西气东输GE压缩机干气密封失效分析及改造

仝 雷，郝福君，徐庆磊，刘少山，安云鹏，张 健

1.中国石油管道局工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中国石油长庆油田分公司安全环保监督部乌审旗监督站，内蒙古鄂尔多斯 017300

3.石油天然气工程质量监督总站，河北廊坊 065000

西气东输GE压缩机干气密封失效分析及改造

仝 雷1，郝福君2，徐庆磊1，刘少山1，安云鹏1，张 健3

1.中国石油管道局工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中国石油长庆油田分公司安全环保监督部乌审旗监督站，内蒙古鄂尔多斯 017300

3.石油天然气工程质量监督总站，河北廊坊 065000

西气东输一期干线管道酒泉、嘉峪关压气站GE压缩机先后发生了干气密封失效事故，导致压缩机停机。针对干气密封损坏情况，在分析了GE压缩机干气密封基本结构和工作原理的基础上，进行干气密封失效分析，指出了原因，并提出了改造方案：在不改变原有干气密封机械部分的前提下，采用氮气作为二级密封及隔离气气源；通过增设密封气前置过滤器、加热器，改进二级密封和隔离气供气系统，独立设置二级密封放空，增设二级放空监控系统，有效提高了干气密封、压缩机运行的可靠性，消除了压缩机干气密封失效的安全隐患。

GE压缩机；干气密封；失效；密封改造；氮气二级密封

西气东输管道起于新疆轮南，止于上海市，设计压力10 MPa，干线管径1 016 mm，一期干线管道全线设有22个压气站，其中12个站使用GE压缩机。GE压缩机的轴端密封均采用了干气密封。干气密封组件采用无级间密封的两级串联式干气密封。2013年酒泉压气站、嘉峪关压气站先后发生了干气密封失效事故，导致压缩机停机，并造成一定的经济损失[1-4]。通过对GE机组干气密封失效分析，找出失效的原因，提出了改造方案。

1 GE压缩机干气密封工作原理

干气密封机构、原理示意如图1所示。密封气采用压缩机本体出口天然气作为密封介质，隔离气采用压缩空气。

图1 干气密封结构示意

第一级密封起主导作用，承担密封全部过程压力，第二级密封作为第一级密封的备用安全措施，允许第一级密封泄漏进入第二级，作为二级密封的工作气源。密封气进入干气密封腔体后，密封气压力高于压缩机壳体内工艺气压力，绝大部分气体通过机械密封后进入管道压缩机壳体内侧，从而阻隔内侧气体向外泄漏，小部分气体通过一级干气密封动静环形成气膜后泄漏到一级放空，更少部分的气体继续通过二级干气密封动静环形成气膜后泄漏到二级放空。二级放空主要放空外侧隔离气经过机械密封后的气体。隔离气主要是阻止外侧轴承里润滑油向内侧渗漏，从而保护干气密封不受润滑油的污染[5]。

1.1 干气密封参数

一级密封压力为6.95～8.71 MPa，二级密封压力（一级放空背压）为0.2～0.4 MPa，二级放空压力0.1 MPa，隔离密封压力0.5～0.6 MPa；一级放空流量6～13 Nm3/h，二级放空天然气流量0.1～1 Nm3/h，二级放空空气流量50～180 Nm3/h。

1.2 干气密封系统检测系统设置

一级放空系统检测仪表及设备的设置见表1，二级放空系统未设置任何检测仪表或压力控制设备。

表1 一级放空系统检测仪表及设备设置表

2 故障现象及分析

2.1 干气密封损坏的情况

2012-2016年，酒泉压气站、嘉峪关压气站等压缩机组干气密封严重失效，将压缩机干气密封解体后，发现有下列严重损坏现象：

（1）轴套表面与梳齿发生摩擦造成磨损。

（2）静环、动环破损。

（3）一级放空排气孔有类似铝的熔融凝固物及黑色颗粒堵塞。

（4）干气密封腔体、隔离密封腔有大量类似熔融物的黑色碎屑。

2.2 干气密封失效分析

通过对干气密封系统组成及功能、检测系统、运行情况的研究，结合2012-2015年4次返厂送修的57套干气密封的检修情况，对现役压缩机干气密封系统的失效分析如下：

（1）干气密封气存在杂质。干气密封气存在杂质是导致干气密封失效的原因之一。动环和静环之间的螺旋槽深度约3～4 μ m，杂质（固体小颗粒、水蒸汽、润滑油雾、凝析液污等）进入狭窄的螺旋槽，使动环和静环之间剪应力升高，密封部件过热，最终导致动环、静环磨损严重，干气密封失效。干气密封杂质的来源主要有三个：

