喬松濤，侯 超，張雪成，喬慧霞，陸 君，李世偉

(中國石油化工股份有限公司中原油田分公司，河南 濮陽 457000)

某儲氣庫有14臺高壓大排量壓縮機(jī)組，均為兩級六列壓縮工藝，是站場核心動力設(shè)備；其主要作用是將天然氣壓力由5～8 MPa提升至17～34.5 MPa；通過工藝流程由氣井注入地下儲氣庫，設(shè)計排量150×104m3/d，儲氣庫注氣壓縮機(jī)數(shù)量見表1。

表1 儲氣庫注氣壓縮機(jī)組

14臺壓縮機(jī)組均是往復(fù)式二級壓縮，其中，一級壓縮將上游天然氣壓力由5～8 MPa提升至17 MPa，二級壓縮將壓力提升至最高34.5 MPa。壓縮機(jī)組填料位置見圖1。

圖1 壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

填料的主要作用是防止氣缸內(nèi)的高壓氣體沿活塞桿方向外泄。儲氣庫壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，機(jī)組各處均出現(xiàn)了滲油漏氣的情況，通過細(xì)致的分析排查，最終確定是密封填料泄漏引起。

現(xiàn)場分析驗(yàn)證顯示，機(jī)組低壓填料密封效果較好，高壓填料隨著運(yùn)行時間的不斷增長，泄漏量逐步增大。首先表現(xiàn)在中體邊蓋逐步出現(xiàn)了滲油、漏氣、甚至刺漏的情況，大量天然氣滲漏到中體、曲軸箱內(nèi)，中體排放系統(tǒng)和漏氣放空系統(tǒng)無法及時排放，中體排污上返污油。同時，壓縮機(jī)房頂放空管線不停地噴油噴氣。打開壓縮機(jī)曲軸箱呼吸閥能夠檢測到天然氣，可燃?xì)鈭缶瘍x檢測值100% LEL，在最嚴(yán)重的情況下壓縮機(jī)房內(nèi)可燃?xì)怏w報警儀檢測到報警，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行及整個站場安全。

儲氣庫壓縮機(jī)屬于高壓大排量壓縮機(jī)，密封填料在一級低壓工況下密封效果較好，在二級高壓工況下泄漏較為嚴(yán)重。壓縮機(jī)組是儲氣庫的核心設(shè)備，能否平穩(wěn)運(yùn)行關(guān)系到整個儲氣庫作用的發(fā)揮和安全，因此,高壓填料泄漏問題亟待解決。

1 壓縮機(jī)填料泄漏問題研究

1.1 壓縮機(jī)密封填料結(jié)構(gòu)原理研究

往復(fù)式壓縮機(jī)填料由填料盒和密封環(huán)組成，它是壓縮機(jī)中最重要的零部件之一，也是壓縮機(jī)最主要的外泄漏途徑之一。填料密封環(huán)安裝在填料盒內(nèi)，填料盒固定安裝在氣缸軸側(cè)，如圖2和圖3 所示。機(jī)組運(yùn)行時，活塞桿在填料盒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動。此時，填料環(huán)組抱緊在活塞桿上，利用其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式及密封原理來降低或減免氣缸內(nèi)的高壓氣沿活塞桿方向的泄漏。填料密封壓力從真空到所需工作壓力，根據(jù)需要可以設(shè)置潤滑、冷卻、保護(hù)氣和漏氣回收。

圖2 壓縮機(jī)填料位置示意

圖3 壓縮機(jī)填料結(jié)構(gòu)示意

填料盒內(nèi)分幾組填料組合，每組填料由不同類型的填料環(huán)組合而成，共同達(dá)到組合效果。填料環(huán)按功能分為3種，如圖4所示。一是密封環(huán)，起密封作用；二是阻流環(huán)，用于高溫高壓的場合，防止非金屬密封環(huán)產(chǎn)生蠕變；三是減壓環(huán)，其作用是通過阻流達(dá)到減壓的目的，降低因進(jìn)、排氣壓力波動對填料環(huán)造成的沖擊負(fù)荷，過濾掉體積較大的固體狀或顆粒狀的雜質(zhì)，避免其進(jìn)入填料盒內(nèi)【1】。

圖4 3種壓縮機(jī)填料環(huán)

