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西部管道壓縮機組干氣密封失效故障分析
摘要：針對西氣東輸站場(chǎng)內壓縮機組干氣密封頻繁失效并造成高額維修更換費用的問(wèn)題，本研究從干氣密封工作原理和基本結構出發(fā)，結合典型的輸氣管道離心壓縮機組干氣密封失效現象，進(jìn)行系統分析，明確了主要的故障原因，并提出了具體的解決措施和建議。以期對壓縮機站場(chǎng)干氣密封的使用及維護提供一定的指導。
關(guān)鍵詞：摩擦副 追隨性 DLC涂層 動(dòng)壓槽
西部管道公司所轄輸氣管線(xiàn)壓縮機組全部采用成熟的干氣密封完成離心壓縮機軸端工藝氣的封嚴，鑒于輸氣管線(xiàn)壓縮機組運行環(huán)境客觀(guān)因素限制及自身設計特點(diǎn)的特殊要求，在機組正常運維中，干氣密封因為設計、氣質(zhì)因素、操作運維等方面的因素，故障率相對較高。
為了較好地解決干氣密封系統失效率偏高的問(wèn)題，提高系統可靠性，本研究主要結合失效密封的拆解，進(jìn)行系統綜合分析。
1、西部管道公司壓縮機組干氣密封配套情況
截止2015年2月底，西部管道公司已經(jīng)投運97臺套大型離心式壓縮機組，均采用干氣密封系統實(shí)現離心壓縮機軸端工藝氣的封嚴。目前所選用干氣密封系統按照摩擦副的配對形式，主要分為硬對硬與硬對軟兩種方式，供貨商主要來(lái)自博格曼、約翰克蘭、福斯。
博格曼、福斯干氣密封均采用硬對硬的配對方式，摩擦副主要選用SiC或SiN，摩擦副表面經(jīng)過(guò)特殊工藝處理保持相對更高的光潔度;約翰克蘭干氣密封采用硬對軟的配對方式，動(dòng)環(huán)一般選用高韌性的合金鋼或強度較高的SiC，配對的靜環(huán)一般選用較軟的石墨碳環(huán)。
西部管道公司所轄壓縮機組配套干氣密封匯總信息如圖1和表1所示。
由統計結果看，目前已經(jīng)投運壓縮機組選用干氣密封主要以博格曼為主，約翰克蘭密封主要應用于西一線(xiàn)RR壓縮機組上。福斯干氣密封前期集中應用于solar配套離心壓縮機上，后續在西三線(xiàn)壓縮機組上陸續投入使用。
硬對硬的配對型式可以保證干氣密封相對更少的密封氣泄漏量，但其相對獨特的動(dòng)壓槽三維機械槽型、較高要求的摩擦副表面的金剛石涂層技術(shù)，大幅增加了生產(chǎn)加工、故障修復周期及費用的大幅增加，同時(shí)對于配套的密封氣處理系統有更高要求。
2、干氣密封主要的工作原理
典型的干氣密封結構包含有靜環(huán)、動(dòng)環(huán)組件(旋轉環(huán))、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。靜環(huán)位于不銹鋼彈簧座內，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無(wú)負荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在轉子上的動(dòng)環(huán)組件配合，如圖2所示。
配合表面平面度和光潔度很高，動(dòng)環(huán)組件配合表面上有一系列的螺旋槽，如圖3所示。
隨著(zhù)轉子轉動(dòng)，氣體被向內泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段無(wú)槽區稱(chēng)為密封壩。密封壩對氣體流動(dòng)產(chǎn)生阻力作用，增加氣體膜壓力。該密封壩的內側還有一系列的反向螺旋槽，這些反向螺旋槽起著(zhù)反向泵送、改善配合表面壓力分布的作用，從而加大開(kāi)啟靜環(huán)與動(dòng)環(huán)組件間氣隙的能力。反向螺旋槽的內側還有一段密封壩，對氣體流動(dòng)產(chǎn)生阻力作用，增加氣體膜壓力。配合表面間的壓力使靜環(huán)表面與動(dòng)環(huán)組件脫離，保持一個(gè)很小的間隙，一般為3μm左右。當由氣體壓力和彈簧力產(chǎn)生的閉合壓力與氣體膜的開(kāi)啟壓力相等時(shí)，便建立了穩定的平衡間隙。在動(dòng)力平衡條件下，作用在密封上的力如圖4所示。
