張錫德，陳 偉，陳小龍

（中石油塔里木石化分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

塔里木石化分公司年產(chǎn)450 kt合成氨/800 kt尿素的大化肥裝置，合成氣壓縮機是雙缸離心壓縮機，汽輪機布置在高低壓缸中間，機組整體為進口設(shè)備，壓縮機軸封采用串聯(lián)式干氣密封，機組為氨合成塔提高氫氣和氮氣。

2017年12月1日因冬季天然氣短缺化肥裝置按計劃進行停工，合成氣壓縮機于12月1日停機，在機組停機時首先開啟高、低壓增壓泵，投入干氣密封運行，因低壓2臺增壓泵損壞，低壓缸增壓單元未運行，在停機過程中低壓缸兩側(cè)干氣密封運行正常，機組停車后盤車器立即投入運行，因汽輪機軸封密封蒸汽一直投用，汽輪機缸體溫度較高，機組進行了長時間盤車，當盤車器停運后，低壓缸兩側(cè)干氣密封一級密封泄漏量突然增大，達到報警值，經(jīng)確認干氣密封已損壞，隨后對密封進行了更換處理，在拆出密封時，發(fā)現(xiàn)表面有大量的黑色顆粒及粉末，據(jù)此對高壓缸干氣密封同樣進行了更換，同時將換下密封送天津某廠商進行修理，拆檢發(fā)現(xiàn)低壓缸干氣密封動靜環(huán)嚴重磨損，滑移直徑處密封圈損壞，高壓缸密封也存在不同情況磨損。

1 低壓缸干氣密封

壓縮機低壓缸型號為5V-8B，2段壓縮，轉(zhuǎn)子軸上安裝8個葉輪，4個葉輪為一組，構(gòu)成了壓縮機第一二段壓縮，第1組葉輪與第2組葉輪方向布置相反，軸向力抵消，未設(shè)平衡管，每級入口在轉(zhuǎn)子軸兩端，兩端干氣密封一級密封氣壓力分別設(shè)置各自參考氣。

干氣密封系統(tǒng)由一二級密封氣系統(tǒng)、隔離氣系統(tǒng)、一二級密封泄漏放空系統(tǒng)、潤滑油煙氣放空系統(tǒng)及增壓單元等組成如圖1所示。干氣密封核心部件為動環(huán)和靜環(huán)，在動環(huán)密封面上刻有雙向燕尾形槽，形成密封氣膜［1］。

圖1 低壓缸干氣密封控制和監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 干氣密封結(jié)構(gòu)

壓縮機干氣密封采用某公司的高壓干氣密封28XPBD結(jié)構(gòu)，布置形式為帶中間迷宮的兩級串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，2套密封按相同方向相連而成如圖2所示，第一級密封為主密封，承擔(dān)大部分負荷，第二級為備用密封，承受小部分負荷［2］。

圖2 兩級串聯(lián)式密封結(jié)構(gòu)

1.2 一級密封氣系統(tǒng)

1.2.1 啟機中一級密封流程

壓縮機啟機前，打開氮氣閥，氮氣壓力為0.6 MPa（g），溫度為25 ℃，氮氣經(jīng)過過濾器、氣動調(diào)壓閥，進入低壓缸兩側(cè)一級密封腔，氮氣對低壓缸內(nèi)的工藝氣體進行阻隔，當?shù)蛪焊變?nèi)壓力上升至0.4 MPa（g）時，打開增壓泵驅(qū)動空氣閥，空氣壓力為0.4 MPa（g），啟動2臺增壓泵，增壓泵工藝介質(zhì)為低壓缸二段出口氣如圖3所示，干氣密封一級密封建立后，依次用氮氣、工藝氣對低壓缸進行置換及系統(tǒng)均壓，分析合格，啟動機組，當機組轉(zhuǎn)速升至最低工作轉(zhuǎn)速8 333 r/min時，停增壓泵［3］。

