胡 漁，張錫德

(中國石油天然氣股份有限公司塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000)

塔里木化肥是年產(chǎn)45萬t合成氨/80萬t尿素的大化肥項目，2010年5月正式投產(chǎn)運行,2014年6月13日至7月10日對裝置進行年度停工大檢修。在裝置大檢修期間，對原料氣壓縮機兩側(cè)干氣密封進行了更換、檢修。檢修完后，7月11日對原料氣壓縮機進行啟動前的準備工作。氮氣作為干氣密封一、二段密封氣及隔離氣投入運行后，啟動油泵進行油循環(huán)不久，壓縮機外操人員發(fā)現(xiàn)干氣密封現(xiàn)場放空管跑油；隨后，技術(shù)人員對原因進行查找、分析，調(diào)整隔離氣壓力及循環(huán)油壓力，對進入干氣密封內(nèi)的潤滑油進行排放及吹掃，并制定相應(yīng)防范措施；7月14日原料氣壓縮機重新啟動、投入運行，目前，干氣密封各項指標運行正常。本次實踐顛覆了干氣密封進油后需對密封進行檢修更換的傳統(tǒng)思維，為裝置開車贏得了時間。

1 壓縮機干氣密封

合成氨原料氣壓縮機組中,壓縮機由沈陽鼓風(fēng)機集團有限公司制造，為多級離心式壓縮機，其型號為BCL405；透平由美國Elliott公司制造,為中壓冷凝式蒸汽透平，型號為SVKJPE5。

壓縮機干氣密封系統(tǒng)包括一級及二級密封氣系統(tǒng)、隔離氣系統(tǒng)、一級及二級密封泄漏放空系統(tǒng)以及潤滑油煙氣放空系統(tǒng)【1】，見圖1。

1.1 干氣密封工作原理

干氣密封由動環(huán)和靜環(huán)組成。動環(huán)端面開有螺旋槽，槽深度僅有2.5～10 μm【2】。動、靜環(huán)間須有潔凈的氣體，以保證干氣密封在工作時其端面之間能形成一個穩(wěn)定的氣膜，使密封端面完全分離。氣膜厚度一般為2.5～5 μm。氣膜可以使密封端面間保持一定的密封間隙，氣體介質(zhì)通過密封間隙時因阻塞和節(jié)流的作用而被減壓，從而實現(xiàn)氣體介質(zhì)的密封。幾個μm的密封間隙可使氣體的泄漏率保持在最小【3】。

圖1 干氣密封系統(tǒng)

1.2 干氣密封結(jié)構(gòu)

原料氣壓縮機干氣密封型號為John Crane 28AT，其環(huán)端面上的槽型為單向旋弧形，兩級密封為串聯(lián)式，首尾相連接，中間帶有迷宮密封，其結(jié)構(gòu)見圖2。

一般情況下，一級密封承擔大部分載荷,而二級密封僅僅承受極小部分載荷，甚至不承受任何載荷，通常視為備用密封之用【4】。

1.3 干氣密封流程

為消減葉輪產(chǎn)生的軸向力，在原料氣壓縮機缸體處設(shè)置平衡管線，因此干氣密封一級密封氣的參考氣壓力就是平衡氣壓力，其密封流程見圖3。

1—二級彈簧；2—靜環(huán)支撐座；3—二級彈簧座；4—固定環(huán)；5—二級靜環(huán)；6—二級動環(huán)；7—中間迷宮密封環(huán)；8—一級彈簧座；9—一級靜環(huán)；10軸套；11—一級動環(huán)；12—一級彈簧；A—一級密封氣；B—一級密封泄漏氣；

圖3 干氣密封流程

壓縮機正常運行時，一級密封氣為原料氣壓縮機一段出口氣，其壓力為43.6 MPa(表)，溫度為120 ℃。該氣經(jīng)過過濾器后，精度為3 μm，根據(jù)平衡管工藝氣壓力，通過調(diào)節(jié)閥PDCV4183進行調(diào)壓后，進入干氣密封一級密封腔A，在動、靜環(huán)面形成氣膜，實現(xiàn)氣體密封；而通過其端面的微量泄漏氣進入火炬管網(wǎng)【5】。

壓縮機啟動前干氣密封一級密封氣為氮氣，其壓力為0.5 MPa(表)，缸內(nèi)介質(zhì)壓力須小于氮氣壓力。啟動后，當一級密封的氮氣壓力小于壓縮機出口壓力時，其出口氣體會自動取代氮氣成為一級密封氣【6】。