密封環(huán)之間用銷/孔結(jié)構(gòu)固定相對位置，一個環(huán)的切口間隙由另一個環(huán)覆蓋，封閉了泄漏路徑。氣體從軸向間隙和徑向間隙進(jìn)入填料盒的杯槽內(nèi)，氣體壓力使填料環(huán)分別與活塞桿表面及杯槽端面形成密封。

填料環(huán)組按作用不同又分為單作用和雙作用環(huán)組。單作用填料環(huán)組一般由一個徑向環(huán)和一個切向環(huán)組成，安裝時徑向環(huán)必須置于高壓側(cè)。雙作用填料環(huán)組一般由兩個切向環(huán)組成，應(yīng)用于低壓工況【2】。

壓縮機(jī)組所使用的填料盒及內(nèi)部填料環(huán)組合如圖5所示，其組成部件有：填料盒總成、杯槽、節(jié)流環(huán)、主密封環(huán)(單作用)、漏氣密封環(huán)(雙作用)；高、低壓注油通道、漏氣廢油排放通道、氮?dú)饷芊馔ǖ?、填料溫度監(jiān)測通道。各級填料環(huán)組共同作用，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組防止氣缸中的高壓氣體沿著活塞桿方向泄漏。

圖5 壓縮機(jī)填料盒示意

1.2 壓縮機(jī)密封填料泄漏原因分析與處理

通過現(xiàn)場分析驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，低壓填料密封效果較好，高壓填料隨著運(yùn)行時間的不斷增長，泄漏量逐步增大。按照填料設(shè)計廠家的說明，密封填料壽命應(yīng)能達(dá)到8 000 h，而現(xiàn)場僅運(yùn)行1 400 h就已無法起到應(yīng)有的密封效果，漏氣非常嚴(yán)重。

1.2.1 填料和內(nèi)部各組密封環(huán)密封效果研究

通過試驗(yàn)測試，并結(jié)合壓縮機(jī)專業(yè)密封填料公司試驗(yàn)和實(shí)踐數(shù)據(jù)可知，填料盒內(nèi)各組密封環(huán)密封效果通常有3種情況。

第一種：5%的概率，即第1組填料環(huán)密封效果很好，第1組就達(dá)到密封目的；

第二種：25%～30%的概率，即第1組密封達(dá)到進(jìn)氣壓力，其余中間各組填料環(huán)都有一定效果，最后1組填料環(huán)達(dá)到密封目的，但是中間各組密封效果無法確定；

第三種：70%左右的概率，即第1組和最后1組起到主要密封作用，中間各級填料環(huán)密封作用很小。

壓縮機(jī)在每次啟機(jī)或運(yùn)行過程中，各填料盒都有可能出現(xiàn)上述3種情況中的任何一種，具有不確定性，而在任何一種情況下，一旦起密封作用的密封環(huán)失效，就會發(fā)生漏氣現(xiàn)象。

1.2.2 第一次填料泄漏原因分析與處理

針對泄漏情況，拆解發(fā)現(xiàn)填料盒內(nèi)潤滑油量充足，但前2～3組主密封填料發(fā)生破碎。其中PEEK材質(zhì)的密封環(huán)以及束縛三瓣式填料環(huán)的彈簧均發(fā)生破碎，如圖6所示。

圖6 壓縮機(jī)填料環(huán)及彈簧破碎

填料破碎后，在氣缸活塞往復(fù)運(yùn)動過程中，填料伴隨外端壓力變化左右運(yùn)動，從而導(dǎo)致進(jìn)一步磨損的發(fā)生。

拆解一級低壓填料盒，發(fā)現(xiàn)填料密封環(huán)和彈簧完好，未有磨損痕跡，說明潤滑情況良好。填料每天的注油量為1 479 mL/d，潤滑油量符合設(shè)計和現(xiàn)場工況要求。

將一級與二級填料工況進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)二級填料盒工況主要是壓力發(fā)生了變化，一級填料承受的最高壓力是17 MPa，二級填料承受的最高壓力是34.5 MPa。在較高壓力工況下，填料盒內(nèi)發(fā)生了異常情況。

