天然氣管道壓縮機(jī)干氣密封污染原因及改進(jìn)

陳傳佳

（中國石油西部管道公司，新疆烏魯木齊 830011）

0 引言

干氣密封因其壽命長、能耗低、操作簡單、能適應(yīng)高溫高壓、被密封流體不受油污染等特點(diǎn)，在長輸天然氣管道壓縮機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。但管道壓縮機(jī)因輸送介質(zhì)來源復(fù)雜、帶液、壓力高等因素，易造成干氣密封受到污染而失效。以西氣東輸二線Nuovo Pignone 公司PCL800 系列離心壓縮機(jī)配套博格曼PDGS10/200 型干氣密封為例，分析干氣密封污染原因，提出相應(yīng)解決措施。

1 博格曼干氣密封結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)

PDGS10/200 型干氣密封為集裝式串聯(lián)密封，與普通平衡型機(jī)械密封相似，由靜環(huán)和動環(huán)組成，摩擦副為硬對硬配對。動環(huán)為單向V 形槽，采用纏繞彈簧定心，扭矩傳遞方式為摩擦力，材料采用碳化硅或氮化碳，只能單向轉(zhuǎn)動；靜環(huán)由彈簧加載，端面材料采用碳化硅+金剛砂涂層，高硬度金剛砂涂層增強(qiáng)了端面耐化學(xué)和磨損性能，并能彌補(bǔ)硬對硬摩擦副自潤滑性能方面的不足，增加了配合端面的使用壽命。干氣密封在正常工作時，由于動環(huán)端面單向V 形槽（深度一般為幾微米）存在，周圍氣體會因粘性沿槽形向中心泵送，遇到密封壩處阻礙，氣體壓縮、壓力升高，推開密封面，從而形成3～5 μm 氣膜間隙，使干氣密封運(yùn)行時，動、靜環(huán)始終處于非接觸狀態(tài)并且微動。維持動、靜環(huán)間形成穩(wěn)定的剛性氣膜是干氣密封正常運(yùn)行的必要條件。

2 管道壓縮機(jī)干氣密封的污染物

2.1 顆粒污染

管道壓縮機(jī)干氣密封密封氣的顆粒污染來源于5 個方面：①濾芯質(zhì)量差、精度不夠、破損后沒有被發(fā)現(xiàn)；②濾芯安裝時與配管的密封元件受損形成短路；③充壓時壓縮腔體工藝氣反竄至密封腔；④上游站場或工藝區(qū)波動，密封氣處理系統(tǒng)來不及處理或效果變差，如濾芯堵塞、淹沒、擊穿等；⑤系統(tǒng)新投產(chǎn)或長時間停用自然生銹、系統(tǒng)改造時等（圖1）。

2.2 液體污染

液體污染主要指管網(wǎng)帶水或帶入其他液體，如凝析油。在冬季，特別是西部寒冷地區(qū)，凝析油的產(chǎn)生及其對干氣密封的影響尤其應(yīng)引起重視。管輸壓縮機(jī)組通常安裝在沒有設(shè)置暖氣設(shè)備的壓縮廠房內(nèi)，環(huán)境溫度有時會達(dá)到-15 ℃以下。如果壓縮機(jī)組長時間沒有運(yùn)行，如冬季檢修期間，壓縮機(jī)腔體、進(jìn)出口管線、密封氣管線、干氣密封部件溫度均處于較低狀態(tài)，如果這時啟機(jī)，進(jìn)入干氣密封腔的密封氣溫度在與干氣密封機(jī)械部件接觸后勢必迅速降低，工藝氣體中的重?zé)N凝析，大大增加了干氣密封失效的概率，其表現(xiàn)為干氣密封拆解后會發(fā)現(xiàn)在主密封動靜環(huán)部位有凝析油存在（圖2）。

