富氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)典型故障及處理

潘從錦 趙新奎 阿不力克木·肉孜

（中國石油克拉瑪依石化分公司)

1 富氣壓縮機(jī)簡介

某石化公司催化裂化裝置富氣壓縮機(jī)是調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力，將分餾塔頂?shù)母粴鈮嚎s輸送至穩(wěn)定系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。富氣壓縮機(jī)由凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，為離心式二段壓縮機(jī)。一段壓縮后的富氣經(jīng)過中間冷卻器進(jìn)入油氣分離器，在分離了較重的C5以上烴類組分后進(jìn)入二段壓縮，然后再進(jìn)入吸收、解吸和穩(wěn)定系統(tǒng)。正常時(shí)，通過反應(yīng)壓力調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制反應(yīng)壓力的目的。離心式壓縮機(jī)運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定，維護(hù)工作量小，不需要備機(jī)，占地面積小，在石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。該裝置富氣壓縮機(jī)型號(hào)為2MCL-456。催化裂化富氣主要組分為H2、H2O、H2S、空氣、硫化物、C1～C2干氣和液化氣等。富氣含硫量達(dá)2000 μg/g，具有很強(qiáng)的腐蝕性和酸性。富氣壓縮機(jī)能否平穩(wěn)運(yùn)行，關(guān)系到催化裂化裝置的安全生產(chǎn)。富氣壓縮機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)故障頻率最高的部位是其密封系統(tǒng)，約占總故障率50%以上。富氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

催化裂化裝置富氣壓縮機(jī)選用約翰克蘭鼎銘密封 （天津）有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的TM02A型雙端面干氣密封系統(tǒng)。干氣密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 干氣密封的結(jié)構(gòu)

TM02A型干氣密封氣由前置緩沖氣、主密封氣和后置隔離氣組成。前置緩沖氣和主密封氣之間為O形輔助密封圈，前置緩沖氣和工藝氣之間為迷宮式密封結(jié)構(gòu)。高壓端和低壓端靠近工藝氣側(cè)的迷宮密封上開孔，通過平衡管來平衡兩端迷宮密封后的氣體壓力。高壓端為二段壓縮工藝氣入口，低壓端為一段壓縮工藝氣入口。主密封氣和前置氣經(jīng)過干氣密封后，進(jìn)入壓縮機(jī)缸體入口與富氣混合后進(jìn)行壓縮，其流量不會(huì)對(duì)富氣性質(zhì)引起大的改變。后置隔離氣和主密封之間為迷宮式密封結(jié)構(gòu)。2.0 MPa中壓氮?dú)鉃榉€(wěn)定的干氣源，先經(jīng)過自力式減壓閥減壓為0.6 MPa，再通過精度為5 μm的一級(jí)粗過濾器和精度為3 μm的二級(jí)精過濾器。之后分兩路，一路為主密封氣，另一路經(jīng)過限流孔板減壓為前置緩沖氣。后置隔離氣為凈化儀表風(fēng)，在進(jìn)入干氣密封之前，采用精度為5 μm的過濾器過濾，由減壓閥從0.45 MPa減壓為0.3 MPa。干氣密封系統(tǒng)在ESD上的主要運(yùn)行監(jiān)控參數(shù)為主密封氣的流量、主密封氣和前置氣壓差以及過濾器壓差。主密封氣和前置緩沖氣壓差達(dá)到100 kPa時(shí)報(bào)警，50 kPa設(shè)置停機(jī)聯(lián)鎖。干氣密封的控制系統(tǒng)見圖2。

3 干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行中的典型故障和處理

3.1 潤滑油進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)及密封面磨損

富氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)投入運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)密封氣流量逐漸增大，最大時(shí)達(dá)到4.0 Nm3/h，前后端軸承箱潤滑油供油壓力從0.12 MPa上升到0.27 MPa，接近后置隔離氣壓力。拆檢干氣密封系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，潤滑油進(jìn)入了密封腔，密封面出現(xiàn)磨損劃痕。進(jìn)一步拆檢軸承箱，檢查軸承和潤滑油回路，發(fā)現(xiàn)軸承完好，軸瓦潤滑油回油孔徑較小，軸瓦潤滑油回路不通暢，導(dǎo)致回油腔液位高，支路油壓偏高，后置隔離氣不能完全密封潤滑油，少量潤滑油通過迷宮密封漫入高低壓端干氣密封系統(tǒng)，形成滯留積液，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致密封面磨損。 對(duì)軸瓦回油孔擴(kuò)徑處理后，干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行正常，主密封氣流量為0.3～1.0 Nm3/h，軸瓦潤滑油壓力為0.20 MPa，處于合理范圍。

圖2 干氣密封的控制系統(tǒng)