閉合力Fc，是氣體壓力和彈簧力的總和。開(kāi)啟力Fo是由端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo，運行間隙大約為3μm。
如果由于某種干擾使密封間隙減小，則端面間的壓力就會(huì )升高，這時(shí)，開(kāi)啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動(dòng)加大，直至平衡為止，如圖5所示。
如果擾動(dòng)使密封間隙增大，端面間的壓力就會(huì )降低，閉合力Fc大于開(kāi)啟力Fo，端面間隙自動(dòng)減小，密封會(huì )很快達到新的平衡狀態(tài)，見(jiàn)圖6。
這種機制將在靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩定性相當高的氣體薄膜，使得在一般的動(dòng)力運行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損，延長(cháng)了使用壽命。
3、西部管道公司所轄壓縮機干氣密封失效統計
西部管道所轄壓縮機組自2012年至今，通過(guò)計劃檢修強制更換及故障失效檢修更換干氣密封共計33次，更換密封合計56個(gè)(含驅動(dòng)端、非驅動(dòng)端密封)，具體信息如表2和圖7所示。
由統計結果可以看出，壓縮機組正常運行或啟停機過(guò)程中，突然異常失效次數達到19次，占56%，構成干氣密封更換的主要因素。計劃性檢修及備件超期存儲強制返廠(chǎng)測試合計12次，占比36%。由于運行中或啟停機過(guò)程中，干氣密封突然失效對于生產(chǎn)運行影響較大，且該類(lèi)失效占干氣密封返修的主要份額，所以，亟待解決干氣密封的異常失效問(wèn)題。
4、干氣密封失效原因
針對全部返廠(chǎng)維修的干氣密封，通過(guò)工廠(chǎng)拆解檢查來(lái)看，導致密封失效的主要原因主要集中在以下六個(gè)方面。
4.1 密封浮動(dòng)面固液雜質(zhì)聚集導致密封失效
雜質(zhì)聚集在推環(huán)處，導致推環(huán)阻力增加，靜環(huán)追隨性下降，動(dòng)靜環(huán)間無(wú)法根據負荷變化及時(shí)調整相互間距，剛性氣膜穩定性下降，最終密封失效，泄漏量增加。
該類(lèi)原因在所有返廠(chǎng)維修干氣密封中普遍存在，同時(shí)，這也是導致部分密封動(dòng)靜環(huán)端面及動(dòng)壓槽磨損現象的主要原因之一。另一方面，因為采用的密封摩擦副型式為硬對軟及配套的更適于傳遞較大扭矩的撥叉傳動(dòng)等方式，約翰克蘭干氣密封極少出現動(dòng)靜環(huán)碎裂的問(wèn)題，雜質(zhì)聚集導致靜環(huán)追隨性差成為該類(lèi)型密封失效的主要因素。
4.2 動(dòng)環(huán)定位失效
統計故障密封解體檢查結果，動(dòng)環(huán)定位失效是導致博格曼密封失效的主要原因之一。因為定位及扭矩傳遞方式的不同，在約翰克蘭密封上目前未發(fā)現因此導致的失效故障。
目前博格曼干氣密封動(dòng)環(huán)定位主要通過(guò)帶一定傾斜角度的支撐拉簧及動(dòng)環(huán)背部的密封圈完成定位，同時(shí)，支撐拉簧還起到動(dòng)環(huán)與動(dòng)環(huán)座間轉動(dòng)扭矩的傳遞作用。其具體結構如圖8所示。
由圖8可以看出，在博格曼的干氣密封中，動(dòng)環(huán)支撐拉簧同時(shí)起到定位和扭矩傳動(dòng)的作用，在進(jìn)入密封腔的氣質(zhì)帶液或固體雜質(zhì)或摩擦副端面光潔度較差時(shí)，易導致啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)環(huán)轉動(dòng)扭矩瞬間增大。
