干气密封系统故障分析与防控

朱狄，纳赛尔，武丽萍

（中国石油独山子石化分公司炼油厂，新疆 独山子 833699）

循环氢压缩机是加氢裂化装置的核心机组，不设备机，一旦出现故障，则装置被迫停工，破坏原有的炼油部各生产单元之间的物料平衡，对降低石化公司全年度的柴汽比的工作造成极大困难；同时减少了近1/4的化工原料的供给，制约了整个石化公司整体经济效益的提升。循环机的各部件的有效性和可靠性直接关系到装置的正常生产，而循环氢压缩机的干气密封系统是制约循环机稳定运行的关键因素之一。

某加氢裂化装置循环氢压缩机由蒸汽轮机和离心式压缩机组成。蒸汽轮机运行较为稳定，本文暂不讨论；离心式压缩机的运行受到的制约则相对较多，离心式压缩机的密封采用干气密封系统。干气密封是一种新型的非接触式轴封，基本上不受PV值的限制，因此干气密封特别适合作为在高速高压条件下的大型离心压缩机轴封，不再会受到密封润滑油的限制，且气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多。

1 干气密封简介及运行现状

1.1 干气密封简介

某加氢裂化装置的循环机干气密封系统结构包含有静环、动环组件（旋转环）、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座（腔体）等零部件。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在转子上的动环组件配合。该干气密封工艺及结构图见图1。

该干气密封的主密封气为经循环机压缩后的循环氢，操作温度稳定在75～80℃之间，操作压力稳定在16～16.5MPa的区间，循环氢经过除液、过滤、恒温后进入干气密封系统，大部分进入压缩机机体内侧，小部分经过一级密封系统与压缩机漏气混合后与补入的部分二级氮气再次混合后去火炬系统。

1.2 干气密封运行现状

该加氢裂化装置循环机2009年投入运行。2010年5月，因干气密封系统失效被迫停工检修；随后正常运行至2011年，2011年大修后，正常运行至2015年5月，2015年大修后再次投入运行，在2017年9月11日，干气密封系统的低压端密封泄漏量突然出现波动，先是泄漏量增大，在恢复正常后又出现泄漏量增大，且在随后的几天内出现多次波动。低压端的泄漏量波动没有任何先兆，且没有明显的规律性可言。9月15日，泄漏压力高达到联锁值，导致循环机停机。

该干气密封系统采用的是约翰克兰公司的28XP型干气密封，密封组件经天津约翰克兰2015年修复后安装在循环机上，一直运行平稳，直至2017年9月，干气密封失效而联锁停机。

对循环机的干气密封拆解后，高压端的干气密封组件未发现明显的问题；对出现问题的低压端密封组件拆检后发现动静环表面仅有微量的磨痕，无明显问题；二级密封动静环及副密封良好，无卡滞现象；一级密封副密封存在2处被撕裂，见图2。

图2 一级密封副密封撕裂

副密封表面有黑色物质附着，擦除黑色物质发现一级副密封工作表面均已经被严重磨损，部分已经有裂痕，见图3。

干气密封低压端内弹簧座以及推环表面均有黑色结焦物质附着，去除推环附着的黑色结焦物质后，发现推环镀层有明显磨损。

2 密封损坏原因分析

2.1 密封拆解分析

由拆检的结果分析，本次干气密封低压端的密封组件的失效主要集中在密封静环及推环和对静环和推环起密封作用的聚合物密封圈上。

图3 副密封表面有黑色物质附着

（1）干气密封厂商的现场技术服务人员承认在安装过程中，可能存在密封组件的锁紧螺母未安装到位的情况，导致在密封运转过程中，锁紧螺母如果没有锁紧会导致推环与副密封摩擦加剧，从而致使副密封磨损加剧。

副密封材质是以碳为基体的密封组件，当副密封组件表面与存在硬质合金的推环表面摩擦后，部分碳粉微粒落在副密封的弹簧座内及推环和副密封之间，造成推环与副密封之间产生不规则的相对运动状态，并进一步加剧了弹簧和推环之间的摩擦，造成更多的碳粉微粒进入密封腔体内，进而造成恶性循环；且推环与副密封之间的聚合物密封圈有两处撕裂，撕裂的小段聚合物密封圈可能进入推环与副密封之间，或卡在预紧固的弹簧上，造成推环与副密封之间更大的不规则的对位，导致主密封与副密封之间的相对运动状态发生大幅度的改变，改变主、副密封的平衡受力状态，导致主、副密封之间的间隙大幅度的改变，可能造成大量的介质气泄漏至后路，造成排气压力急剧上升，最终导致压缩机停机。

正常情况下，主、副密封之间的间隙稳定在2～4μm之间，在循环氢压缩机正常运行过程中存在3～6μm的轴向波动。因轴向位移的波动在主、副密封之间的间隙无法快速的恢复平衡状态时，也会造成密封泄漏量的增大。