其一，密封气气源。投产初期，密封气含有较多的水、固体颗粒，投产后，密封气管路为细长结构，拐弯较多，容易引起压降，密封气含有冷凝液[6]。

其二，轴承润滑油（密封的外侧）。干气密封外侧需要隔离密封，隔离密封位于干气密封和压缩机轴承座区域之间，隔离密封气源为压缩空气，主要作用是阻止轴承润滑油或者油雾进入干气密封，由于隔离密封气进气流速较高，有极小部分润滑油进入干气密封。

其三，工艺气（密封的内侧或高压侧）。当密封气供给压力过高，工艺气通过内侧迷宫密封泄漏，直接接触密封面，存在于工艺气中的杂质破坏了干气密封。

（2）二级密封无独立供气源。二级密封的气源为一级密封的泄漏气体，二级密封正常工作需要稳定的压力、流量来建立气模。在压缩机处于启动、停车及异常工况时，二级密封无法形成足够的背压及缓冲压力，这样二级密封将会在过小的压差下工作，降低了其运行的可靠性。正常工况下，二级密封端面会有微量的天然气泄漏，与隔离气混合后泄漏至二级放空管道放空（放空气体为天然气与空气的混合气体）；事故工况下，二级密封放空混合气体中天然气含量上升，达到爆炸极限，存在一定的爆炸风险。

（3）二级密封驱动端、非驱动端采用一根汇管放空，二级放空无监测装置。在压缩机一端（驱动端或者非驱动端）二级密封出现故障的状态下，大量气体会通过二级放空管道放空，势必造成二级放空管道压力的升高。由于两端采用一根汇管，这将导致另一端密封出现失效风险，即：其一，造成另一端二级密封放空背压升高，使正常端密封承受反压，从而导致密封面受损；其二，故障端密封的放空气体可能夹杂着碎片等通过二级放空汇管进入正常侧的密封腔，导致正常侧密封损坏。

二级放空无监测装置，用户只能在一级密封极端失效的情况下作出反应，这不利于用户在二级密封出现故障时立刻作出反应，无法及时避免二级密封失效导致的次生损坏[7]。

（4）隔离密封气源为压缩空气。其一，隔离气流量较大（约70 Nm3/h），进入梳齿流速过快，造成油雾被高速气流吹入二级密封腔室，使二级密封受到轴承油的污染，增加了其故障的概率[8]；其二，为保证二级泄漏气的安全，需增大隔离气的气量来降低泄漏出天然气的浓度，避开天然气的爆炸极限，而增大隔离气的气量会造成二级密封大气侧有一定的背压，在压缩机启动、停车阶段，可能会造成隔离气形成的背压接近甚至大于二级密封工作的压力，干气密封承受反压，导致密封损坏；其三，使空气大量进入轴承箱，润滑油氧化严重，更换周期短，维护费用较高。

3 总体改造方案

总体改造方案见图2。

（1）密封气进入干气密封前，加装前置过滤器、加热器，减少密封气气体杂质，减小杂质对干气密封的影响[9]。

（2）采用氮气为二级密封、隔离气源，提高二级密封、隔离气的稳定性[10]。氮气作为二级密封和隔离密封气源，从根本上杜绝了天然气与空气的混合。利用场站现有压缩空气，增加变压吸附制氮设备制备连续稳定的氮气，氮气产量240 Nm3/h，压力0.6～0.65 MPa，纯度≥98%，氮气常压露点为-45℃，压缩空气消耗量低于520 Nm3/h。

（3）对干气密封二级放空管道进行改造，增加1条DN80放空管道，实现驱动端、非驱动端二级放空管道的独立放空。

（4）非驱动端、驱动端二级放空管道分别设置流量检测设备。对干气密封系统进行改造之后，二级密封放空管道的工艺参数见表2。正常工况下，二级密封放空管道的气体流量是恒定的，在事故工况下，放空管道的气体流量变化情况如下：其一，二级密封良好，一级密封失效，则二级放空管道流量可达到17.5 Nm3/h；其二，二级密封失效，二级放空流量会达到25 Nm3/h左右；其三，一级密封和二级密封同时失效，一级密封放空管道瞬时流量可远大于26.5 Nm3/h。通过检测二级密封放空流量，流量信号上传至压缩机控制系统，由压缩机控制系统对高高流量报警信号进行逻辑判断，触发压缩机连锁停机，避免事故的进一步扩大。