因為支持拉簧單位載荷較小，變形范圍大，在機組啟停機或動(dòng)靜環(huán)接觸磨損時(shí)過(guò)大的轉動(dòng)扭矩超過(guò)其承載能力，導致支撐拉簧變形脫落，動(dòng)環(huán)與動(dòng)環(huán)座產(chǎn)生相對位移，不但會(huì )影響密封端面的氣膜穩定性，造成密封抵抗外界干擾的能力大幅度下降，而且會(huì )使動(dòng)環(huán)輔助密封圈的過(guò)盈量減小至失去密封性能，導致整個(gè)干氣密封失效。同時(shí)，較大的相對位移也會(huì )導致動(dòng)環(huán)的定心定位失效，動(dòng)靜環(huán)端面會(huì )產(chǎn)生接觸摩擦，導致動(dòng)壓槽、動(dòng)靜環(huán)端面磨損，以及動(dòng)環(huán)背部密封圈磨損，最終密封失效。
4.3 動(dòng)靜環(huán)嚴重磨損或碎裂
動(dòng)靜環(huán)碎裂或端面、動(dòng)壓槽嚴重磨損，主要原因在于動(dòng)環(huán)定位及扭矩傳遞機構在運行工況下適應范圍相對較小，或者進(jìn)入密封腔的氣質(zhì)嚴重帶固、液體雜質(zhì)，導致運轉中密封端面產(chǎn)生接觸摩擦而導致。
進(jìn)入密封腔的干氣嚴重帶液，在動(dòng)靜環(huán)相對高速轉動(dòng)中，隨動(dòng)靜環(huán)端面溫度的升高而迅速氣化，一方面對氣膜產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞氣膜穩定性，并導致動(dòng)靜環(huán)端面溫度場(chǎng)分布的瞬間異常變化，進(jìn)而可能直接導致動(dòng)靜環(huán)的炸裂，密封失效;另一方面，靜態(tài)充壓階段，較低的干氣密封供氣溫度在壓縮機缸體充壓過(guò)程中(節流降溫的一個(gè)過(guò)程)，更易通過(guò)轉軸的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，進(jìn)一步降低干氣密封的整體溫度，導致O型圈、C型密封圈等密封件彈性降低，密封浮動(dòng)性下降。
同時(shí)，若在氣質(zhì)相對較差(含較高重烴組分或帶液)時(shí)，靜態(tài)下在動(dòng)靜環(huán)密封端面間凝析的液體雜質(zhì)也會(huì )導致動(dòng)環(huán)轉動(dòng)扭矩的大幅增加，進(jìn)而導致動(dòng)環(huán)扭矩傳動(dòng)件或靜環(huán)定位銷(xiāo)或定位銷(xiāo)孔的損傷，最終導致密封端面磨損而失效。所以，密封氣帶液對干氣密封損害極大，由此導致的潛在隱患非常嚴重，西一線(xiàn)酒泉站2#機組驅動(dòng)端干氣密封一、二級動(dòng)靜環(huán)在更換后啟機測試加載過(guò)程中，突然碎裂就直接導致了天然氣的大量泄漏。
因原先設計的干氣密封過(guò)濾系統并未考慮異常帶液及重烴組分節流降溫后凝析的問(wèn)題，在管道壓縮機投產(chǎn)初期及日常運維中氣質(zhì)的異常變化，由此極易出現密封氣帶液的問(wèn)題，這在雙聯(lián)過(guò)濾器濾芯的鼓包穿孔現象及密封解體后端面發(fā)現液態(tài)烴的現象均可以說(shuō)明以上問(wèn)題的存在。
4.4 密封腔大量進(jìn)油
目前還未發(fā)現干氣密封一級動(dòng)靜環(huán)端面存在明顯帶油跡象，但在二級密封端面及壓縮機端蓋相應環(huán)槽發(fā)現存油現象較為普遍�；蛶朊芊馇�，一方面與干氣帶液一樣會(huì )導致摩擦副的磨損甚至碎裂。另一方面，滑油對于干氣密封橡膠密封件具有一定的腐蝕作用，易導致橡膠密封件的老化，彈性降低，進(jìn)而影響靜環(huán)的浮動(dòng)性，導致追隨性降低，抗擊負荷波動(dòng)能力下降，從而也會(huì )導致相應的密封失效。
4.5 安裝失誤導致密封損壞
在干氣密封的正常更換過(guò)程中，對于密封安裝的技術(shù)要求未能透徹把握，由此導致安裝過(guò)程中出現軸向定位尺寸錯誤、C型密封圈損傷等問(wèn)題，直接導致啟機測試過(guò)程中，密封摩擦副磨損等而失效。已有的兩次分別為質(zhì)保期內烏魯木齊站、瓜州站密封更換過(guò)程中，安裝失誤，直接導致密封摩擦副磨損碎裂。
