合成气压缩机干气密封故障原因分析及措施

朱白钦，齐腾飞，杨 磊

(河南龙宇煤化工有限公司， 河南永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司一期50万t/a甲醇装置，其合成工序流程为：来自低温甲醇洗装置净化气和来自氢回收装置的新鲜原料气，通过合成气压缩机升压，在甲醇合成塔内进行催化反应，部分合成气态甲醇再经冷却、冷凝、分离出粗甲醇产品，送往甲醇精馏工段，未反应的气体经合成气压缩机升压后进入合成回路循环利用[1]。合成气压缩机为离心式压缩机，由德国西门子设计制造，其型号为 STC-SV(10-7-A)，由汽轮机驱动[2]，为一缸两段七级叶轮结构。第一段为新鲜气压缩段，由六级叶轮组成；第二段为循环段，由一级叶轮组成。由于机组工作介质为合成气，采用双端面串联式干气密封。原干气密封设计制造商为德国博格曼。

1 干气密封工作流程

合成气压缩机正常运行过程中排出的部分工艺气体(8.2 MPa、71 ℃)以及在开停车过程中由界区来的高压氮气(6.0 MPa)作为密封气气源，经过第一级密封气过滤器过滤后，进入压缩机两侧的第一级密封气端面，在密封面上形成密封气膜，防止压缩机内的工艺气体进入密封。密封端面上正常向外产生的少量工艺泄漏气，经压力控制后去火炬燃烧。自界区来的8.1 MPa左右的氮气，经第二级密封气过滤器过滤后，再经过压力调节阀(PCV-15329)控制压力为0.6 MPa，进入第二级密封气端面，密封端面上正常向外泄漏的少量氮气被引出至安全处放空。自界区来的低压氮气(0.4 MPa)经压力调节阀(PCV-15337)控制压力为0.1 MPa，然后进入压缩机轴端的密封函内，对轴承的润滑油进行隔离[3]。

2 干气密封损坏现象

2021年5月，在运行期间，前系统紧急停车，干气密封气源压力(PI15325)由6.1 MPa降至5.7 MPa，此过程一直使用的是高压氮气作为气源，压力指示(PI15333)持续降低并大幅度波动。PI1533降至低联锁值50 kPa，3 s后机组跳车。机组跳车后，驱动端及非驱动端泄漏气压力恢复正常，从趋势看，干气密封驱动端泄漏量无明显异常。随后尝试冲转开车，因驱动端一级泄漏气压力低联锁触发停车并重复跳车前趋势，基本上判断驱动端干气密封出现问题。机组转入工艺置换，准备更换干气密封。

3 密封拆解情况

委托专业维修厂家对干气密封进行解体检查，结果如下：

(1) 拆一、二级弹簧座连接螺栓。因安装时螺栓涂有螺纹锁固胶，先使用热吹风机吹热，再拆卸取出卡圈。将二级弹簧座拿开后，发现二级静环密封面有磨损，二级推环处于卡死的状态。将动环、推环及“O”型圈逐个拿出，擦洗“O”型圈后检查发现，“O”型圈不光滑、有伤痕；不装“O”型圈，用推环反复压弹簧，反弹良好，各弹簧目测也完好，二级摩擦副端面有明显接触运转痕迹，推环卡死，静环无追随性。拆解静环后，可见二级静环“O”型圈表面磨损，弹簧座滑移面有磨痕。

(2) 再拆一级密封，各处都比二级情况稍好，但“O”型圈也有伤痕且轴向滑动不良。一级静环摩擦副端面有明显接触运转痕迹，痕迹分布整个端面；一级泄漏气通道可见石墨粉末。

4 原因分析

4.1 拆解初步判断分析

根据拆解密封的情况，二级推环密封圈卡死、二级密封端面脱开(见图1)，导致一级泄漏至二级端面排出，是引起一级泄漏气压力低联锁跳车的主要原因。

图1 二级密封端面

4.2 二级推环卡死

造成二级推环卡死，主要是“O”型圈磨损以及一、二级摩擦副端面运转接触磨损，石墨粉末等杂质堆积在弹簧座滑移面处。随着现场工艺波动、机组振动、机组轴位移等情况，推环密封“O”型圈与弹簧座滑移面发生相对运动。在石墨粉等固态颗粒杂质的作用下，摩擦力增加，弹簧座滑移面粗糙精度降低。

4.3 机加工精度低

机加工精度较低，相关零部件几何精度、形位公差偏大，造成相关配合垂直度尺寸、表面粗糙度超标。在运行期间，零件之间不同心以及表面粗糙，加剧“O”型圈表面精度降低。滑动表面的粗糙度是影响“O”型圈表面摩擦与磨损的直接因素。表面光洁，摩擦与磨损就小，所以往往要求滑动表面的粗糙度数值要低。

4.4 密封转动件与定位面磨损

该密封一级、二级摩擦副端面同时磨损，分析可能的原因是密封转动组件的定位面精度下降、垂直度降低，造成密封转动组件不能精准定位，密封转动件与定位面间有相对运转。从拆解下的密封可见，压紧套外端面可见明显运转磨损痕迹。该密封采用锁紧背冒作为定位原件，多次装拆都会对其进行敲击，导致工件变形，定位面精度下降。

5 解决及防范措施

(1) “O”型圈采用进口备件。针对二级推环“O”型圈磨损的情况，使用美国杜邦公司生产的密封圈，保证其使用寿命。

(2) 提高机加工精度。干气密封弹簧座滑移面、压紧套外端面的表面粗糙度不低于0.4，形位公差不低于5级精度。修复干气密封时，对其进行返修处理。

(3) 保证安装质量。安装干气密封时，必须严格按照图纸尺寸进行复测，同时检测密封定位面精度，保证定位面粗糙度不大于0.8，垂直度不低于5级精度。

(4) 改造流体旋转槽。该密封主体结构为双旋向流体动压槽，抗波动能力差，气膜不稳定。因此，将双旋向流体动压槽改为单旋向螺旋槽，提高了抗波动能力和气膜稳定性。

(5) 增大过滤面积。原干气密封进气过滤面积小，气膜稳定性差。现增大过滤面积，增加过滤器的长度，满足使用要求。

6 结语

针对合成气压缩机干气密封损坏情况进行优化处理，避免了机组反复停车对生产系统影响，同时大幅降低机组检修的频率和维修成本，实现合成气压缩机组长周期运行目的[4]。