图2 干气密封总体改造方案流程示意

表2 干气密封系统改造后二级密封放空管道工艺参数

（5）一级密封放空参数调整。二级密封改造后，正常工况下大部分二级密封气都会通过一级管道放空（一级泄漏气管道内为氮气、天然气）。通过核算，设定一级流量计流量监测报警参数的低报警值为7.5 Nm3/h，高报警值为26.5 Nm3/h。

一级放空压力变送器增加压力低低报警（报警值为50 kPa）和压力高报警（报警值为250 kPa），并在HMI显示，以提醒运行人员注意。

4 改进效果

2017年2月，西气东输一线酒泉压气站成功改造了GE压缩机干气密封系统二级密封进气、隔离器进气、二级密封监控系统，并成功投产。此系统改进、投产后，制氮设备运行状态良好，氮气气源压力及流量稳定，满足向干气密封系统提供稳定气源的要求；干气密封运行状态良好，动环转速平稳正常，动环、静环没有发生卡阻及不正常摩擦现象，二级放空流量未出现超高的工况；压缩机组运行在高效率区域。干气密封改造后，消除了压缩机干气密封隐患，提高了压缩机组运行的可靠性。

5 结束语

针对GE压缩机干气密封损坏情况，进行干气密封失效分析，指出了干气密封失效的原因，并提出了改造方案。通过增设密封气前置过滤器、加热器，改进二级密封、隔离气供气系统，独立设置二级密封放空，增设二级放空监控系统，有效提高了干气密封、压缩机运行的可靠性，消除了压缩机干气密封失效的安全隐患，也为天然气管道压缩机干气密封系统改造提供宝贵的借鉴经验。

[1]钟桂香，罗潇，郗祥远.干气密封失效原因分析与有效性措施[J].油气储运，2014，33（3）：335-339.

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[3]左汝宽，韩辉.影响压缩机干气密封使用寿命的因素分析[J].油气储运，2009，28（5）：40-43.

[4]成大先.机械设计手册[M].第4版.北京：化学工业出版社，2005.

[5]刘培军，杨默然.干气密封在离心压缩机中的应用[J].油气储运，2007：26（7）：51-54.

[6]孙启敬，高顺华.西气东输管道压缩机组输送湿气实践分析[J].油气储运，2007：26（6）：57-59.

[7]姚新华，何耀辉.干气密封的选用及失效分析[J].润滑与密封，2011，36（4）：116-124.

[8]李飞.氨气压缩机干气密封故障原因分析及改进措施[J].化工设计通信，2014，40（5）：26-29.

[9]侯松.离心式压缩机干气密封系统改造及应用[J].化工设备与管道，2016，53（3）：61-65.

[10]谭清德.28AT型干气密封装置的应用研究及其应用[D].成都：成都大学，2004.

Failure analysis and improvement of dry gas seal systems of GE compressors in West-East Gas Pipeline

TONG Lei1，HAO Fujun2，XU Qinglei1，LIU Shaoshan1，AN Yunpeng1，ZHANG Jian3
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.Safety and Environment Supervision Department of PetroChina Changqing Oilfield Company，Ordos 017300，China
3.GeneralAdministration of Quality Supervision of Petroleum&NaturalGas Projects，Langfang 065000，China

Failures of dry gas seal systems of GE compressors at Jiuquan Station and Jayuguan Station of West-East Gas Pipeline happened and caused the compressors to stop working.The reasons of seal system failures were analyzed.The improvement measures were put forward，which included adopting nitrogen as the secondary seal and the isolating gas source without changing the original mechanical parts of the dry gas seal system；adding the seal gas pre-filter and the heater；improving the secondary seal system and the isolating gas supplying system；setting the secondary seal gas exhaust device and the monitoring system.These measures improved the reliability of dry gas seal and compressor operation.

GE compressor；dry gas seal；failure；sealimprovement；secondary sealwith nitrogen

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.015

仝 雷（1984-），男，山东郓城人，工程师，2006年毕业于中国石油大学油气储运工程专业，现主要从事石油天然气管道设计工作。Email：tonglei-gy@cnpc.com.cn

2017-06-15