凝析油的產(chǎn)生原因與管輸天然氣出廠指標(biāo)有關(guān)，而烴露點(diǎn)是其主要指標(biāo)。GB 17820—2018《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)5.1條對烴露點(diǎn)指標(biāo)僅作了籠統(tǒng)的規(guī)定，即“在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”，這種要求不能在長達(dá)幾千千米的長輸管道任何地域保證重?zé)N不析出；而在俄羅斯全俄行業(yè)（OC T51.40—1993）中卻對天然氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)指標(biāo)區(qū)分溫帶、寒帶進(jìn)行了規(guī)定（表1）。歐州6家主要輸氣公司聯(lián)合成立的EASEE-gas 組織也對天然氣烴露點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范（表2）。

圖1 PDGS 干氣密封顆粒污染情況

圖2 PDGS 干氣密封一級動環(huán)凝析油污染

表1 俄羅斯全俄行業(yè)（OC T51.40—1993）相關(guān)露點(diǎn)指標(biāo)

從表1、表2可以看出，即使在管輸天然氣出廠指標(biāo)完全合格的條件下，在某些局部寒冷的條件下，均會出現(xiàn)天然氣中有水和凝析油的情況，這對干氣密封的運(yùn)行構(gòu)成了威脅。

表2 EASEE-gas 提出的有關(guān)露點(diǎn)的指標(biāo)

2.3 軸承潤滑油污染

在干氣密封與支撐軸承之間有內(nèi)、外隔離密封，在內(nèi)、外隔離密封之間通入儀用空氣，通過維持儀用空氣和潤滑油氣的壓差來實(shí)現(xiàn)潤滑油氣阻斷。如果隔離密封的作用沒有正常發(fā)揮，則可能因有以下4 個原因：①潤滑油泵啟動前，隔離氣未及時投用；②機(jī)組停機(jī)、熱備用期間或潤滑油泵運(yùn)行時，儀表風(fēng)空壓機(jī)意外停運(yùn)，造成隔離空氣中斷；③潤滑油泵停止，油溫還未冷卻時，人為過早切斷隔離氣，導(dǎo)致較高溫度油氣進(jìn)入密封腔；④隔離密封設(shè)計及參數(shù)設(shè)置不合理。在對PCL800 型管輸離心壓縮機(jī)干氣密封檢修過程中，可不同程度發(fā)現(xiàn)干氣密封在二級放空環(huán)槽或干氣密封動靜環(huán)進(jìn)入潤滑油（圖3），這也是造成密封泄漏的重要原因之一。

博格曼PDGS 10/200 型干氣密封在設(shè)計時，存在一定的設(shè)計缺陷。分析干氣密封、隔離密封的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，干氣密封動環(huán)軸套鎖緊螺母處存在漏油通道，雖然原則上隔離氣體壓力高于軸承箱壓力且螺母外圓自帶甩油環(huán)結(jié)構(gòu)，通常不會產(chǎn)生爬油現(xiàn)象，但螺母內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子存在配合間隙，構(gòu)成泄漏通道；另一個缺陷是內(nèi)外隔離密封間的聯(lián)接螺釘存在進(jìn)油的隱患。一旦油進(jìn)入，會增加油進(jìn)入二次放空口的概率（圖4）。

2.4 其他污染因素

工廠裝配及現(xiàn)場安裝、工藝裝配或拆解時，不小心融入；安裝時使用防卡阻劑過多帶來的影響；啟停機(jī)操作不當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

3 干氣密封損壞機(jī)理

3.1 對氣膜的影響

干氣密封正常工作最核心的工作機(jī)理是在配對的動環(huán)和靜環(huán)之間能夠形成較穩(wěn)定的微米級剛性氣膜，且在備用、啟機(jī)、運(yùn)行、停機(jī)、負(fù)荷調(diào)整等各個階段，氣膜厚度是變化的。根據(jù)西南交通大學(xué)王和順等人的研究，干氣密封在啟機(jī)過程中端面氣膜厚度變化分為I（接觸）、II（波動）、III（穩(wěn)定）階段。當(dāng)有較大顆粒進(jìn)入密封端面，不論是進(jìn)入至動壓槽或平面區(qū)，都將引起氣膜的不穩(wěn)定，氣膜的不穩(wěn)定勢必造成干氣密封運(yùn)行的不穩(wěn)定。

