甲醇合成氣壓縮機(jī)干氣密封損壞及改造分析

王 凱

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037003)

引 言

目前，在大力提倡生態(tài)環(huán)境保護(hù)的背景下，我國(guó)長(zhǎng)期以來保持“以煤為主”的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)帶來了巨大壓力。煤化工是將煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料及化學(xué)品的工業(yè)，尤其新型煤化工以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工產(chǎn)品為主，對(duì)于中國(guó)減輕燃煤造成的環(huán)境污染有著重大意義。

煤制甲醇是典型的新型煤化工工藝之一，工藝路線包括燃料氣化、氣體脫硫、變換及甲醇合成等。其中，壓縮機(jī)組是甲醇裝置的核心設(shè)備，原料氣經(jīng)過壓縮、甲醇合成與精餾精制后制得甲醇。同時(shí)，壓縮機(jī)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，為避免造成故障從而影響整個(gè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，其必須采用軸封。目前，干氣密封作為一種新型的密封方式，已經(jīng)成為大多數(shù)離心式壓縮機(jī)的首選軸封[1]。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，干氣密封故障率仍然普遍。基于此，本文主要針對(duì)甲醇合成氣壓縮機(jī)干氣密封損壞的情況，探討相關(guān)的試驗(yàn)研究和技術(shù)改造。

1 干氣密封的原理及受力分析

1.1 基本原理

干氣密封是將開槽密封技術(shù)用于氣體密封的一種新型軸端密封，典型的干氣密封結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧座等組成。干氣密封屬于非接觸密封，端面的材料可采用氮化硅、碳化硅、硬質(zhì)合金或石墨等。與其它機(jī)械密封相比，干氣密封在結(jié)構(gòu)方面基本相同。典型的干氣密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

值得注意的是，干氣密封靜環(huán)是由彈簧所加載，并依靠O形圈輔助密封。而且，干氣密封的一個(gè)密封環(huán)上面加工有均勻分布的淺槽，故其密封面是分開的。目前，干氣密封槽型以螺旋槽密封最為典型，以串聯(lián)式結(jié)構(gòu)有更高的操作可靠性。

1.2 受力分析

現(xiàn)主要從壓縮機(jī)分別處于靜止和運(yùn)轉(zhuǎn)兩個(gè)不同狀態(tài)下，分別討論干氣密封的受力[2]。

1) 靜止?fàn)顟B(tài)。在壓縮機(jī)處于停車靜止?fàn)顟B(tài)下時(shí)，靜環(huán)受到來自兩個(gè)不同方向的力，一是由彈簧產(chǎn)生的彈力和作用到靜環(huán)下游的氣壓組成的FC，另一個(gè)是作用在密封面上的流體靜壓力引起的FO，由于FO

2) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)、靜環(huán)之間的作用力除了來自流體靜壓力，還會(huì)受到隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)環(huán)一起旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的流體動(dòng)壓，即與壓縮機(jī)處于時(shí)停車靜止?fàn)顟B(tài)下時(shí)相比，閉合力FC不變，但是開啟力FO則增加了流體動(dòng)壓引起的力。當(dāng)FC=FO時(shí)，干氣密封在氣膜作用下處于平衡的工作狀態(tài)。壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封面受力分析如第152頁圖2所示。

同時(shí)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)受到干擾時(shí)，螺旋槽干氣密封系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)整的功能，可以使密封面達(dá)到新的平衡位置或重新恢復(fù)到平衡位置，從而保證動(dòng)、靜環(huán)不發(fā)生接觸，防止對(duì)二者密封面造成磨損。

圖 2 壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封面受力分析

2 干氣密封失效類型及其表觀特征

2.1 失效類型

干氣密封失效類型一般分為兩種：一種是發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破損，已經(jīng)失去了修復(fù)的價(jià)值，此種一般稱為第一種失效類型；另一種是干氣密封外觀完整，結(jié)構(gòu)完好，僅是一次密封氣泄漏量異常升高，此種一般稱為第二種失效類型。

2.2 失效密封表觀特征

1) 第一種失效類型。如高壓缸止推軸承溫度出現(xiàn)異常上漲情況，而止推軸承表面的巴氏合金溫度升高，且隨著轉(zhuǎn)速的增大而進(jìn)一步增大，油膜成膜效果惡化，磨損轉(zhuǎn)變呈熔融磨損為主的嚴(yán)重磨損；壓縮機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子軸位移變大，超出限值等。

2) 第二種失效類型。如一次密封的動(dòng)環(huán)、靜環(huán)配合面上發(fā)現(xiàn)了磨損痕跡和炭黑，O型圈發(fā)現(xiàn)密封圈出現(xiàn)了減薄和部分開裂的情況，與靜環(huán)配合的卡環(huán)上發(fā)現(xiàn)了高溫色變等；二次密封動(dòng)環(huán)和卡環(huán)中間發(fā)現(xiàn)了高溫色變的情況，靜環(huán)和外罩接合面發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的磨損情況，O型圈發(fā)現(xiàn)有磨損痕跡，動(dòng)環(huán)、靜環(huán)配合面上同樣發(fā)現(xiàn)了磨損痕跡和炭黑，靜環(huán)的背面發(fā)現(xiàn)有部分劃傷等。此外，對(duì)于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，失效密封表觀特征為干氣密封一次氣供氣的過濾器濾芯內(nèi)部有黃褐色粉塵，循環(huán)段入口導(dǎo)葉底部導(dǎo)淋有大量積液，高壓段第一級(jí)葉輪和循環(huán)段單級(jí)葉輪結(jié)垢較為嚴(yán)重，壓縮機(jī)缸體導(dǎo)淋發(fā)現(xiàn)有積液等。

