范圍,無法看到準確流量值。同一時間段進裝置的氮氣壓力為0.56 MPa，消耗體積流量由130 m3/h 左右迅速升至160 m3/h 左右，主密封氣氮氣體積流量消耗增量在30 m3/h。

圖1 某裝置壓縮機機運行曲線

該干氣密封為雙端面密封，根據經驗初步分析后認為，介質側密封正常，大氣側密封不能有效形成密封氣膜，造成干摩擦密封面損壞，主密封氣流量爆表，主密封氣與緩沖氣差壓已經降至0.2 MPa，需要及時采取措施，否則很快會導致機組聯鎖報警和停機，進而危及整個裝置運行。文中結合壓縮機干氣密封結構、流程，參考相關技術研究和交流文獻［1-14］進行分析，介紹故障處理和改造措施。

1 壓縮機干氣密封結構及流程

1.1 干氣密封結構

壓縮機雙端面干氣密封為集裝式，單向旋轉，主密封及前置密封介質為氮氣，后置密封介質為儀表風，其結構形式見圖2。此雙端面干氣密封結構不允許工藝氣體泄漏到大氣中，但允許少量密封氣（氮氣）進到壓縮機內。

圖2 壓縮機干氣密封結構示圖

1.2 干氣密封流程

壓縮機干氣密封氣流程見圖3，氣源為壓力約0.6 MPa（G）的氮氣，經過濾器后分成4 路，其中2 路為主密封氣，另外2 路為前置緩沖密封氣。

圖3 壓縮機干氣密封氣流程示圖

1.2.1 主密封氣

一路主密封氣進入高壓端主密封腔，另一路主密封氣進入低壓端主密封腔。壓縮機運轉時，主密封氣在螺旋槽（刻在動環端面上）的泵送作用下，打開動環和靜環密封的端面，同時對端面進行潤滑和冷卻。一套主密封氮氣的正常消耗量不超過1 m3/h。

1.2.2 后置隔離密封氣

儀表風壓力為0.4 MPa（G），經法蘭端口進入后置密封系統，經過濾器過濾后分為2 路。其中，一路經音速孔板節流降壓后進入高壓端后置密封腔，另一路經音速孔板節流降壓后進入低壓端后置密封腔。后置密封腔體內的氮氣主要作用是防止潤滑油污染密封端面，使用音速孔板控制儀表風消耗量。一套后置密封的儀表風消耗量為40 m3/h。

2 干氣密封故障分析

2.1 動靜環結構

壓縮機干氣密封的動靜環結構見圖4，其動環材質為無壓燒結碳化硅（SSIC），靜環材質為進口石墨，單向螺旋槽及其它金屬件材質為1Cr13。

圖4 壓縮機干氣密封的動靜環結構示圖

2.2 損傷分析

壓縮機發生泄漏量報警時，排放氮氣的量經過短時間的休整后快速上升，說明干氣密封的動靜環密封面已被破壞。排放的氣體中檢測到介質氣體含量超標，也說明介質側和大氣側的動靜環均發生了磨損。沒有發生大規模的泄漏和主密封氣差壓明顯的下降，說明介質側的動靜環有損傷，大概率是密封面有劃痕。

從該壓縮機干氣密封結構分析，介質側和大氣側的靜環外側依靠1Cr13 金屬環定位，如果發生動靜環破碎脫落，將產生大量的氣體泄漏，主密封氣差壓應導致聯鎖，實際情況是否定的，所以這種情況可以排除。

造成大氣側動靜環破裂的原因是大氣側進入異物導致高速旋轉的動靜環產生高摩擦熱而脆裂。此時必須及時增加氮氣供給量，否則大氣側動靜環的泄漏將導致介質側主密封氣壓力變小、流量減少，這樣的直接影響是主密封氣差壓變小,或將導致聯鎖，被迫停機。

該密封為單向螺旋槽結構（圖5a），其最小氣膜厚度- 轉速曲線見圖5b。

圖5 壓縮機干氣密封單向螺旋槽結構及氣膜厚度曲線

分析氣膜厚度曲線可知，氣膜厚度在高轉速時變大，加之泄漏量與壓力成線性關系，綜合判斷后認為，這種在額定轉速下的泄漏量增大，在短時間內不會產生較大破壞。

另外，金屬外環可以將帶裂紋的動靜環嵌套固定在一起，不至于發生破碎飛濺。因此，只要介質側的動靜環能夠保持主密封的差壓穩定且在規定數值，大氣側的動靜環就不會破裂脫落，壓縮機就可以在非正常狀態下運行，這樣就可為處理故障和采取措施控制贏得時間。

3 干氣密封故障處理及改進措施

3.1 加裝漏氣檢測設備

在壓縮機干氣密封排放口加裝漏氣檢測設備，實現一、二級對外排放氣體泄漏量的動態檢測，并引到主控室DCS，從而可以實時監測干氣密封動靜環的磨損泄漏情況，一旦出現泄漏量波動或突然變化可以及時采取措施。改造后的干氣密封流程圖見圖6。

圖6 改造后干氣密封流程圖

3.2 增加一路氮氣

將旁路閥打開，關閉主密封氣減壓閥前閥門，將減壓閥卸掉，增加一路氮氣供給主密封氣，使新通入0.7 MPa（G）氮氣壓力略高于原主密封氣的壓力，增加供應量至3.5 m3/h，以保證主密封氣的差壓不會減小，避免介質氣污染主密封，確保密封損壞情況不會進一步惡化。

4 干氣密封改造效果

壓縮機停機后檢修時打開干氣密封，現場看到的動靜環損傷情況見圖7，介質側干氣密封動靜環出現磨損超差但沒有破裂，大氣側干氣密封動環破裂但沒有脫落，靜環磨損出現溝痕，相對運動依靠動靜環的金屬環嵌套固定，靜環被磨損厚度測量值為4 mm，證實最初對運行監測圖線的分析結論是正確的。

圖7 壓縮機停機檢修發現的干氣密封動靜環損傷情況

壓縮機干氣密封采用上述措施處理改造后，泄漏量和主密封氣與緩沖氣的差壓均實現了穩定。從干氣密封故障發生到裝置按計劃停機檢修，壓縮機共計運行時間超過600 d，干氣密封平穩運行，再未發生故障。

5 結束語

化工裝置壓縮機雙端面集裝式結構干氣密封發生泄漏量報警、主密封氣監測差壓下降但又不具備停機大修條件時，可以通過壓縮機密封曲線分析，結合密封結構和密封流場分析進行預判，提出臨時性處理改進措施。文中采取的加裝漏氣檢測設備和臨時增加一路氮氣來提高氮氣供給量改進措施，在保證介質側密封不受損壞的情況下，保障受損傷的干氣密封動靜環繼續平穩運行了1 a 多時間，避免了整個裝置的停工，節省檢修費用百萬元，保護了生產上、下游環節的連續運行，為企業避免了整體停工損失。作為臨時改進措施，加裝漏氣檢測設備和增加一路氮氣來提高氮氣供給量的效果是有限的，如果干氣密封面泄漏量比較大，壓縮機振動也發生了異常情況，而且動靜環沒有鑲嵌在金屬環中，則不可采取這類措施。