三瓣式填料環(huán)依靠束縛彈簧形成環(huán)形(如圖7 所示)，套在活塞桿上起密封作用，該密封填料的彈簧直徑僅為0.5 mm，主密封環(huán)對活塞桿的初始比壓為0.04 N/m2。結(jié)合填料環(huán)破碎狀態(tài)和彈簧破損情況分析，認(rèn)為高壓工況下，由于填料環(huán)束縛彈簧強(qiáng)度偏小，預(yù)緊力不夠，導(dǎo)致運(yùn)動過程中彈簧脫離，三瓣式填料環(huán)散開，在盒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動的沖擊力作用下發(fā)生破碎，從而導(dǎo)致密封失效。

圖7 壓縮機(jī)填料環(huán)與束縛彈簧組合

依據(jù)分析結(jié)果，決定采用具有兩倍彈簧力的新彈簧，以使密封環(huán)對活塞桿的初始比壓可以達(dá)到 0.08 N/m2。將損壞的填料環(huán)更換，與新彈簧組裝后安裝在填料盒內(nèi)。試運(yùn)行顯示，在前200 h內(nèi)密封效果較好，200 h后泄漏量逐漸增大，但還未達(dá)到之前的嚴(yán)重程度。為了及時發(fā)現(xiàn)了解填料的狀態(tài)，決定停機(jī)檢查。

1.2.3 第二次填料泄漏原因分析與處理

通過第二次拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)填料盒內(nèi)前2～3組主密封填料又發(fā)生破碎。其中，PEEK材質(zhì)的密封環(huán)發(fā)生破碎，束縛三瓣式填料環(huán)的彈簧發(fā)生斷裂。這一現(xiàn)象證明，第一次的分析并未找到主因，還需進(jìn)行更深入的分析。

本次研究分析重點(diǎn)主要是兩個方面：1)所更換的新彈簧束縛預(yù)緊力是否仍然不足；2)是否為密封環(huán)本身問題，導(dǎo)致其在高壓工況下發(fā)生斷裂。

考慮到彈簧已經(jīng)更換過1次，暫且認(rèn)為彈簧沒有問題，而是填料環(huán)發(fā)生破碎后導(dǎo)致彈簧被磨斷。

重點(diǎn)對每次破碎的密封環(huán)片進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)填料本身磨損較小，斷裂的填料環(huán)都發(fā)生在高壓端前2～3組主密封填料環(huán)(如圖8所示)，且斷裂位置均發(fā)生在同一位置，即環(huán)組中切向環(huán)的切口尖角處。

圖8 壓縮機(jī)三瓣式填料環(huán)斷裂處

壓縮機(jī)設(shè)計壓力34.5 MPa,屬于大功率、高轉(zhuǎn)速、高壓力機(jī)型,對于填料密封件來說是高難工況,專業(yè)填料廠家在設(shè)計時選用了耐高壓、耐高溫的PEEK材質(zhì)。

PEEK(聚醚醚酮，poly-ether-ether-ketone)是一類半結(jié)晶高分子材料，具有耐高溫、耐化學(xué)藥品腐蝕等性能，熔點(diǎn)334 ℃，軟化點(diǎn)168 ℃。在這種材料中加入玻璃纖維，就形成了強(qiáng)度非常高的增強(qiáng)型PEEK，但其缺點(diǎn)是較脆。

研究三瓣環(huán)的結(jié)構(gòu)形式,發(fā)現(xiàn)在環(huán)的直角切口處易形成應(yīng)力集中薄弱點(diǎn),可能經(jīng)過一段時間的運(yùn)行,會在高壓載荷的連續(xù)沖擊下發(fā)生斷裂,使得填料泄漏量逐漸增大。

為了解決環(huán)的應(yīng)力集中問題，將主密封環(huán)組中的PEEK材質(zhì)環(huán)由原來的三瓣切向環(huán)形式改為加工難度大但消除了應(yīng)力集中點(diǎn)的六瓣式填料環(huán)(如圖9所示)，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生斷裂。

圖9 三瓣式填料環(huán)改為六瓣式填料環(huán)

首先選擇注采站7號壓縮機(jī)對新的六瓣式填料環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，更換了二級中體及尾桿填料。在試運(yùn)近300 h后發(fā)現(xiàn)漏氣量逐漸增大，經(jīng)商討決定停機(jī)拆卸檢查。到拆卸時共運(yùn)行317 h。