圖3 低壓缸增壓單元流程

1.2.2 運行中一級密封流程

正常運行時，低壓缸一級密封氣為壓縮機二級出口氫氮氣，氣體壓力為8.65 MPa（g），溫度為98 ℃，氣體經(jīng)過濾器 （精度3 μm）后，分兩路通過氣動調(diào)節(jié)閥，然后參照壓縮機一二級入口壓力分別進行壓差調(diào)節(jié)，進入低壓缸兩側(cè)干氣密封一級密封腔，密封腔內(nèi)大部分氣體通過軸端迷宮密封進入壓縮機腔內(nèi)，僅有少部分氣體通過一級密封動靜環(huán)密封面進入一級密封放空火炬管網(wǎng)［4］。

1.2.3 停機中一級密封流程

機組停機前，開啟增壓泵，低壓缸二級出口工藝氣經(jīng)增壓泵增壓后，被送入低壓缸兩側(cè)一級密封腔，當機組完全停下來時，對壓縮機系統(tǒng)進行泄壓，當系統(tǒng)壓力小于系統(tǒng)氮氣壓力時，停增壓泵，氮氣自動切入到一級密封氣系統(tǒng)［5］。

1.3 二級密封氣系統(tǒng)

來自系統(tǒng)氮氣，壓力為0.6 MPa（g），溫度為25 ℃，經(jīng)過濾器（精度3 μm）后分成兩部分:低壓缸干氣密封的二級密封氣和低壓缸干氣密封的隔離氣。

氮氣通過過濾器后，經(jīng)過氣動調(diào)壓閥調(diào)壓，進入低壓缸兩側(cè)二級密封腔，其中大部分氮氣經(jīng)過中間密封梳齒進入一級密封泄漏氣管道中，其功能是阻擋一級密封泄漏氫氮氣進入二級密封，僅有少部分氮氣通過二級密封動靜環(huán)端面，進入二級密封泄漏管中，在現(xiàn)場高點放空［6］。

1.4 隔離密封氣系統(tǒng)

來自過濾器及調(diào)壓閥的氮氣，通過節(jié)流孔板降壓至390 kPa（g），進入低壓缸兩側(cè)迷宮密封腔，其壓力稍高于軸承箱油壓，其中部分氮氣通過內(nèi)側(cè)梳齒進入二級密封泄漏管道，另一部分氮氣通過外側(cè)梳齒進入軸承潤滑油煙氣放空管道，隔離氮氣功能是阻止?jié)櫥瓦M入干氣密封［7］。

1.5 放空氣控制系統(tǒng)

通過低壓缸干氣密封一級密封泄漏的少量氫氮氣，與來自二級密封的大部分氮氣混合，被排放到火炬管網(wǎng)，最終燃燒放空，二級密封的泄漏氮氣與來自內(nèi)側(cè)梳齒的隔離氮氣進行混合，在現(xiàn)場高點放空 ，通過外側(cè)梳齒的隔離氮氣與軸承潤滑油的揮發(fā)煙氣進行混合，在現(xiàn)場放空［8］。

流量監(jiān)測報警裝置安裝在一級密封泄漏氣管道上，實時監(jiān)測干氣密封運行狀況，當泄漏流量超標時，發(fā)出報警信號。

2 干氣密封故障原因分析

2.1 干氣密封異常情況

2017年12月1日化肥裝置因冬季天然氣短缺而停車，合成氣壓縮機于12月1日17點停機，因低壓缸2臺增壓泵損壞，在停機時低壓缸增壓單元未投運，機組停車后對壓縮機系統(tǒng)進行泄壓，當?shù)蛪焊紫到y(tǒng)壓力降至0.4 MPa以下時，氮氣投入到一級密封氣系統(tǒng)中。