圖3 壓縮機(jī)二級放空環(huán)槽的潤滑油

圖4 干氣密封二級動環(huán)油氣污染情況

3.2 對摩擦力矩的影響

在干氣密封正常啟機(jī)過程中，啟動力矩是一個重要參數(shù)，許多干氣密封制造廠家也就如何降低啟動力矩、減少啟機(jī)階段對干氣密封端面的磨損進(jìn)行著相應(yīng)研究，并已研發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。對于非接觸的氣膜密封（干氣密封）或液膜密封，端面摩擦力即為端面間流體的內(nèi)摩擦力，即黏性剪切力。干氣密封設(shè)計時，都是根據(jù)密封氣動力黏度進(jìn)行設(shè)計，而液體動力黏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體動力黏度。如果氣膜被液體污染，則形成氣液混合物，動力黏度將會增加成百上千倍（圖5）。

3.3 對散熱的影響

當(dāng)干氣密封動靜環(huán)斷面之間有油存在時，油就會在動靜環(huán)之間形成一層幾微米厚的油膜，這層油膜使動環(huán)端面上的氣槽喪失吸入氣體的工作能力，因為有油膜阻礙了氣體。動、靜環(huán)端面在相對運(yùn)動時，氣體分子的摩擦將產(chǎn)生大量的熱量，如果端面被油污染，熱量將被中間的油膜吸收，持續(xù)升溫會導(dǎo)致動靜環(huán)由于過熱產(chǎn)生脆裂，最終使干氣密封報廢。密封端面的顆粒影響也大致如此。

圖5 干氣密封一級動環(huán)支撐拉簧損壞情況

4 預(yù)防改進(jìn)措施

4.1 操作層面

（1）優(yōu)化操作規(guī)程。啟機(jī)前至少提早投用隔離氣30 min。

（2）減少啟機(jī)次數(shù)。以減少低速情況下對密封端面的磨損。

（3）機(jī)組反向充壓。當(dāng)條件允許時，可以嘗試開啟干氣密封供氣閥的形式對壓縮機(jī)腔體進(jìn)行反向充壓，直至壓力達(dá)到平衡，可以減少工藝氣反竄至干氣密封腔體，污染密封端面。

（4）條件具備時，可以另設(shè)氮?dú)饨o輔助密封供氣。既可以保證二級密封（輔助密封）的供氣量，又可防止一級密封的污染氣對二級密封的影響，增加干氣密封運(yùn)行可靠性。

（5）保證隔離氣的不間斷供應(yīng)。若確需切斷，應(yīng)確保在機(jī)組軸承回油溫度＜40 ℃且潤滑油泵及應(yīng)急油泵均斷電停用后進(jìn)行。

（6）在全站所有機(jī)組均停運(yùn)時，應(yīng)立即對機(jī)組進(jìn)行泄壓放空。不得通過干氣密封增壓撬長時間連續(xù)保壓，避免密封氣供應(yīng)中斷或不足。