4.6 軸向串動(dòng)量超標導致密封連帶損壞
干氣密封允許的軸向串動(dòng)量一般在3mm左右，正常情況下，離心壓縮機在止推軸承作用下，推力間隙控制在0.35mm～0.45mm，正常情況下軸向位移對干氣密封不會(huì )產(chǎn)生不利影響。該故障主要在西二線(xiàn)煙墩站3#機組因為高負荷運行中，離心壓縮機平衡氣管線(xiàn)高壓側緊固螺栓突然斷裂，由此導致軸向力平衡突然發(fā)生逆轉，壓縮機轉子瞬間向驅動(dòng)端大幅串動(dòng)，導致平衡鼓與端蓋梳齒密封、二級葉輪與出口導流葉片直接發(fā)生摩擦，驅動(dòng)端干氣密封因為軸向串動(dòng)量嚴重超標，進(jìn)而導致動(dòng)靜環(huán)嚴重磨損而失效。
干氣密封異常失效具體原因構成情況如表3和圖9所示。
從統計結果來(lái)看，由于密封采用的配對形式不同，以及定位及扭矩傳動(dòng)方式的差異性，動(dòng)環(huán)定位失效成為博格曼密封失效的主要原因，也是密封失效率最高的因素。而導致定位失效的原因，則主要在于密封自身設計所針對的運行環(huán)境相對較高，需要對氣質(zhì)有更高的要求。再考慮到雜質(zhì)聚集的失效率比例，現有管道壓縮機運行環(huán)境，特別是上游管道運行的實(shí)際氣質(zhì)變化，對密封的影響成為了絕對的主要原因。
5、措施及解決方案
5.1 提高干氣密封運行所需的氣質(zhì)品質(zhì)
針對目前管線(xiàn)壓縮機實(shí)際運行環(huán)境，可行的措施主要有以下兩個(gè)方面：
(1)增加干氣密封系統前置過(guò)濾系統。
原有壓縮機組配套的干氣密封處理撬僅包含雙聯(lián)過(guò)濾器及加熱器，并未考慮管道運行環(huán)境下，特別是初期投產(chǎn)期間，工藝區內部管路積存或下游地點(diǎn)站場(chǎng)間工藝管路中存留的水份、重烴、銹蝕雜質(zhì)等的影響，原有過(guò)濾器容塵量有限，且無(wú)脫除液體組分的能力，導致固、液雜質(zhì)帶入系統并損壞干氣密封。
增加干氣密封前置脫液、粗過(guò)濾系統，可以有效提高密封氣品質(zhì)。
(2)優(yōu)化干氣密封控制邏輯。
根據目前機組控制邏輯，主要可以從提高密封氣供氣溫度和增加壓縮機缸體充壓前干氣密封的預先投用時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。
現有邏輯干氣密封加熱器控制溫度25℃，是考慮在70bar壓力下，密封氣水露點(diǎn)在-7℃以上情況下的需求設定的。一般控制要求，進(jìn)入干氣密封腔體內的密封氣應高于同等壓力下的露點(diǎn)溫度20℃以上為宜。在實(shí)際投用過(guò)程中，因為此時(shí)干氣密封供氣管路上差壓調節閥、節流孔板的逐級節流降壓效應，最終進(jìn)入干氣密封密封腔的密封氣的溫度過(guò)低，特別是冬季明顯存在供氣管線(xiàn)掛霜的現象，由此可能直接導致重烴組分的凝析和密封橡膠件的低溫脆化，最終導致密封失效幾率的大幅增加。
另一方面，現有控制邏輯，機組干氣密封系統的投用基本與壓縮機缸體充壓同步，其中，GE機組干氣密封系統在壓縮機加載閥開(kāi)啟前120s預先投用，但該時(shí)間端無(wú)法滿(mǎn)足密封氣預加熱溫度要求;RR機組則是干氣密封與壓縮機缸體充壓同步進(jìn)行，無(wú)預加熱時(shí)間。
通過(guò)控制邏輯分析，為保證干氣密封的穩定運行環(huán)境，需要大幅提高啟機過(guò)程中的干氣密封氣的預先投運時(shí)間，建議控制在壓縮機缸體充壓前10min投運為宜，同時(shí)，提高干氣密封加熱器溫度設定值為45℃，這樣可以兼顧啟機周期的前提下，更好地保證干氣的溫度達到所需要求，并對密封腔有足夠的清潔吹掃時(shí)間，減少固體、液體雜質(zhì)對摩擦副端面聚集下的不利影響。
另一方面，適當減小加載閥孔板尺寸，降低壓縮機缸體充壓速率，進(jìn)而減少缸體節流降溫對于干氣密封的不利影響，對于改善干氣密封的工作環(huán)境同樣會(huì )起到較好的作用。