3.2 雜質(zhì)進(jìn)入密封系統(tǒng)及動(dòng)靜環(huán)輔助密封圈失效

2009年5月，富氣壓縮機(jī)大檢修后投入運(yùn)行，高壓端主密封氮?dú)饬髁浚‵I302）為0.8 Nm3/h，并在數(shù)天內(nèi)上升到1.0 Nm3/h，其后流量上升趨勢明顯減緩，但總體仍然呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢。8月12日氮?dú)饬髁浚‵I302）上升到1.4 Nm3/h，8月12日裝置意外停工，富氣壓縮機(jī)重新開機(jī)正常后，氮?dú)饬髁恐苯由叩?.8 Nm3/h， 8月24日達(dá)到3.4 Nm3/h，9月底氮?dú)饬髁可仙?.0 Nm3/h以上。高壓端主密封氮?dú)饬髁浚‵I302）趨勢如圖3所示。

圖3 高壓端主密封氮?dú)饬髁口厔?/p>

2009年10月2日，富氣壓縮機(jī)被迫停機(jī)檢修干氣密封系統(tǒng)。停機(jī)后高壓端氮?dú)饷芊饬髁吭陟o壓狀態(tài)下仍然保持在4.0 Nm3/h。氮?dú)饬髁吭谡ＭC(jī)情況下應(yīng)該回零。但停機(jī)后氮?dú)馊杂辛髁?，這說明氮?dú)饷芊鈨?nèi)部靜密封點(diǎn)已經(jīng)損壞，所以其在運(yùn)行狀態(tài)下氮?dú)饬髁繒?huì)持續(xù)上升。技術(shù)人員分析造成這種現(xiàn)象的原因，除了安裝方面的因素外，主要是可能有雜質(zhì)進(jìn)入密封面，隨著機(jī)組的運(yùn)行，雜質(zhì)使密封面的損壞逐漸增加；其次也有可能隔離氣未能完全隔離油氣，使得油氣逐漸滲透到密封體，造成流量上升。拆檢氮?dú)饷芊饪吹?，O形密封圈已經(jīng)損壞得相當(dāng)嚴(yán)重，干氣密封的兩級(jí)進(jìn)口過濾器濾芯中雜質(zhì)較多，動(dòng)靜環(huán)密封面存在明顯磨損。更換新的干氣密封系統(tǒng)后，靜壓狀態(tài)下干氣密封氮?dú)饬髁刻幱?“0”的狀態(tài)，即氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)正常。

密封生產(chǎn)廠商技術(shù)人員分析， O形密封圈從擠壓特性、溫度、工作壓力以及抗吸氣能力幾個(gè)方面均滿足壓力要求，選擇氟橡膠做輔助密封圈的材料較為合適，不存在材質(zhì)選擇不合理的問題。為防止此類現(xiàn)象再次發(fā)生，制定了以下措施： （1）安裝人員在干氣密封的安裝過程中要清洗所有進(jìn)氣管路及機(jī)殼上進(jìn)出氣孔，檢查是否有粘附物和劃痕，特別是要檢查與靜密封O形圈配合的部位是否有缺陷，必要時(shí)要進(jìn)行修理修整，并在密封的有關(guān)部位均勻地涂上一層薄潤滑脂；安裝干氣密封時(shí)須用專用潤滑脂和防咬合劑，降低因安裝失誤導(dǎo)致密封損壞的風(fēng)險(xiǎn)。 （2）定期切換使用兩級(jí)氮?dú)膺^濾器，并檢查濾芯是否帶液，及時(shí)切液；要檢查濾芯內(nèi)是否有雜質(zhì)存在，要及時(shí)更換濾芯。 （3）每半年定期更換兩級(jí)氮?dú)膺^濾器和隔離氣過濾器。 （4）壓縮機(jī)潤滑油運(yùn)行前至少投用后置隔離氣10 min，停機(jī)后保持潤滑油運(yùn)行10 min，然后方可停止后置隔離氣。

3.3 工藝氣結(jié)垢腐蝕，堵塞干氣密封腔

2013年3月1日至2013年5月下旬，干氣密封的主密封氣壓力維持在0.6 MPa，沒有發(fā)生變化，而前置緩沖氣壓力從170 kPa逐步上升到350 kPa。主密封氣流量FI302從0.5 Nm3/h上升到了2.2 Nm3/h，流量趨勢見圖4；主密封氣與前置緩沖氣壓差PD201從415 kPa逐步下降到了245 kPa，流量趨勢如圖5所示。此運(yùn)行階段，由于密封氣差壓下降趨勢明顯，存在富氣壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，于是決定2013年5月21日停機(jī)檢修干氣密封系統(tǒng)。拆檢發(fā)現(xiàn)，高壓端干氣密封體沒有油漬，轉(zhuǎn)動(dòng)磨損痕跡明顯。于是，更換了高壓端的干氣密封。低壓端密封面雖有微量的磨損，但沒有進(jìn)行更換處理。密封體外殼和密封面上分布有大量的深棕色灰塵狀物質(zhì)，壓縮機(jī)二段入口干氣密封腔體處存在明顯的腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢物呈現(xiàn)深棕色，數(shù)量較多，汽封環(huán)上的排氣孔堵塞嚴(yán)重，維修人員進(jìn)行了疏通清理。經(jīng)化驗(yàn)分析，深棕色灰塵狀物質(zhì)為單質(zhì)硫，結(jié)垢物的主要成分為硫化物。