壓縮機轉(zhuǎn)子靜止后，為防止汽輪機轉(zhuǎn)子軸因熱而產(chǎn)生彎曲，立即啟動盤車器對機組進行盤車，因汽輪機軸封密封蒸汽一直投用，汽輪機缸體溫度一直未降至85 ℃以下，導(dǎo)致盤車器過長時間運行，在盤車過程中干氣密封未出現(xiàn)明顯的異常，12月4日11點12分根據(jù)汽輪機缸體溫度情況停盤車器，此時低壓缸干氣密封出現(xiàn)了異常，缸體兩側(cè)一級密封氣泄漏量增大，從18.7增大到41.7 Nm3/h，已超過報警值，為進一步確認干氣密封泄漏情況，將低壓缸兩側(cè)一級密封泄漏出口管線法蘭拆開，管線中有較大泄漏氣體，確認低壓缸兩側(cè)干氣密封已出現(xiàn)了故障。

2.2 原因分析

異常出現(xiàn)后，將干氣密封運行參數(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）在機組運行時壓縮機低壓缸干氣密封各項指標運行正常。

（2）在機組停車時低壓缸兩側(cè)干氣密封在115 min內(nèi)無一級密封氣壓差。

（3）12月2日在6 h內(nèi)，低壓缸兩側(cè)干氣密封多次出現(xiàn)一級密封氣壓差過小。

（4）12月3日在10 h內(nèi)，低壓缸兩側(cè)干氣密封多次出現(xiàn)一級密封氣無壓差。

（5）汽輪機軸封密封氣于12月4日8點21分停運，之前一直投用。

（6）在盤車階段兩側(cè)干氣密封泄漏流量基本正常，其泄漏量指標均在指標范圍內(nèi)。

（7）在盤車階段低壓缸非聯(lián)軸器側(cè)干氣密封一級密封泄漏量逐漸增大，但未超標。

（8）機組停機后，壓縮機干氣密封一、二級密封氣未停，其氣源為系統(tǒng)氮氣。

（9）在停機階段因增壓泵故障，低壓缸干氣密封增壓單元無法投用。

（10）機組停車后盤車器運行長達67 h，停運后干氣密封一級泄漏量劇增。

（11）機組盤車器為渦輪蝸桿連續(xù)盤車裝置，其盤車轉(zhuǎn)速為18.4 r/min。

（12）壓縮機停車后低壓缸系統(tǒng)壓力從3.84 MPa泄壓至0.42 MPa用時85 min。

（13）拆卸低壓缸兩側(cè)一二級密封泄漏氣管線法蘭，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)一級泄漏氣管線泄漏很大，二級密封泄漏氣管線微漏。

（14）拆出干氣密封，其外筒表面粘著大量黑色顆粒及粉末。

可以確認低壓缸兩側(cè)一級密封已故障而產(chǎn)生泄漏，須對低壓缸干氣密封進行更換處理。

對干氣密封結(jié)構(gòu)分析，一級密封泄漏有4個通道［9］，如圖 4 所示。

圖4 干氣密封泄漏通道

拆出干氣密封外筒發(fā)現(xiàn)其表面粘著大量黑色顆粒及粉末，可以確認干氣密封已被污染，催化劑粉塵和顆粒已進入了干氣密封內(nèi)部，同時動靜環(huán)已磨損。

為進一步確認損壞部位，將干氣密封送往天津?qū)I(yè)廠進行拆檢，發(fā)現(xiàn)干氣密封嚴重污染，密封內(nèi)進入了大量的粉塵、顆粒，同時動靜環(huán)磨損嚴重、滑移直徑處密封圈損壞。

根據(jù)拆檢情況，經(jīng)分析后認為低壓缸干氣密封泄漏有2個通道：（1）動環(huán)和靜環(huán)磨損后，氣體從通道①泄漏；（2）滑移直徑處密封圈磨損及損壞后，氣體從通道④泄漏。

