氨气压缩机干气密封故障原因分析及改进措施

(中海石油化学股份有限公司，海南 东方 572600)

中海石油化学股份有限公司化肥二部为设计年产450 kt合成氨、800 kt尿素装置，合成氨装置采用KBR(凯洛格布朗)工艺。其中，氨气压缩机是合成氨装置的重要设备，由日本三菱公司制造，为高压蒸汽透平驱动的离心式压缩机，压缩机两端外部密封采用JHON CRANE(约翰克兰)串联式干气密封，利用压缩机出口氨气作为密封气。

1 故障现象

2012年4月氨气压缩机检修时，更换了两端干气密封。4月27日，氨气压缩机检修后开车，当转速升至最低控制转速7 260 r/min时，驱动侧一级放空流量(正常值为0.2 m3/h)指示从0上涨到2.5 m3/h，现场转子流量计打满。由于一级放空采取的是就地排放，在现场框架偶尔会闻到氨味。6月6日，为了减少就地排放，将驱动侧一级放空导至氨放空总管进行排放，现场氨污染有所减少，但是偶尔还能闻到氨味，判断为驱动侧二级放空泄漏的氨气。由以上现象我们判断，氨气压缩机驱动侧干气密封一级密封损坏；二级密封泄漏量增大，也可能已损坏。

2012年7月4日，装置停车后，氨气压缩机安全阀PRV105J下线检修，切断压缩机进出口切断阀，关闭来自149D(氨受槽)的高压密封气。7月8日班组在进行氮气置换时，发现缸体压力下降很快，基本上无法保压。

2012年7月17日，氨气压缩机开车正常后，驱动侧一级放空仍然打满，但测量现场二级放空管线外侧温度时，发现温度很高，达到60 ℃以上(正常时为环境温度)；而且现场框架的氨味比较大，足以证明干气密封泄漏量在增加。

2 停机拆检情况

2012年10月18日装置停车检修，对氨气压缩机驱动侧密封件进行了拆检，同时对干气密封滤芯进行了拆检、更换。拆检情况如下。

2.1 氨气压缩机驱动侧干气密封拆检

在拆除驱动侧后，发现内部已经完全损坏，内件在干气密封腔体内晃动，相关弹簧全部失效，呈报废性损坏，外腔有大量的碳环磨损的粉尘，在存在油污的情况下呈泥状；干气密封锁紧螺母拆除时发现内部有较多的油，该部位的O形圈因干气密封大量泄漏及高温条件下运行导致老化；驱动侧径向轴承拆除时发现有较严重的结垢现象，并有磨损现象，回装时更换了新备件。

2.2 干气密封滤芯拆检

本次检修更换了干气密封滤芯。拆检滤芯时发现，正常运行时投用的滤芯局部有鼓包；而投用滤芯及备用滤芯都被污染(正常投用的滤芯为白色)。

3 故障原因分析

干气密封作为一种新型的密封，已经逐步取代浮环密封应用于大型的离心式压缩机组上。以其简单实用的系统配置、良好的密封性能赢得了广大用户的欢迎，而且维护方便[1]。用于氨气压缩机上的干气密封属于串联式干气密封，密封面采用螺旋槽式，密封气采用压缩机出口的氨气，此种结构的干气密封有其自身的特点，但也有局限性，其故障特点具有所有干气密封的共性也有其独特性。经分析，氨气压缩机干气密封出现运行失效故障可能有以下几个方面的原因。

3.1 干气密封件进油

干气密封系统包括三部分，即密封气过滤单元、干气密封泄漏监测单元、密封隔离气单元。其中，密封隔离气单元的作用是，通过注入低压氮气或仪表空气，将干气密封与轴承润滑油隔离，防止干气密封受润滑油的污染；同时，隔离气可将二级密封泄漏出的微量工艺气体带走排空[2]。如果在正常运行中隔离气中断或者在开车过程中隔离气投用滞后，会造成干气密封进油，引起密封面动、静环的粘合，密封面上不能形成要求厚度的刚性气膜从而阻止机内介质外泄，造成密封失效。2012年4月18日检修后隔离气投用在润滑油压力建立之前，不会出现由于隔离气未投用导致干气密封进油，从而损坏干气密封。

另外，如果进入密封件的密封气带油，也会造成干气密封件进油，引起密封面动静环的粘合。从当时的液氨分析报告来看，液氨中氨含量达到99.99%，油含量只有2.06 mg/kg，微量的油短时间内是不可能造成干气密封面带油的。况且非驱动侧干气密封采用同一根管线同一种密封氨气，运行时并未出问题。