圖4 高壓端主密封氮?dú)饬髁口厔?/p>

圖5 主密封氣和前置緩沖氣差壓趨勢

催化裂化裝置原料中的硫化物主要包括硫醇、硫醚和噻吩，在催化裂化反應(yīng)中約40%的硫化物轉(zhuǎn)化為H2S。動(dòng)力車間的制氮機(jī)隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，氮?dú)庵醒鹾恐鸩缴仙?，加之富氣中本來就含有空氣組分，這樣富氣壓縮機(jī)入口就處于富含H2S和O2的狀態(tài)，在干氣密封腔體處流速較低，有充足的反應(yīng)時(shí)間，此處便發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生單質(zhì)硫，反應(yīng)方程式如下所示：

單質(zhì)硫和富氣中的硫化物在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)不斷產(chǎn)生和沉淀，逐漸進(jìn)入并堵塞干氣密封的密封腔，并使得平衡管入口的干氣密封腔體排氣孔不通暢，造成堵塞，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。此時(shí)高壓端的二段入口由于干氣密封腔體處密封效果差，泄漏的富氣壓力逐漸升高，前置緩沖氣受此壓力影響，背壓升高，緩沖氣壓力升高，導(dǎo)致主密封氣和前置緩沖氣壓差不斷降低。干氣密封腔體處富氣流量的增加，出現(xiàn)富氣向緩沖氣返混的現(xiàn)象，形成的單質(zhì)硫和硫化物向干氣密封系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，顆粒較小的單質(zhì)硫逐步分布到了密封體外殼和密封面上，因此造成了密封面的磨損，主密封氣流量隨運(yùn)行時(shí)間逐漸增大。

二段入口和一段入口之間通過下平衡管來平衡高、低壓端之間的軸向力。高壓端通過迷宮密封泄漏的富氣和高壓端干氣密封泄漏的氮?dú)庖约案邏憾司彌_氣一起通過上平衡管進(jìn)入壓縮機(jī)低壓端，再通過低壓端迷宮密封進(jìn)入低壓端入口，并在此與入口富氣混合進(jìn)行壓縮。在實(shí)際運(yùn)行中，由于富氣軸封效果差，泄漏量大，導(dǎo)致緩沖氣背壓升高。緩沖氣壓力升高，上平衡管兩側(cè)的壓力均在0.32 MPa左右，而緩沖氣壓力為0.35 MPa左右，這就是主密封氣和前置緩沖氣壓差減小的原因所在。

為減少富氣對(duì)機(jī)體側(cè)干氣密封腔體的腐蝕和單質(zhì)硫的產(chǎn)生，機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)加強(qiáng)一段入口分液罐的切液和中間分液罐的切液，保證進(jìn)入機(jī)組的氣體不含液相。要使氮?dú)庀到y(tǒng)盡可能分離過濾氮?dú)庵械乃趾陀头?，提高過濾精度。適當(dāng)?shù)靥岣咧髅芊鈿鉁囟龋梢允姑芊鈿庵械哪簹饣?，降低或避免凝液的產(chǎn)生。操作實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高高壓端和低壓端入口富氣的溫度，可以減少單質(zhì)硫的產(chǎn)生，減少硫化物在干氣密封腔體處的結(jié)垢和腐蝕。二段入口溫度從50℃提高到60℃，高壓端緩沖氣壓力上升速度放緩，甚至出現(xiàn)長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行，主密封氣和緩沖氣壓差穩(wěn)定。通過以上措施的實(shí)施，目前富氣壓縮機(jī)密封氣壓差已穩(wěn)定在200～240 kPa范圍，高壓端氮?dú)饬髁恳卜€(wěn)定在合理范圍內(nèi)，運(yùn)行平穩(wěn)。

4 建議和結(jié)論

檢查發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)下平衡管壓力為0.05 MPa，而上平衡管壓力為0.35 MPa。由此判斷，二段入口干氣密封腔體泄漏嚴(yán)重和排氣孔堵塞是造成上平衡管壓力升高的原因所在。上平衡管因?yàn)橐?jīng)過壓縮機(jī)一段入口的氣封，排氣孔徑小，流量較小，因此無法有效平衡壓力。建議在上平衡管和下平衡管之間增加一條跨線，即將上下平衡管連通，起到降低緩沖氣背壓的作用，從而降低緩沖氣壓力，提高主密封氣與緩沖氣壓差，進(jìn)而減小壓縮機(jī)因壓差低而聯(lián)鎖停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

目前應(yīng)用于富氣壓縮機(jī)的干氣密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)日趨完善。在實(shí)際應(yīng)用中，往往是由于技術(shù)人員的安裝技術(shù)、操作條件問題以及運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致了故障的發(fā)生。要使干氣密封系統(tǒng)安全可靠地長周期運(yùn)行，就必須為干氣密封提供一個(gè)干燥、潔凈、穩(wěn)定的環(huán)境，提供純凈的主密封氣、前置緩沖氣和隔離氣以及適宜的工作溫度和壓力，保證軸封上的輔助干氣密封腔體有效密封，防止工藝氣對(duì)干氣密封系統(tǒng)的污染。