干氣密封二級密封氣為系統(tǒng)管網(wǎng)的氮氣，其壓力為0.5 MPa(表)、溫度為25 ℃。該氣經(jīng)過過濾和調(diào)壓后，進入二級密封腔C，而通過二級密封端面的泄漏氣通常采取現(xiàn)場高點D排放。

干氣密封隔離氣為系統(tǒng)管網(wǎng)的氮氣，其壓力為0.5 MPa(表)，溫度為25 ℃。該氣通過過濾、調(diào)壓及φ4 mm孔板減壓后，進入干氣密封后置隔離腔E，其目的是防止?jié)櫥透Z入干氣密封螺旋槽中【7-8】。

1.4 干氣密封進油后損壞機理

當油存在于干氣密封動、靜環(huán)端面之間時，會在動、靜環(huán)之間形成一層幾個μm厚的油膜，這層油膜能使動環(huán)端面上的旋轉(zhuǎn)槽喪失吸氣體能力。僅此一點還不足以造成壓縮機內(nèi)缸體氣體的外泄。因油膜會阻礙氣體，并吸收其在動、靜環(huán)端面之間產(chǎn)生的摩擦量，且無法散熱，持續(xù)升溫會導(dǎo)致動、靜環(huán)過熱，最終產(chǎn)生脆裂而報廢【9】。

2 干氣密封進油情況

2014年7月11日，在完成了年度裝置停工大檢修后，準備啟動原料氣壓縮機。首先做機組啟動前的準備工作。干氣密封一、二段密封氣及隔離氣通入氮氣，調(diào)節(jié)其壓力后，啟動潤滑油泵。整個油系統(tǒng)進行油循環(huán)不久，外操人員發(fā)現(xiàn)壓縮機兩側(cè)干氣密封現(xiàn)場高點放空管D跑油(見圖3)，操作人員立即關(guān)停循環(huán)油系統(tǒng)，對干氣密封隔離氣系統(tǒng)進行檢查。結(jié)果顯示，點PIA4184及PIA4185的隔離氣壓力值分別為0.01 MPa(表)和0.009 MPa(表),未發(fā)現(xiàn)異常。第二次啟動油系統(tǒng)，干氣密封現(xiàn)場高點放空管仍然跑油。隨后關(guān)停油泵，對出現(xiàn)的異常進行排查及處理。

為進一步確認油污染情況，將壓縮機兩側(cè)一、二級密封泄漏管法蘭拆開，發(fā)現(xiàn)泄漏管均有油冒出(見圖4)，二級密封泄漏管冒油量明顯多于一級密封。

將干氣密封兩側(cè)低點排污閥打開，均有潤滑油排出，二級密封低點排油量明顯多于一級排油量；打開壓縮機缸體低點排液閥未見油排出。

由此可以斷定，壓縮機軸承潤滑油已通過隔離氣進入了壓縮機兩側(cè)干氣密封，對動、靜環(huán)造成了污染。

圖4 泄漏管跑油情況

3 干氣密封進油原因分析

3.1 造成進油的可能因素【10】

干氣密封位于軸端密封與徑向軸承之間，隔離潤滑油進入干氣密封主要靠的是干氣密封前端的隔離氣梳齒密封(見圖5)。

1—推力軸承； 2—徑向軸承； 3—干氣密封；4—隔離氣梳齒密封； 5—徑向軸承回油內(nèi)孔；6—推力軸承回油內(nèi)孔； 7—軸承回油外孔

造成潤滑油進入干氣密封的可能因素有如下幾個：

1) 隔離氣應(yīng)在主油泵開啟之前提供，停機后待高位油槽內(nèi)的油排凈后方可關(guān)閉，若未能及時投用隔離氣或中途停供隔離氣，潤滑油就有可能進入干氣密封。

2) 在正常情況下，隔離氣經(jīng)過音速孔板節(jié)流后，壓力控制在10 kPa(表)左右(其值以廠商要求為準)，若隔離氣壓力控制過低，阻塞效果大大降低，潤滑油就有可能進入干氣密封。

3) 一般情況，進入徑向軸承的潤滑油壓力控制范圍為0.08～0.14 MPa(表),若該壓力控制過高，潤滑油就有可能通過隔離氣進入干氣密封。

4) 二級密封氣泄漏管阻力的大小和軸承區(qū)放空管阻力的大小也是造成隔離氣封不住油的一個原因。若二級密封氣放空管阻力小而軸承區(qū)放空管阻力大，一旦軸承區(qū)內(nèi)壓力大于密封氣放空管內(nèi)的壓力，那么更多的隔離氣就會向阻力小的一側(cè)流動，從而減少了起到隔離油作用的氣量。