對于GE燃驅機組，相關(guān)邏輯更改如圖10所示。
5.2 改進(jìn)干氣密封定位及扭矩傳遞可靠性
根據密封解體失效分析，建議采取如下措施：
(1)將動(dòng)環(huán)定位方式，改進(jìn)現有動(dòng)環(huán)支撐拉簧結構形式，減少運行中傳遞扭矩的變形量，提高其可靠性�；蛘咧苯訉⑵涓倪M(jìn)為容差帶，提高定心可靠性。
(2)優(yōu)化動(dòng)環(huán)扭矩傳動(dòng)方式，將動(dòng)環(huán)扭矩傳遞由支撐拉簧改進(jìn)為撥叉傳動(dòng)。
5.3 提高密封適應較大氣質(zhì)變化條件的可靠性
鑒于管線(xiàn)壓縮機運行實(shí)際氣質(zhì)條件，優(yōu)先選用硬對軟的配對形式的密封，提高密封適應較大氣質(zhì)變化條件的可靠性，并降低維修技術(shù)門(mén)檻，降低運維費用。
5.4 改進(jìn)動(dòng)環(huán)動(dòng)壓槽槽型設計
在保證密封動(dòng)壓效應的條件下，使密封靜壓效應大幅度提高，實(shí)現密封端面的超低壓氣浮(密封動(dòng)靜環(huán)端面脫開(kāi))，有效減小密封的靜態(tài)扭矩，防止機組啟停機過(guò)程中密封端面的接觸，從而解決靜環(huán)防轉孔處崩壞、動(dòng)靜環(huán)磨損損壞。
5.5 改進(jìn)干氣密封防止油氣泄漏的設計，加強日常壓縮機密封低點(diǎn)監控和排污
在三級隔離密封內外梳齒密封連接螺釘處增加密封墊片，消除可能的油氣泄漏通道，泄漏通道具體如圖11(a)所示。
針對干氣密封鎖緊螺母內緣與轉子的配合間隙，改進(jìn)擋油環(huán)設計，消除可能的泄漏通道，如圖11(b)所示。
每日對機組干氣密封二級低點(diǎn)排污口視鏡進(jìn)行檢查，確認有無(wú)液位，每月進(jìn)行排污，防止液體聚集帶入密封腔，如圖12所示。
5.6 強化二級密封監控，提高二級密封工作環(huán)境
目前二級密封放空無(wú)任何監控，但二級密封在串聯(lián)式干氣密封的設計中，起到一級密封失效后的絕對的安全保護作用，為此必須高度重視二級密封的工作狀況的監控。
針對現狀，主要從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：
(1)二級放空口增加壓差監控，設置必要的報警、聯(lián)鎖，確保二級失效及時(shí)發(fā)現，并及時(shí)開(kāi)展處理。同時(shí)，驅動(dòng)端、非驅動(dòng)端干氣密封二級放空口單獨設置室外高點(diǎn)放空，避免通過(guò)較小的匯管放空的方式，從而避免一端嚴重失效時(shí)，氣流反串危及另一端干氣密封，保證密封整體的安全性能。
(2)提高二級密封氣的穩定性，及時(shí)調整一級放空壓力控制閥，確保一級泄漏壓力在設計指標內，進(jìn)而保證二級密封的穩定工作要求。對于壓縮機端蓋預留有緩沖氣(二級密封氣)通道的離心壓縮機，依托站場(chǎng)實(shí)際條件，增加可靠的惰性氣體的供氣條件，從根本上改變現有二級密封的工作環(huán)境和相關(guān)設計，切實(shí)提高二級密封的安全可靠性。
(3)論證并試點(diǎn)在礦物油箱增加超壓緊急卸放裝置，防止干氣密封一二級同時(shí)異常失效下的安全。
5.7 改進(jìn)三級隔離密封結構形式，降低儀表風(fēng)消耗，減少油氣帶入密封腔的可能性因素
逐步改進(jìn)現有梳齒型式的隔離密封，改進(jìn)為密封效果更好、儀表風(fēng)消耗量更少的碳環(huán)密封，減少干氣密封腔進(jìn)油的風(fēng)險。
合理評估三級隔離氣儀表風(fēng)需求，在保證放空防爆安全需求的前提下，適當調整供氣孔板尺寸，降低軸承腔內壓，減少油氣泄漏進(jìn)入干氣密封腔的風(fēng)險。
參考文獻：
[1] 鐘桂香，羅瀟，郗祥遠.干氣密封失效原因分析與有效性措施[J].油氣儲運，2014(3)：335-339.
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