2.2.1 干氣密封被污染原因分析

因壓縮機在停車過程中低壓缸2臺增壓泵損壞，增壓單元無法投用，同時壓縮機停車后，低壓缸系統(tǒng)未及時快速泄壓，造成低壓缸缸體內(nèi)壓力大于一級密封氣壓力，據(jù)統(tǒng)計，低壓缸兩側(cè)干氣密封在115 min內(nèi)無一級密封氣壓差，導(dǎo)致缸內(nèi)工藝氣未經(jīng)過濾，通過梳齒密封直接進入干氣密封，因缸內(nèi)工藝氣含有一段爐、高低變爐和甲烷化爐催化劑粉末和顆粒，從而造成了干氣密封被污染。

二級密封氣是系統(tǒng)氮氣，該氮氣由裝置制氮單元生產(chǎn)，因吸附塔的吸附劑易破碎，3 μm以下的粉末顆粒通過過濾器進行干氣密封，對二級密封動靜環(huán)進行污染［10］。

2.2.2 動靜環(huán)磨損原因分析

干氣密封動靜環(huán)為一對摩擦副，在動環(huán)上刻有雙向燕尾形槽，其深度為2.5～10 μm，在機組停車狀態(tài)時，動靜環(huán)在彈簧力作用下貼合在一起，形成靜密封，當機組運行時， 氣體被吸入燕尾槽內(nèi)，吸入氣體隨槽截面形狀變化被壓縮而產(chǎn)生動壓力， 使動靜環(huán)之間密封面脫離接觸，形成一層氣膜，其厚度為 2～5 μm［11-13］。

當干氣密封被污染，即帶有催化劑粉塵和顆粒的工藝氣體進入動靜環(huán)密封面，因停車過程中壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動及停車后盤車器長時間運行，導(dǎo)致動靜環(huán)密封在顆粒作用下嚴重磨損，此外，盤車器轉(zhuǎn)速為18.4 r/min，在此轉(zhuǎn)速下動靜環(huán)密封面產(chǎn)生的動壓力不足于將動靜環(huán)推開，盤車器長時間運行造成動靜環(huán)密封面干摩擦而嚴重磨損［14-15］，動靜環(huán)密封面磨損導(dǎo)致干氣密封泄漏。

2.2.3 滑移直徑處密封圈損壞原因分析

干氣密封運行時，在一級密封氣壓力作用下滑移直徑處密封圈與推環(huán)外壁緊密貼合在一起，形成密封，同時滑移直徑處密封圈與推環(huán)之間存在軸向微滑動，確保靜環(huán)具備良好跟隨性，以實現(xiàn)動靜環(huán)之間具有良好的密封氣膜。在極大貼合力和軸向微滑動雙重作用下，滑移直徑處密封圈唇邊容易出現(xiàn)磨損，若干氣密封被污染，顆粒進入密封，推環(huán)表面及滑移直徑處密封圈會被加速磨損，顆粒卡澀滑移直徑處密封圈，極容易造成滑移直徑處密封圈損壞［16］。

從干氣密封拆檢情況看，推環(huán)表面（密封部位）磨損，滑移直徑處密封圈嚴重磨損，同時開裂如圖5所示，可以確定外來顆粒進入導(dǎo)致密封磨損及滑移直徑處密封圈開裂，造成了氣體從此通道泄漏，同時滑移直徑處密封圈被卡澀，導(dǎo)致靜環(huán)跟隨性下降，進一步加劇了干氣密封動靜環(huán)密封面的泄漏。

圖5 滑移直徑處密封圈損壞及推環(huán)磨損情況

3 對策

3.1 干氣密封送檢

因低壓缸兩側(cè)干氣密封出現(xiàn)了泄漏，更換備用干氣密封，將損壞密封送專業(yè)廠商進行拆檢，檢修情況如下：（1）一二級動環(huán)磨損，對環(huán)進行研磨、激光刻槽修復(fù)。（2）一級靜環(huán)嚴重磨損，對環(huán)進行更換處理。（3）二級靜環(huán)磨損，對環(huán)進行研磨、校準修復(fù)。（4）一級推環(huán)工作表面嚴重磨損，對環(huán)進行更換處理。（5）滑移直徑處密封圈開裂及磨損，對其進行更換處理