还有一种情况，如果氨气压缩机停车时，隔离气先停而润滑油后停，会造成密封件进油。而本次氨气压缩机缸体大修，两端干气密封为整体更换，因此不存在隔离气先停润滑油后停而造成干气密封带油的可能。

最后一种情况，密封隔离气单元供气正常，但是靠近二级密封的梳齿密封无法进行有效密封，造成润滑油向干气密封泄漏，润滑油由轴承腔沿轴表面向隔离密封内自然流动， 即“爬油”现象[3]。而氨气压缩机隔离气气封只有1道梳齿，密封效果有限，要经常对二级密封导淋进行排油，以确保所漏润滑油能够及时排出。

3.2 固体杂质进入干气密封件

干气密封在运转时， 动静环间的气膜层一般只有3～10 μm， 如有异物或液体进入密封间隙， 会引起密封面损伤，表现为因摩擦使气膜升温， 引起工艺气体结焦或聚合， 积聚填满槽体， 以致不能形成密封的气膜， 从而使密封面由非接触变为接触， 产生干摩擦而发出强噪声。因此在干气密封中， 气体需经过一组滤芯， 其过滤精度一般需在3 μm以下；当气体含湿量大时， 还需设置干燥滤芯， 以保证密封气体的干燥和洁净[4]。

固体杂质进入干气密封有三种可能：一种是干气密封滤芯故障或者过滤精度较低，造成不干净的密封气带入固体杂质；另一种可能是，滤芯后面的管线在检修时，由于拆卸后保护不当，或安装时带入了固体杂质；第三种可能是，密封气流量或者压力不足时，密封气难以阻止压缩机缸体工艺气向密封件流动，造成较脏的工艺气和密封面的直接接触[5]。

从2008年2月到2012年9月，干气密封滤芯压差正常运行时基本维持在20 kPa(G)左右，机组停机时最高为35 kPa(G)，滤芯压差在正常范围内。但是，由于该期间一直没有对干气密封滤芯进行更换维护，滤芯长期运行存在失效的可能，有可能导致杂质进入密封件而滤芯压差未上涨的假象。另外，本次检修时对干气密封与缸体连接的进气管线进行了拆卸，而回装时也并未进行吹扫或有其他特殊要求，因而管线内部有存在固体介质的可能性。此外，氨气压缩机开车时，先进行缸体充压，开车前再投用密封气，也有可能出现工艺气流进密封件，从而造成污染。

3.3 液态氨或者水进入干气密封件

液体对干气密封的损害如同油对干气密封的损害一样，都会造成干气密封所要求的刚性气膜无法形成。氨气压缩机正常运行时密封气是从压缩机出口过来的15 kgf/cm2、100 ℃的气氨，不可能产生液氨而进入干气密封件。但在停车尤其是检修停车时，如果来自出口的气氨压力降低，气氨的冷凝温度会升高，在环境温度降低时气氨会形成液氨，因此，开车之前管线内积蓄着液氨是完全可能的。

另外，若密封隔离气带水，而干气密封的二级导淋又未排水或排水不及时，极易将水带入二级密封，随着时间的推移，这些水会进入一级密封，从而彻底损坏干气密封。

还有一种情况，氨气压缩机停车后，按照操作规程的要求，需要切断密封气；随着环境温度的降低，密封管线内和干气密封件内的气氨会冷凝，如果开车时未及时排氨，会造成干气密封件内带液氨。

3.4 螺旋槽错误安装导致干气密封件损坏

当两个密封的端面尺寸一致时，往往由于安装错误，易将两端的密封装反。对于单向运转的干气密封，密封装反就意味着密封相对于原设计反转了，这样就不能使旋转的密封面内形成有效的气膜，造成密封干摩擦烧损，这是安装错误造成密封失效的一种形式[5]。目前常见的单向密封面有弧形槽、螺旋槽、人字形槽，双向密封面有矩形槽、T形槽、燕尾形槽，氨气压缩机上使用的是螺旋槽，属单向密封面，如果装反了，会造成干气密封无法形成刚性气膜，从而瞬间损坏。而氨气压缩机从开始开车到最低控制转速需要70 min左右，因此，本次故障不会是螺旋槽的安装出现问题，而且约翰克兰型干气密封都需要派使用单位人员参与现场测试，以确认检修效果。