拆解填料盒發(fā)現(xiàn)，彈簧完好，所使用的六瓣式填料環(huán)均發(fā)生了斷裂，斷裂基本發(fā)生在六瓣環(huán)的最外環(huán)，未潰散，還是成一個環(huán)形的整體，如圖10所示。

圖10 六瓣式填料環(huán)最外側(cè)環(huán)瓣破碎

1.2.4 第三次填料泄漏原因分析與處理

針對新采用的六瓣式填料環(huán)斷裂基本發(fā)生在六瓣環(huán)的3個外環(huán)瓣的情況，分析認(rèn)為，是因外環(huán)所承受的載荷較大，需提高其強(qiáng)度與韌性。

通過研究對比各材料屬性，決定將3個外環(huán)瓣改用金屬材料，結(jié)合以往金屬密封環(huán)材質(zhì)的使用經(jīng)驗(yàn)，最終選用銅金屬材質(zhì)，如圖11所示。

圖11 六瓣式PEEK材質(zhì)改為六瓣式PEEK+金屬材質(zhì)

繼續(xù)選擇某儲氣庫注采站7號壓縮機(jī)機(jī)組對新的六瓣環(huán)形式PEEK+金屬填料環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，更換了二級中體及尾桿填料。更換完畢后試運(yùn)行，初期泄漏情況較好，運(yùn)行近700 h時，泄漏量逐漸增大。

1.2.5 第四次填料泄漏原因分析與處理

第四次拆卸二級高壓填料盒檢查內(nèi)部情況發(fā)現(xiàn)，填料盒內(nèi)前2～3組主密封填料PEEK材料的環(huán)瓣又發(fā)生破碎,而銅材質(zhì)的環(huán)瓣沒有問題，主要表現(xiàn)為PEEK材質(zhì)的環(huán)瓣發(fā)生破裂，彈簧發(fā)生破碎。

建立填料環(huán)仿真模型，利用有限元分析軟件ANSYS分別對六瓣環(huán)的動態(tài)載荷能力、PEEK材質(zhì)的極限性能進(jìn)行分析，仿真分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 六瓣式填料環(huán)載荷仿真分析

根據(jù)填料的密封原理，氣缸內(nèi)氣體壓力在前兩組密封填料的減壓作用下將衰減到進(jìn)氣壓力與排氣壓力之間，實(shí)際略高于氣缸工作的進(jìn)氣壓力。發(fā)生破碎時的工況為：一級進(jìn)氣壓力6.655 MPa、進(jìn)氣溫度19.2 ℃；一級排氣壓力15.025 MPa、排氣溫度91.6 ℃；二級排氣壓力24.775 MPa、排氣溫度 99.9 ℃，排氣量150×104m3/d。

建立填料環(huán)仿真模型，分析極限工況下填料環(huán)的載荷情況。假設(shè)前兩組減壓環(huán)減壓功能失效，并且完全由第一組主密封環(huán)承受所有密封壓力，即在填料環(huán)加載30 MPa密封壓力，環(huán)片所受最大應(yīng)力為 22 MPa。該應(yīng)力仍處于一個正常的材料動態(tài)載荷極限內(nèi)，沒有超過PEEK環(huán)材料的破壞極限。將分析結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際斷裂處不是發(fā)生在載荷應(yīng)力最大的位置，而是較小位置。

以上分析說明，本次環(huán)片破碎與密封環(huán)形式及材質(zhì)沒有關(guān)系，而是由其他原因引起的。

進(jìn)一步細(xì)致查看填料盒及內(nèi)部各密封環(huán)組情況發(fā)現(xiàn)，之前只是判斷潤滑油量充足，并未考慮潤滑油量過多造成的影響，而從各環(huán)面的潤滑油分布狀態(tài)來看，潤滑油量有偏多的跡象，如圖13所示。

圖13 各填料環(huán)表面潤滑油偏多

首先將二級填料的工況條件與一級填料工況進(jìn)行全面對比，發(fā)現(xiàn)其不同點(diǎn)在注油點(diǎn)和注油量上。低壓填料只有1個注油點(diǎn)，注油量為1 479 mL/d；而高壓填料設(shè)有高、低壓兩個注油點(diǎn)，高壓點(diǎn)注油量為1 420 mL/d，低壓點(diǎn)注油量為946 mL/d。