5) 干氣密封外側(cè)密封膠圈損壞或者密封區(qū)為水平剖分，且貼合面不嚴，潤滑油就有可能進入干氣密封。

3.2 進油原因分析

異常出現(xiàn)后，將壓縮機干氣密封的運行參數(shù)從ITCC及DCS中調(diào)出進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場檢查情況總結(jié)如下：

1) 在更換壓縮機備用干氣密封檢修時，未發(fā)現(xiàn)運行的干氣密封內(nèi)有油污存在，說明壓縮機在停機前，潤滑油未進入干氣密封。

2) 壓縮機停機檢修前，潤滑油總管壓力為0.34 MPa(表)，壓縮機推力瓦的油壓為0.34 MPa(表)，其徑向瓦的油壓為0.11～0.12 MPa(表)。

3) 在停機檢修壓縮機時，對干氣密封進行了檢修更換，使用備用干氣密封。

4) 在啟動壓縮機前，對油系統(tǒng)壓力進行了調(diào)節(jié)，潤滑油總管壓力從0.34 MPa(表)提高到0.45 MPa(表)，徑向瓦的油壓達到0.16～0.17 MPa(表)，而其正常值為0.09～0.13 MPa(表)。

5) 壓縮機兩側(cè)干氣密封隔離氣壓力分別為0.01 MPa(表)和0.009 MPa(表)。

6) 停運油系統(tǒng)，兩側(cè)干氣密封現(xiàn)場高點放空管跑油量立即減小；開啟油系統(tǒng)，放空管跑油量立即增大。

7) 壓縮機兩側(cè)一、二級密封泄漏管均有潤滑油存在，而二級密封泄漏管的油量明顯多于一級密封。

8) 壓縮機干氣密封的一、二級密封氣及隔離氣均采用系統(tǒng)氮氣。

9) 拆開壓縮機兩側(cè)軸承蓋，發(fā)現(xiàn)徑向軸承回油內(nèi)孔液位較高，同時回油視鏡液位較前相比有所升高。

結(jié)合上述情況分析引起干氣密封進油的諸多因素，得出如下結(jié)論：

1) 因隔離氣一直投用，且隔離氣壓力一直保持在0.01～0.009 MPa(表)，而約翰克蘭公司給出的最小值為0.005 MPa(表)，所以該原因可以排除。

2) 原料氣壓縮機為筒體式壓縮機，不存在水平剖分、貼合面不嚴的問題，同時廠商技術(shù)人員在壓縮機檢修時對兩側(cè)干氣密封進行了更換，使用備用密封，其外側(cè)密封膠圈完好，不存在損壞，因此該原因可以排除。

3) 對于干氣密封二級密封泄漏管及軸承區(qū)放空管，設(shè)計為現(xiàn)場直接放空，其阻力大小通常是不會變化的，若設(shè)計欠妥，該原因造成進油現(xiàn)象在原始開車時就應(yīng)表現(xiàn)出來，所以該原因也可以排除。

因原料氣壓縮機從原始開車以來，其主推力瓦一直存在溫度較高的問題(其值一度達到120 ℃以上)，為了降低軸瓦溫度，將壓縮機入口壓力從設(shè)計值1.52 MPa(表) 提高到2.14 MPa(表)，降低壓縮機的壓縮比，同時將潤滑油總管壓力從0.25 MPa(表)提高到0.34 MPa(表)，推力瓦油壓從0.15 MPa(表)提高到0.34 MPa(表)【11】。但在運行中發(fā)現(xiàn),隨著壓縮機運行，潤滑油總管壓力會逐漸降低，曾一度降至0.21 MPa(表)。操作人員為防止?jié)櫥蛪毫χ鸩浇档?，在機組啟動前進一步提高了潤滑油壓力[從0.34 MPa(表)提高到 0.45 MPa(表)]，從而造成徑向瓦的油壓從0.11 MPa(表)上升到0.17 MPa(表)。推力瓦及徑向瓦油壓升高造成回油液位上升，為潤滑油進入干氣密封創(chuàng)造了條件。