3.5 干气密封安装失误导致密封件损坏

干气密封的现场安装也是至关重要的，而且其安装有着一套严格的程序。现场安装尤其需要注意三个方面：首先，确保密封件上所示的旋转方向与安装端的实际旋转方向一致；其次，确认密封端面垂直于轴，以避免卡位；最后，转子必须有效地锁定在轴上，所有锁紧装置必须完全上紧，过大的轴向位移会损坏密封[5]。2013年3月份天津约翰克兰人员对氨气压缩机进行现场服务后，据损坏干气密封的拆检报告认为：氨气压缩机干气密封损坏的最大可能是密封静环发生卡滞造成。静环卡滞原因可能是在安装时没有活动密封；由于库存时间较长，静环卡滞在集装位置上，当压缩机转速升高，出入口压差增大，转子向入口低压侧移动，密封动静环脱离，从而发生泄漏。

3.6 结 论

通过以上分析，2012年4月氨气压缩机检修后干气密封损坏的可能原因主要有以下几个方面：第一，有固体杂质进入干气密封件——可能是滤芯失效或者检修拆卸、安装时造成的；第二，有液氨或者水进入干气密封件——可能是气氨冷凝，或者是密封隔离气带入；第三，密封件现场安装存在问题——安装时没有活动密封，导致静环卡滞。

4 改进措施

4.1 加强干气密封的日常维护

首先，需要加强对干气密封滤芯的维护。据本次事故修改操作规程，规范干气密封滤芯更换频率、设定更换压差数据标准。以前坚持以滤芯压差超标为更换标准不太合适，将采用每半年更换一次或利用停车机会进行滤芯检查；若出现滤芯压差高现象，及时切换滤芯并进行更换。

其次，加强对干气密封运行参数的监控。由于在HMI上没有干气密封进气参数监控，因此要加强对现场的巡检，及时关注滤芯压差的变化，同时要对密封隔离气的变化情况进行分析。

再次，加强对干气密封两级导淋的排液。干气密封一、二级导淋积液，都会使干气密封面带液，造成密封气膜刚度减弱，影响干气密封的稳定运行。目前采取的是每周排放1次，但是这并不安全，下一步会继续改进排放方式。

4.2 加强干气密封的停开车工艺管理

干气密封的停开车工艺管理需要加强，它关系到干气密封的使用寿命。停车时需要间隔一段时间对密封气入口管线进行排液，在切密封隔离气时，要先停下油系统，油系统停下后必须保持密封隔离气吹扫半个小时以上。开车尤其是检修后开车之前，一定要对干气密封进出口管线进行排液，确保冷凝液氨排放干净。但这些措施并不完全安全，彻底解决这些问题需要给干气密封入口管线增加伴热，确保入口管线中无论何时都是气氨介质，而且这样也能保证停车时继续投用密封气，避免缸体内高压气体进入密封件而造成污染。

4.3 加强干气密封的检维修管理

检修也是可能造成干气密封污染的原因之一，因此要格外重视。检修时需要拆卸干气密封管线，而这些管线如果保护不好、安装不当，会造成干气密封被污染，从而损坏干气密封。目前采用的方式是，检修时对拆下的管线进行封头，安装之前用氮气进行整体吹扫，然后在工艺人员的配合下由保运部进行最后安装。安装前需要填写质量确认卡，由相关人员进行签字确认。

4.4 加强干气密封修复件的质量及安装管理

干气密封的修复，一般要求由专业厂家进行修复，有着严格的检修程序及质量验收标准，检修好的干气密封需要进行试漏实验并打开检查。目前我公司对于重要的干气密封修复件都会进行现场检查验收，一般由保运部组织使用部门配合进行联合验收。

对于干气密封的现场安装，公司保运部制定了安装规范，并对施工人员进行培训，而且制订了安装质量验收卡，确保安装万无一失。

5 结 语

古语云：吃一堑，长一智。干气密封在运行中难免会出现这样那样的故障，但只要我们本着实事求是的精神，查找出原因，提出有针对性的改进措施，就一定能够使用好干气密封。经过不断改进后，目前氨气压缩机干气密封运行状况良好。

参考文献：

[1]侯立山.干气密封的故障及运行费用浅析[J].辽宁化工，2004，33(4)：225～227.

[2]刘点，赵国华，杨春卉，等.氨压缩机干气密封泄漏分析与国产化探讨[J].化工进展，2006，25(4)：452～455.

[3]刘亚莉，赵丽丽，张强，等.干气密封技术研究[J].郑州轻工学院学报(自然科学版)，2010，25(2)：51～54.

[4]吴金龙，张车宇.干气密封的污染及其预防[J].化工设备与管道，2007，44(4)：45～47.

[5]约翰克兰干气密封安装、操作和维护手册[Z].