循环氢离心压缩机干气密封失效的原因分析与改进

许思维，宋迎剑，康少华，于贵福，雷锡峰，刘 娜

（中国石油广西石化分公司，广西 钦州 535000）

某石化公司加氢装置采用UOP工艺包，设计规模220万t·a-1，装置年开工时数8400h，操作弹性60%～110%。装置的循环氢压缩机型号为BCL405，功率2600kW，采用干气密封作为轴密封。干气密封的流程为：循环氢压机出口抽出→水冷器冷却→分液罐（容积扩容至0.59m³）→除湿器→蒸汽加热器→管路电伴热（温度加热至90℃以上）→密封系统（T形槽密封）。干气密封是干运转、气体润滑、非接触式机械端面密封的简称，特点是以气封气、非接触、气膜润滑、功耗低、寿命长、可靠性高、运行维护费用低。与高速机械密封相比，干气密封的密封面宽，旋转环（硬环）密封面刻有微米量级的动压槽，密封面分为槽区和坝区两部分（图1）。目前最先进的干气密封是高速透平机械轴端密封型式，是设计院、主机厂和终端用户首选的大机组轴端密封型式。

图1 干气密封结构

1 故障现象

本次出现故障的干气密封是型号为Gaspac L、带有中间迷宫的串联式干气密封，密封面槽型为T型。动环材料为SiN氮化硅，静环材料为SiC，表面有金刚石涂层。密封气介质为循环氢，温度90～100℃，压力16MPa。密封的泄漏部位为一级密封环（图2）。对干气密封进行拆检，发现非驱动端的一级密封静环发生了磨损，非驱动端的一级密封排气流道有明显泪痕。

图2 一级密封环泄漏部位

2 原因分析

2.1 干气密封系统的设计

对照API 692《压缩机干气密封标准》，干气密封系统的配置完全符合API要求（图3）。其中B1为冷却单元，B2为过滤单元，B3为增压单元，B4为加热单元。

图3 API标准配置

干气密封按照T型槽进行设计（图4）。装置在异常情况下发生介质带液时，T型槽密封的抗干扰能力不足，螺旋槽形式的密封则能提高装置抗异常波动的能力。

图4 T型槽

2.2 机械原因

检查压缩机的轴瓦振动和轴位移情况，在泄漏量波动期间，循环氢压缩机的轴位移稳定无变化，驱动端一个点的振动在8～10μm之间变化，波动在正常范围内。

2.3 干气密封过滤器滤芯

拆除过滤器滤芯进行检查，发现内部含有部分黑色细小粉末。对黑色粉末进行化验分析，结果见表1。分析采集样品中各元素的来源：① S元素在整个循环氢中主要以H2S形式存在，而H2S是加氢反应必然的生成物；② Fe元素是循环氢管线中的腐蚀产物，以硫化亚铁的形式存在；③ O元素是垢样在空气中氧化产生的，并非介质中携带。Al2O3含量为9.619%，说明催化剂瓷球的粉末穿透整个流程进入干气密封系统中，不会导致干气密封失效。

表1 黑色粉末的化验分析结果

2.4 运行介质分析

装置开工初期，循环氢中的氢气纯度均在96%以上，循环氢中的其他组分尤其是C3以上的重组分，均优于设计条件。由6月1日8：00的循环氢组成分析结果，可计算出循环氢的露点为45.7℃。根据洛阳院和UOP的设计工艺条件，循环氢中应含有0.12mol%的水蒸气，折算成单质水的露点温度为57℃。当时的空冷出口温度为49℃，压缩机的出口温度为65℃，干气密封加热后的温度为94℃，均高于循环氢的露点温度，从操作温度上判断，正常生产状态下，循环氢不具备产生凝液的条件。

2.5 干气密封带液

对比了历次干气密封发生泄漏时驱动端与非驱动端的泄漏量，发现两侧的干气密封漏气量均同时出现大幅度波动，说明密封波动的原因是由共同的介质因素导致的，而不是密封本体发生了故障。打开干气密封腔体，发现有液体存在。进一步对此次干气密封失效时的运行情况进行分析。在此次开机前，装置出现了一次紧急停工。在紧急情况下，装置需要启动7bar放空，以确保装置达到退守状态（图5）。启动紧急放空后，经过冷高分V106的气体流量迅速增大，导致冷高分失去了气液分离能力，大量含有液体和杂质的气体穿透冷高分，大部分至高压火炬系统。此时循环氢压缩机仍在运行，所以另一部分含有大量液体和杂质的循环氢在压缩机入口管线中沉积。

图5 装置紧急泄压系统

3 故障原因结论

在上一次装置的紧急停工中，压缩机入口管线中沉积的含有大量液体和杂质的循环氢，在再次开机前，随着循环氢的流通，被带到下游的干气密封系统中，导致密封受到污染。干气密封带液，导致动静密封环失去动压效应，从而引起密封面发生磨损失效。装置在异常情况下发生介质带液时，干气密封T型槽密封的抗干扰能力不足。

4 应对策略及效果

对异常状态后恢复生产的操作进行优化，以消除装置紧急停工再启动泄压后，循环氢系统带液和带杂质的影响。恢复生产前，应对整个循环氢系统进行彻底的脱液和置换。打开压缩机入口阀之前，要对压缩机的入口管线进行充分置换，置换量应不小于系统的管线容积（管线容积1200Nm³），且持续排放与间断排放要交替进行。

为了提高干气密封自身抗异常工况干扰的能力，将T型槽改为螺旋槽（图6），利用螺旋槽较好的动压效应来提高气膜的刚度，可在一定程度上提高密封的抗干扰能力。对新干气密封的各项数据进行测试（图7），测试合格后方可使用。

图6 螺旋槽

图7 新干气密封的各项测试数据

5 结论

保证循环氢压缩机干气密封的长周期运行是一项系统性工程，要从原始设计、工艺流程完善、原料质量控制、工艺条件变更、密封选型、操作条件优化、设备日常维护保养、新技术引进等方面进行统筹管理，生产和设备专业要紧密配合，根据介质、操作条件、机组运行状态等变化情况，随时优化调整操作。找出系统带液和杂质的根本原因并采取有效的预防措施，提高对系统中变化量的敏感性，定期组织开展工艺技术分析，充分辨识工艺调整带来的系统性变化和危害，方可确保干气密封的长周期运行。