往复式氧气压缩机填料密封失效原因分析及处理

朱延哲

（中国石油辽阳石化分公司动力厂，辽宁辽阳 111003）

0 引言

工业生产中，往复式氧气压缩机是将空分装置产生的氧气输送到各个生产装置的动力设备，在管网输送中有着重要作用。一般连续运行约3 个月后往复式氧气压缩机会出现故障，其中填料密封失效是制约其长周期连续运行的问题之一。填料密封是压缩机的重要零部件之一，有防止气缸中高压氧气向外泄漏的作用，由于其在往复式氧气压缩机运行中会产生大量热量，因此需要通冷却水对填料密封函进行冷却。另外，填料密封在往复式摩擦下受损，会降低设备使用寿命与安全性。多数情况下氧气泄漏导致的重大设备着火事故是填料密封失效引起的，因此本文将从多个方面分析填料密封失效的原因。

1 往复式氧气压缩机概况

辽阳石化分公司公用工程部空分装置输送氧气的压缩机由沈阳气体压缩机厂制造，共计7 台。设备型号为4M8-62.5/32，四缸四级压缩为对称平衡式结构，压缩机流量为3600 Nm3/h，一级吸入压力0.01 MPa，一级吸入温度30 ℃；四级排气压力3.14 MPa，四级排出温度≤40 ℃；轴功率为605 kW。

配套电机由佳木斯有限责任公司制造，型号为TK630-18/1730，功率为630 kW，电机由刚性联轴器直接驱动。

附属设备有气体冷却器、油冷却器、油泵、备用油箱、高位油箱等，在各级气缸的进出口均设有一个缓冲罐，既有缓冲气流的作用，还能稳定输送氧气。各级填料密封均设有上下冷却水管线，填料函均为同一型号，各级填料密封可以互换。

2 填料密封的结构及原理

2.1 结构

该往复式氧气压缩机组的各级气封填料由6 个填料函组成，第零层为节流环层，第7 层为气封的外盖。在外盖上有上下冷却水接口，各层填料函外侧与填料接桶形成冷却水流道，填料函之间通过O 形圈对水系统进行密封。

一、二、三级采用空第5 层填料函的安装方式，其他层有一副切向密封环和一副经向密封环。四级气封全满式填料函的安装方式，第1～5 层填料函，每个填料函中一副切向密封环、一副经向密封环和阻流环，第6、第7 层为双副切向密封环，密封环的材料采用填充聚四氟乙烯制成，起到密封作用。阻流环用于高温高压的场合，防止非金属密封环变形流失，径向开口外弹簧，切向密封为三瓣斜口，在气流作用下使密封环内圆表面紧贴活塞杆。

在使用过程中填料密封会由于较大的摩擦力而产生较多热量，因此一般设计冷却水流道来保证一部分热量被冷却水带走。填料函外侧设置有冷却水孔，冷却水强制在冷却孔中折返流动，会带走一部分热量。填料密封环必须按一定要求和顺序装填在填料函内，填料函深度15.4 mm，安装完密封填料环后要求剩余间隙为0.38～0.42 mm，切向填料密封环与径向填料密封环之间切口要错开（图1）。

图1 填料密封结构

2.2 密封原理

往复式氧气压缩机的填料密封环是一种动态的填料密封环，只有在压缩机工作时才能起到密封作用，在停机或检修情况下没有密封作用。往复式氧气压缩机在工作时候分为两种工作状态，分别是气缸侧压缩状态和气缸侧膨胀状态（图2）。

图2 填料密封工作原理

（1）当往复式氧气压缩机气缸侧处于压缩状态时，高压气体通过填料函与活塞杆缝隙进入填料函内，由于受到高压气体力的作用靠向低压侧，高压气体使径向填料密封环与切向填料密封环之间贴合密封，当高压气体接触切向填料密封环时，由于气体作用力为径向，切向填料密封环将紧紧地抱着活塞杆，三瓣式的切向填料密封环，瓣与瓣之间形成密封面；在高压气体的作用下形成3 个密封面，分别是径向填料密封环与切向填料密封环切口错开形成密封面，切向环与活塞杆表面形成的密封面，以及切向填料密封环与填料函侧面形成密封面，这样就阻止了高压气体的泄漏，从而起到密封作用。

（2）当气缸侧膨胀状态时，高压气体通过径向填料密封环的切口间隙部分回流进气缸，填料函内的气体压力逐渐下降、处于一个膨胀过程中，切向填料密封环开始放松，为下一次压缩状态来临时，填料函内建立起新的压差，使填密封环再次形成3 个密封面，起到密封作用。

3 氧气泄漏事件经过

2018 年10 月11 日10：00 左右，设备管理人员例行巡检时，在1 号往复式氧压机四级气缸附近氧含量报警仪报警，局部氧含量超标，发现四级气缸气封处发出呲呲的响声。设备管理人员立即停运1 号往复式氧压机，组织岗位人员开3 号往复式氧压机，由于应急处置及时，避免了因氧气泄漏导致重大设备着火事故。事后查找原因并及时上报这一情况。经检查1 号氧压机已经连续89 d，根据以往检修时间间隔，发现本次运行不到3 个月就发现氧气泄漏严重，初步判断认为，四级气缸填料密封冷却循环水堵塞导致热量积累至填料密封环变形失效。

4 填料密封失效原因分析

为查找出故障原因，对往复式氧压机解体检修，发现：①三级、四级气封填料水套腐蚀严重，表面发生点蚀；②各级气封填料函冷却水流道内有大量泥沙和粗纤维物质，堵塞冷却水循环，严重影响冷却效果；③填料密封环之间粘结，密封面变形失效，O 形圈严重老化、失去弹性，其中四级填料密封环变形严重，阻流环与径向密封环老化粘结成一体、失去密封效果，导致气缸内氧气泄漏。