（7）隨時與上下游站場保持溝通，掌握工況變化信息。對大量帶液工況作為應(yīng)急事件來處理，做到響應(yīng)及時，措施得當(dāng)。

（8）合理評估壓縮機(jī)的怠速盤車和機(jī)組切換頻次，盡量減少干氣密封非正常工況運(yùn)行機(jī)會。

4.2 維護(hù)層面

（1）要經(jīng)常性地打開壓縮機(jī)隔離氣環(huán)槽、二級放空環(huán)槽排污閥，檢查內(nèi)部是否有油，及時排放。

（2）更換干氣密封組件時：①應(yīng)對所有密封C 形圈、O 形圈進(jìn)行更換，注意檢查C 形環(huán)開口方向正確；②檢查梳齒密封齒頂是否磨損、倒齒，有磨損要及時更換備件，保證密封間隙；③干氣密封表面，不得有油漬存在，保證安裝部位腔體及對應(yīng)進(jìn)氣管線干凈、干燥、無雜質(zhì)，及時封堵拆卸的密封氣管線，回裝前進(jìn)行必要的吹掃檢查；④安裝內(nèi)外隔離密封螺釘時，每個螺釘都應(yīng)配置密封環(huán)墊，隔絕油氣通過螺釘向隔離氣溝槽的泄露通道。

（3）嚴(yán)格監(jiān)控干氣密封過濾器壓差。及時切換和更換濾芯，防止壓差過高、異常突降，避免工作介質(zhì)帶液擊穿濾芯本體，從而使密封氣流短路。

（4）保證礦物油箱風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。定期清理排放阻火塞，保證油箱真空度＜-100 mmH2O（約-1 kPa），保證所有回油管路正常暢通。

（5）保證密封氣、隔離氣的排放管路暢通，盡量單獨(dú)排放。

（6）如需對機(jī)組進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，應(yīng)先通過臨時接管。在干氣密封雙聯(lián)精過濾器之前導(dǎo)入密封氮?dú)?，再通過壓縮機(jī)進(jìn)出口相關(guān)接口向缸體內(nèi)通入置換氮?dú)獾姆绞竭M(jìn)行充壓置換操作。

4.3 參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面

（1）調(diào)整密封氣供氣壓力、溫度、流量等參數(shù)。冬季運(yùn)行時必須提高干氣密封的供氣溫度至＞60 ℃，以提高一級密封端面時溫度，避免工藝氣中重組份在密封浮動部位冷凝堆積。

（2）調(diào)整潤滑油供油壓力。在滿足軸承溫度要求前提下，盡量降低油壓，降低油從阻油環(huán)中泄油的流量。

（3）改進(jìn)干氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。優(yōu)化現(xiàn)有動環(huán)支撐拉簧結(jié)構(gòu)，減少向動環(huán)傳遞扭矩時變形量，提高其可靠性；或優(yōu)化軸套與動環(huán)扭矩傳動方式，將動環(huán)扭矩傳遞由支撐拉簧改進(jìn)為撥叉?zhèn)鲃印?/p>

（4）將隔離梳齒密封形式改為碳環(huán)密封，改進(jìn)擋油環(huán)設(shè)計，阻斷油氣泄漏通道。

（5）優(yōu)化密封氣控制邏輯。延長干燥、預(yù)熱干氣密封供氣時間，至少保持30 min 以上，保證動環(huán)、密封軸套材料和橡膠密封圈充分預(yù)熱，盡量杜絕密封氣在溫度較低的情況下進(jìn)入干氣密封腔，并保持密封氣溫度始終處于較高水平，減少重?zé)N凝出的概率。

5 結(jié)論

（1）管道壓縮機(jī)干氣密封必須在干燥、潔凈的環(huán)境中運(yùn)行，任何輕微的污染都有可能導(dǎo)致密封可靠性下降，甚至引起密封失效。

（2）顆粒、液體、潤滑油氣是干氣密封的主要污染物質(zhì)，其來源包括密封氣、工藝氣和軸承潤滑油，產(chǎn)生的根源為上游站場、本站工藝區(qū)、機(jī)組的生產(chǎn)操作、日常維護(hù)及系統(tǒng)設(shè)計缺陷等。

（3）冬季運(yùn)行時應(yīng)特別注意天然氣凝析油對干氣密封的污染。

（4）減少污染的措施，應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行站場的實(shí)際情況，從操作、維護(hù)、優(yōu)化等方面進(jìn)行綜合施策，不應(yīng)千篇一律。