3.2 增壓泵送檢

低壓缸一級密封氣無壓差與增壓單元無法投用有直接關(guān)系，將2臺增壓泵送專業(yè)廠商進行修理，根據(jù)損壞情況，更換了密封包及磨損氣缸等配件。

3.3 管理措施

3.3.1 停機時及時開啟增壓泵

為防止停機時因增壓泵未及時啟動，導(dǎo)致一級密封氣壓力小于缸體壓力，干氣密封被缸體介質(zhì)所污染，機組停機時需及時啟動增壓泵。

（1）計劃性停機時，需先開增壓泵，然后停機。

（2）連鎖停機時，需在5 min內(nèi)開啟增壓泵。

3.3.2 壓縮機系統(tǒng)及時快速泄壓

為保證增壓泵及時停機，同時為防止因壓縮機缸體壓力過高，導(dǎo)致一級密封氣無壓力而干氣密封被污染，停機后要快速對壓縮機系統(tǒng)泄壓，保證氮氣壓力大于缸體工藝氣壓力。

3.3.3 及時停增壓泵

增壓泵壽命為1 000 h，為防止增壓泵過快損壞，在啟機階段，當壓縮機到達最低工作轉(zhuǎn)速時，要及時停增壓泵，在停機階段，當壓縮機系統(tǒng)壓力小于氮氣壓力時，要及時停泵［17］。

3.3.4 系統(tǒng)氮氣壓力要平穩(wěn)

裝置停車后要保證系統(tǒng)氮氣壓力平穩(wěn)，要避免因系統(tǒng)氮氣置換和吹掃造成氮氣壓力大幅度波動，從而造成一級密封氣無壓力而干氣密封被污染。

3.3.5 及時停盤車器，避免密封干磨損

因渦輪蝸桿盤車器盤車轉(zhuǎn)速低，盤車時動靜環(huán)未分開，所以停機后，要及時切斷軸封密封氣，使汽輪機缸體溫度盡快降下來，當缸體溫度下降至85 ℃時及時停盤車器，以避免盤車器長時間運行，導(dǎo)致動靜環(huán)磨損。

3.4 下一步措施

因制氮單元吸附劑易破碎，粉末顆粒污染二級密封，建議吸附塔更換質(zhì)量更可靠的吸附劑，提高氮氣品質(zhì)。

干氣密封更換后于2018年3月2日6點27分啟動合成氣壓縮機，低壓缸干氣密封故障消失，各項指標運行正常。

4 結(jié)論

（1）干氣密封動靜環(huán)磨損及滑移直徑處密封圈損壞是造成低壓缸一級密封泄漏流量異常的根本原因。

（2）在停車過程中，干氣密封因沒有壓力較高的干凈的一級密封氣保護而被機內(nèi)臟的工藝氣體污染，而污染造成干氣密封滑移直徑處密封圈卡滯，導(dǎo)致干氣密封靜止組件軸向沒有補償性和跟隨性，引起密封動靜環(huán)密封面打不開、形不成穩(wěn)定的氣膜；同時臟的固體顆粒等污染源進入動靜環(huán)密封面會造成密封面的磨損、甚至堵塞槽區(qū)。

（3）低壓缸增壓泵損壞導(dǎo)致機組停車時無一級密封壓差。

（4）增壓單元未投用，停車后壓縮機系統(tǒng)未快速泄壓，導(dǎo)致干氣密封嚴重污染。

（5）盤車器不宜長時間運行，否則干氣密封會因干摩擦而損壞。

（6）系統(tǒng)氮氣壓力大幅度波動，對干氣密封造成極大影響。

（7）為確保一級密封氣壓差，增壓泵要及時投用。

（8）制氮單元吸附劑質(zhì)量對干氣密封有很大影響。