二級填料所用的油品為美孚超級氣缸油，ISO粘度等級460，粘度指數(shù)95，在40 ℃時，運(yùn)動粘度在414～506 mm2/s范圍內(nèi)，粘度非常大。這樣，注油量偏多后就會在填料盒內(nèi)部發(fā)生粘滯現(xiàn)象，即2個光滑面中間有油時，2個環(huán)面受到粘力，導(dǎo)致活塞往復(fù)運(yùn)動時在環(huán)片軸向產(chǎn)生很高的沖擊速度。同時當(dāng)2個環(huán)面不平行且相對運(yùn)動時，2個環(huán)面之間的油膜會產(chǎn)生壓力變化，該壓力作用在環(huán)瓣上，增加了填料環(huán)瓣載荷，使填料環(huán)有爆裂的趨勢。

因潤滑油粘滯而產(chǎn)生的密封環(huán)爆裂現(xiàn)象主要由潤滑油過多引起，需在保證填料盒內(nèi)充分潤滑的情況下減少潤滑油量。

二級填料盒共有2個，1個在氣缸中體端，另1個在尾桿端。填料盒由2組減壓環(huán)、5組主密封環(huán)和2組雙作用密封環(huán)組成。

高壓填料通過2個注油點(diǎn)給填料供油，其中高壓注油點(diǎn)位于第1組主密封填料環(huán)后面，低壓注油點(diǎn)位于第3組主密封填料環(huán)后面。

通過對填料盒內(nèi)部潤滑油分布特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，填料高壓注油點(diǎn)潤滑油在活塞桿運(yùn)動和天然氣流通作用下可以分布到各填料環(huán)組上；此外，因注油系統(tǒng)斷流報警問題，曾開展過低壓注油點(diǎn)停注試驗(yàn)，試運(yùn)行結(jié)果顯示，低壓注油點(diǎn)停注后仍能夠保證填料盒內(nèi)的潤滑，所以決定取消低壓注油點(diǎn)。

本次拆卸填料還發(fā)現(xiàn)彈簧發(fā)生了破碎，針對此種情況，決定采用束縛性更好的實(shí)心彈簧取代普通彈簧，如圖14所示。

圖14 填料所用的實(shí)心彈簧

按照最新的整改方案進(jìn)行更換和回裝，準(zhǔn)備進(jìn)行試運(yùn)行。剛開機(jī)運(yùn)行不久，就發(fā)現(xiàn)漏氣較嚴(yán)重，隨即停機(jī)拆卸檢查。

拆解發(fā)現(xiàn)填料環(huán)組沒有問題。進(jìn)一步深入分析判斷，認(rèn)為可能是活塞桿與密封環(huán)組配合不夠好，遂對活塞桿的狀況進(jìn)行檢查，主要檢查了活塞桿的粗糙度、每段的外圓度和活塞桿硬度。

通過測量發(fā)現(xiàn)，活塞桿的粗糙度、外圓度均超標(biāo)，說明在前幾次填料破碎等非正常工況下工作，已經(jīng)使活塞桿受損，舊活塞桿無法與密封環(huán)緊密配合，因此決定更換新的活塞桿。測試結(jié)果顯示，活塞桿硬度維持在HR50左右，考慮到活塞桿有可能因硬度不足而易受磨損，決定對新活塞桿進(jìn)行碳化鎢處理，將硬度提高至HR65級別。

更換新活塞桿后進(jìn)行試運(yùn)，泄漏情況已經(jīng)大幅降低，現(xiàn)場工況滿足安全要求。

2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

針對填料漏氣問題進(jìn)行多次分析、多次現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，并針對出現(xiàn)的新問題不斷進(jìn)行整改，目前最終解決方案已經(jīng)實(shí)施。由于漏氣放空管線上無計量裝置，因此，通過中體起壓情況來判斷漏氣量大小。

中體在正常情況下是常壓狀態(tài)，內(nèi)部連接有放空管線和污油排污管線。當(dāng)氣缸的密封填料盒漏氣時，氣體就會竄入中體，若漏氣量大，放空管線排放不及，中體就會起壓。在漏氣最嚴(yán)重的時候，中體起壓0.15 MPa。目前使用最終密封填料方案的情況下，中體未起壓，密封效果良好。