當推力瓦油壓大幅度提升時，其進油量劇增，回油量也相應(yīng)增加，導(dǎo)致回油視鏡液位上升，徑向瓦油壓過高，油流量增大，不斷沖刷著干氣密封外側(cè)第一道軸肩處，造成一部分油順著軸下方流淌到隔離氣梳齒密封附近，回油量的增加使徑向軸承回油內(nèi)孔液位有了一定的升高(見圖5)，波動的液位在最高值時甚至高過了梳齒密封最下端的密封齒，雖然有隔離氣存在，但是梳齒密封下方存在的油的阻力使氣體并非均勻地沿著密封間隙向外流，而是傾向于從阻力較小的上方空隙流出，從而產(chǎn)生上面排氣下面進油的情況【12】；油經(jīng)過梳齒密封到達二次密封氣放空和排污的空腔內(nèi)，潤滑油沿轉(zhuǎn)子和定子部件之間縫隙進入到二級密封動、靜環(huán)所在的腔體內(nèi)部，并通過二級密封動、靜環(huán)端面進入火炬放空管線，這樣便出現(xiàn)了一、二級密封泄漏管冒油，二級密封泄漏管的油量明顯多于一級密封油量的異?，F(xiàn)象。

綜合以上分析可得出：潤滑油總管壓力過高是導(dǎo)致干氣密封進油的直接原因。

4 采取措施

為防止?jié)櫥涂偣軌毫^高導(dǎo)致干氣密封進油，同時為避免潤滑油壓力隨機組運行逐漸下降，對機組潤滑油系統(tǒng)壓力進行了全面調(diào)節(jié)，主要采取了以下措施：

1) 分析認為機組潤滑油壓力逐漸下降，其原因是壓縮機推力瓦油壓過高、流量過大所致。根據(jù)推力瓦溫度，對其油壓進行調(diào)節(jié)，從0.34 MPa(表)降至0.15 MPa(表)，經(jīng)運行考核，在滿負荷狀態(tài)下其推力瓦溫度最高為90.38 ℃。

2) 將潤滑油總管壓力從0.45 MPa(表)降至0.26 MPa(表)。

3) 根據(jù)徑向瓦溫度，通過減壓閥對機組徑向瓦油壓進行調(diào)節(jié)，從0.16～0.17 MPa(表)降至0.06～0.10 MPa(表)。

4) 干氣密封隔離氣壓力調(diào)整至0.01 MPa(表)，保持穩(wěn)定運行。

通過上述調(diào)節(jié)，壓縮機潤滑油回油量明顯減少，回油視鏡液位恢復(fù)正常，干氣密封進油故障得到排除。

壓縮機干氣密封進油后，按照傳統(tǒng)的做法需檢修更換干氣密封，雖然該法安全可靠，但對化工生產(chǎn)影響很大。與廠商一起對風(fēng)險進行評估后，決定如下：

1) 對在用干氣密封不進行更換檢修。

2) 將壓縮機兩側(cè)一、二級密封泄漏管法蘭拆開，在一、二級密封氣及隔離氣中通入氮氣，對其進行吹掃，將內(nèi)部潤滑油徹底吹掃干凈為止。

3) 將干氣密封兩側(cè)低點排污閥打開排污，用氮氣將其吹掃干凈。

為防止類似故障再次發(fā)生，在管理上做了兩項規(guī)定：其一，潤滑油的油壓調(diào)節(jié)需上報部門審核、批準后方可進行；其二，干氣密封兩側(cè)低點排污閥需每兩月打開一次進行排污。

采取上述措施后，壓縮機從2014年7月運行至今，干氣密封各項指標運行正常，同時潤滑油壓力穩(wěn)定，未出現(xiàn)油壓下降等異常波動現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文對壓縮機干氣密封的工作原理、工藝流程及進油后密封損壞機理做了詳細的闡述，介紹了壓縮機干氣密封進油的異?，F(xiàn)象及特點，根據(jù)干氣密封進油的各種可能因素，結(jié)合事故現(xiàn)象，進行了逐項分析、排查，確認潤滑油壓力過高是造成干氣密封進油的根本原因。同時對提高潤滑油壓力的內(nèi)因進行了分析，針對軸瓦溫度，對潤滑油總管壓力及壓縮機推力瓦、機組徑向瓦油壓進行全面調(diào)節(jié)，降低其油壓。針對干氣密封進油的具體情況，通過評估其安全風(fēng)險，采取對干氣密封進行吹掃而非檢修更換的措施獲得成功并積累了經(jīng)驗。同時在管理上提出了相應(yīng)防范措施，防止類似事故再次發(fā)生。