3 干氣密封損壞原因分析

3.1 第一類損壞原因分析

經(jīng)實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，平衡管堵塞會(huì)造成軸向推力異常增加，且一旦壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車，轉(zhuǎn)子負(fù)荷發(fā)生大幅變化，軸向推力隨之增加，這個(gè)額外增加的軸向力將影響到壓縮機(jī)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如造成止推軸承瓦塊工作的最小油膜破壞，從而使止推軸承瓦塊溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致瓦塊磨損等；造成止推盤鎖母變形，止推盤發(fā)生位移等[3-4]?？傊邏焊灼胶獗P功能失效，造成壓縮機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子軸向推力過大，超出了止推鎖母和止推軸承能夠承受的極限，以及止推盤鎖母發(fā)現(xiàn)形變?cè)斐芍雇票P松動(dòng)等，是造成干氣密封第一類損壞的主要原因。

3.2 第二類損壞原因分析

除了干氣密封損壞情況外，其還存在泄漏量異常增大的情況，且主要集中在干氣密封的密封面損傷、O型圈破損兩個(gè)方面。究其原因，主要有以下幾個(gè)因素[5]。

1) 污垢進(jìn)入密封面。造成原因包括密封氣供氣不足、密封梳齒間隙增大、平衡管堵塞導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)端供氣壓力升高等。

2) 供氣氣源自身污染。造成原因主要包括密封氣源未過濾干凈、火炬氣倒流等。

3) 干氣密封進(jìn)液。造成原因主要包括供氣管線無伴熱保溫、壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)冷凝、隔離氮?dú)庵袛?、正常運(yùn)轉(zhuǎn)中節(jié)流帶液、緊急停車造成反流帶液等。

4) 其他。如頻繁開停車、干氣密封反轉(zhuǎn)、“O”型圈磨損等。其中，“O”型圈磨損原因包括壓縮機(jī)缸體泄壓速率過快、長(zhǎng)期頻繁的摩擦導(dǎo)致O型圈的減薄和破裂等。

4 干氣密封技術(shù)改造

4.1 消除異常軸向力

壓縮機(jī)緊急停車時(shí)的壓縮機(jī)軸向力過大是造成干氣密封破壞性損傷即第一類損壞的主要原因。為了避免此種情況的發(fā)生，可以進(jìn)行如下技術(shù)改造：1) 增加平衡盤壓力監(jiān)測(cè)。即利用平衡盤腔室接出的導(dǎo)淋排放口，增加現(xiàn)場(chǎng)壓力表，以防止壓縮機(jī)平衡盤腔室壓力升高。2) 壓縮機(jī)平衡系統(tǒng)改造。即將壓縮機(jī)平衡管出口處的內(nèi)缸壁加工，增大間隙，從根本上解決平衡管壓差大的問題等。

4.2 供氣系統(tǒng)改造

對(duì)干氣密封的一次供氣氣源進(jìn)行改造，使其具備充足的壓力，以阻止未經(jīng)凈化的工藝氣進(jìn)入密封端面[6]。具體措施有：1) 一次氣氣源增壓改造。即高壓缸和低壓缸密封氣系統(tǒng)分別增加一個(gè)增壓機(jī)總成，防止工藝側(cè)氣流倒灌進(jìn)入干氣密封腔室，從而保護(hù)干氣密封。2) 增加一次氣就地排放。即為了有效地保護(hù)干氣密封，在干氣密封一次氣排放到火炬管網(wǎng)的管線上增加切斷閥，補(bǔ)充一條就地排放管線。3) 增加干氣密封供氣管線電伴熱。即將所有的一次密封氣管線都增設(shè)電伴熱，從而確保干氣密封供氣溫度始終大于對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度。4) 增加干氣密封供氣腔室導(dǎo)淋。即在壓縮機(jī)缸體預(yù)留口增加干氣密封一次氣腔室低點(diǎn)導(dǎo)淋，避免因工藝氣節(jié)流造成帶液進(jìn)入供氣管線。

4.3 儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造

此技術(shù)改造主要指增設(shè)一次排放L、LL報(bào)警以及軸位移探頭改造。其中，前者指在原有基礎(chǔ)上增加一次排放氣流量L、LL報(bào)警，使其及時(shí)起到警示作用，以便更加全面地監(jiān)控密封泄漏量；后者指將高壓缸軸位移探頭的測(cè)量位置改到轉(zhuǎn)子的端面位置，以避免出現(xiàn)干氣密封損壞現(xiàn)象。

4.4 改進(jìn)工藝操作方式

引起泄漏量變化的因素很多，如工藝氣的波動(dòng)、軸竄、喘振等。因此，在日常操作中須精心維護(hù)，防止不當(dāng)操作導(dǎo)致干氣密封損壞。主要包括縮短盤車時(shí)間、加強(qiáng)干氣密封排液檢查、避免反向壓力操作、避免壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)、定期更換維修等。

5 結(jié)論

干氣密封故障會(huì)導(dǎo)致甲醇裝置離心式壓縮機(jī)頻繁停機(jī)檢修，從而制約裝置安、穩(wěn)、長(zhǎng)、優(yōu)運(yùn)行。分析其原因發(fā)現(xiàn)，第一類干氣密封失效是密封的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，第二類干氣密封失效是由干氣密封供氣系統(tǒng)所引起。因此，須通過消除異常軸向力、供氣系統(tǒng)改造、儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造及改進(jìn)工藝操作方式等對(duì)干氣密封實(shí)施技術(shù)改造，從而促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性獲得大幅提升。