（2）低压侧密封组件先前修复时未曾更换推环，只对推环工作表面做了抛光处理，在精度上与原始的喷涂硬质合金有差异，在运行过程中推环不断伴随转子的轴位移使得推环与副密封存在反复摩擦导致副密封磨损。由此同样会造成主密封与副密封之间的间隙变化，干气密封的工况不稳定，进而造成密封泄漏量的增大。

2.2 工艺条件分析

工艺参数对于干气密封运行的影响，主要体现为干气密封介质气组成的改变以及介质温度的控制。统计了最近6个月的循环氢组成分析，平均化处理后的分析如表1。

表1 循环氢最近6个月的平均组成分析

对此循环氢的组成利用ASPEN软件测算出在压缩机正常运行条件下的露点温度约为56.5℃，根据软件模拟测算分析，在正常运行条件下，干气密封气带液的可能较小，而一旦压缩机因为某种原因停机，或在压缩机的开停工阶段，压缩机工艺参数改变，循环氢的露点温度下移，则有可能造成液态物质进入动静密封的工作表面，进而影响干气密封的正常运行。2010年，该装置的干气密封系统曾因为停工期间的处置不当，导致将液态物质带入干气密封的动静环工作表面，造成干气密封损坏，如图4所示。

图4 油渍浸入静环而产生的亮斑

除去带液的问题外，在正常运行的过程中，循环机进出口的温度基本维持稳定，但进出口的压力因反应系统或氢气供给的波动，可能造成循环机的进出口压力较大幅度的波动，特别是循环机出口的压力波动，直接影响到干气密封系统的稳定运行，如瞬间波幅过大，可能造成动静环表面相互接触而在高速的相对运动中造成极大地磨损，造成干气密封的失效而损坏。

3 稳定干气密封运行的措施

3.1 保证安装质量，避免出现类似密封组件锁紧螺母安装不到位的情况

由于干气密封核心部件的安装全部都是密封厂商的现场技术服务人员进行，因商业合约的限制，无法对其安装的质量进行检测。可在商业条款中加大对出现问题后的追责来使厂商的技术服务人员来保证核心部件安装的质量。

对于推环等核心部件，如出现磨损，则尽可能不再使用，修复后的核心组件在整体装配上的精度差异，无法通过工艺调整来获得补偿，为此节省的费用而造成装置面临极大的停工风险，反而得不偿失。

3.2 在工艺生产过程中，尽可能的保证干气密封系统的相关参数的稳定

3.2.1 避免液态物质进入干气密封系统

由于干气密封的特性，在正常运行过程中，工艺参数的小幅度波动不会对供气密封的运行造成永久性的损伤；而在装置开工或停工等特殊阶段，有可能因为参数设置的不当而造成干气密封系统带液，进而造成密封性能的降低或完全失效。

定期进行循环氢的全组成分析，以确定其该运行状态下的露点温度低于操作温度。降低循环氢介质进入干气密封系统后产生凝液的可能；并对干气密封的除湿除雾器设定一定的液位报警值，当液位到达报警值时，及时对除湿除雾器进行切液，避免液态介质进入干气密封的动静环运动表面而使密封失效。

在开停工期间，特别注意介质运行参数的变化，及时使用ASPEN软件或其他类似的软件对循环氢进行露点测算，保证其运行温度在当前状态下的露点温度之上。

在循环机停工期间，对循环机的出口管线外接临时管线进行排液，避免开机时，液体随高速流动的气流进入干气密封系统而使密封失效。

3.2.2 控制压缩机的出口压力的瞬间波动量

在厂商给出的建议值中，进入干气密封系统在操作温度下的压力变动每分钟不大于0.4MPa；而目前干气密封主要通过主密封气与压缩机平衡管之间的差压来控制干气密封主密封气的流量，差压正常情况下控制为0.25～0.27MPa，而当循环机的出口压力瞬间波幅大于此差压，则有可能造成干气密封主密封气无流量通过，大量的工艺介质气体经过主密封气进入主密封的动静环工作表面，造成工艺介质气与干气密封主密封气之间的迷宫密封因差压过大而引发迷宫密封的失效，进而引发干气密封失效，严重时可能引发泄漏量过大而导致压缩机联锁跳车。

为此，稳定工艺操作，特别是控制异常状态下的循环机出口的压力波幅，而循环机出口的压力控制源于新氢压缩机负荷控制与反应系统氢气需求负荷之差。在异常情况下，除了维持新氢机的运转外，更应保证循环机的出口压力波动不大于0.25MPa/min,以确保在波动的瞬间不至于主密封气无流量注入。同时避免因出口压力波动过大，而引发干气密封动静环之间的间隙无法及时恢复平衡。

4 结语

因为干气密封一次性成型的特点，为保证干气密封运行的稳定性和可靠性，除了保证安装的可靠性和精度外，工艺上尽可能的去除进入干气密封系统的液相物质，并维持压缩机出口压力的单位时间内的波动小于干气密封系统的控制差压，以保证干气密封系统的稳定运行，为循环机的长周期稳定运行创造平稳的工作条件。