4.1 循环冷却水泥沙和粗纤维物质分析

循环冷却水塔塔底有3 年多未清理淤泥，循环水塔在运行中空气中悬浮的微小颗粒与水接触吸附在水中被水溶解，逐渐聚集成沉淀物质。循环水塔附近有大量的树木，10 月份正值秋季，树叶会被大风吹落进入循环水，在水流下聚集在过滤器上，微生物在水中繁殖、将树叶等腐蚀分解，被分解的树叶通过过滤网进入泵内、随后进入氧压机气堵塞填料密封水路，最终导致密封泄漏失效。

经过分析发现，粗纤维物质为树叶腐烂打碎后的状态，泥沙为藻类及微生物等。

4.2 填料函密封面严重腐蚀

解体气封填料函，在填料函的端面发现有腐蚀凹坑，这直接影响密封效果。往复式氧压机处于压缩状态时，填料函内部压力升高，氧气会通过填料函的端面密封进入循环水冷却水，为微生物提供氧气、使之大量繁殖，产生的大量泥沙堵塞循环水流道（图3）。

图3 填料函端面腐蚀

4.3 填料函的循水折反流道有设计缺陷

流道宽20 mm，而填料函的循环水折反流道只有5 mm宽，存在设计方面的缺陷。循环水进入气封填料函后，经过4 次折反后压力逐渐降低，循环水中的沉积物因为压力下降留在填料函流道内，日积月累会堵塞填料函流道。

解体气封时发现，气封循环水入口流道的沉积物堆积明显少于循环水出口流道，且出口流道已经堵满泥沙和粗纤维物质等，气封与活塞杆摩擦产生的大量热量无法及时释出，导致密封环受热变形失效（图4）。

图4 填料函流道泥沙堆积

4.4 填料密封环材料耐高温能力不足

联系厂家后发现，填料密封环的材料为聚四氟乙烯，其韧性较好，耐高温达250 ℃、低温-180 ℃。而往复式氧压机泄漏的氧气具有高氧化性，加速了聚四氟乙烯的老化，导致其耐高温能力和抗压能力下降。在活塞每完成一次压缩与膨胀的过程中，气缸内压力频繁波动，导致活塞杆填料密封面处承受一个脉动压力，这样填料密封环受到交变应力的作用，同时还要承受着氧气的高氧化性作用和高压、高温，导致密封环性能急剧下降，这也是影响填料使用寿命的重要因素之一。

4.5 其他因素

查询往复式氧压机检修记录，发现在上次回装时切向填料密封环厚度比以前多了0.08 mm，在每个填料函内安装一副切向填料密封环和径向填料密封环后间隙为0.32 mm，标准填料函安装间隙要求为0.38～0.42 mm、比标准间隙小了0.06 mm。这样在压缩机工作时，填料密封环的运动间隙变小，而高压气体通过填料函与活塞杆缝隙进入填料函内，密封环之间由于挤压热量急剧增加极易发生老化粘结、密封失效，还会造成填料环变形失效、出现结焦等现象。检修作业时候，填料一定按照技术要求进行回装。

5 日常巡检中填料密封失效进行预防及处理

5.1 往复式氧压缩机备台时

（1）在往复式氧压缩机做备台时候，每周进行一次盘车处理，每次盘车时间至少20 min。

（2）盘车后活塞杆要放在不同的位置。在盘车的时候，要仔细查看各级气封的视镜是否有气泡产生。

5.2 往复式氧压缩机正常运行时

（1）操作人员和维护人员必须认真学习往复式氧压机的操作规程，在日常巡检中严格按操作规程操作：发现氧压机在超温、超压、超负荷、超速情况下运行时应立即组织倒机；应按规定的巡回检查时间、路线、内容，如氧压机的出入口压力、转速、振动、油温、油压、过程仪表、安全栅、继电器等是否处在合格位置；对这些部位进行检查，及时发现问题、处理缺陷；认真填写运行记录、巡检记录和操作日记。发现氧压机运行异常时，应立即检查原因、采取措施、及时报告。在紧急情况下操作人员按照操作规程采取果断措施进行处置，氧压机故障停机后应认真检查、分析原因，不得盲目开机。

（2）认真查询实时监测仪表及状态监测系统，对氧压机各级气封处测量氧含量情况，发现氧含量报警时就应立即停车处理，同时观察现场氧压缩机上下水视镜中是否有气泡，有气泡则说明有气体串入水路中，要立即查找原因。

5.3 气封填料函检维修时

（1）气封填料函研磨标准为0.38～0.42 mm，每个填料函中密封环要低于填料函的深度。一般气封填料环研磨时，研磨切向密封环，切向密封好研磨不易散架。每次检修回装时，由于腐蚀严重，填料函要测量填料函深度。

（2）脱脂面积方面要求：①各级气封的填料函，密封环，O 形圈，套筒必须进行脱脂处理，取样合格后方可回装；②各级气封回装完成后要进行水压试验，水压试验要求压力为1.2 MPa，保压30 min 内压力在1.0～1.2 MPa 即合格。

6 结束语

往复式氧缩机是空分装置的关键机组，而填料密封泄漏是制约往复式氧缩机长周期运行的关键问题，填料密封一旦发生氧气泄漏就会发生着火爆炸事故，直接经济损失严重。在日常巡检中，操作人员和维护人员要认真查看往复式氧缩机各项运行参数的异常变化，发现问题要及时处理，确保往复式氧缩机的长周期、安全运行。