王 群,史堯林

(中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,浙江 寧波 315207)

20世紀(jì)90年代以后,干氣密封開(kāi)始引入國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè),逐漸替代傳統(tǒng)浮環(huán)密封。投入工業(yè)應(yīng)用后,干氣密封以?xún)?yōu)異的性能、較小的功耗、清潔的環(huán)境和長(zhǎng)周期的運(yùn)行等諸多方面優(yōu)勢(shì)贏得了廣泛的認(rèn)可。

高壓干氣密封一般指壓力在12.0 MPa以上的干氣密封,一般在加氫裂化、蠟油加氫、渣油加氫、潤(rùn)滑油加氫等煉油裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)上使用。

根據(jù)某集團(tuán)煉化企業(yè)高壓干氣密封多年運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),總體情況較好,但故障仍然存在,故障率約占總裝機(jī)量的17.2%。密封故障可能導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)、裝置非計(jì)劃停工,給安全生產(chǎn)帶來(lái)較大影響。

據(jù)統(tǒng)計(jì),干氣密封故障有3個(gè)主要特點(diǎn):一是突發(fā)性,二是廣泛性,三是差異性。突發(fā)性是指故障前期現(xiàn)象一般不明顯,當(dāng)出現(xiàn)可識(shí)別的異常時(shí),故障已無(wú)可挽回,無(wú)法給預(yù)處理提供足夠時(shí)間;廣泛性是指進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)密封均存在故障問(wèn)題;差異性是指不同廠家故障特點(diǎn)不盡相同,進(jìn)口密封故障大都表現(xiàn)為靜環(huán)碎裂,動(dòng)、靜環(huán)劃痕,國(guó)產(chǎn)密封主要表現(xiàn)為C形圈斷裂。某集團(tuán)煉化企業(yè)高壓干氣密封故障情況見(jiàn)表1。

表1 某集團(tuán)煉化企業(yè)高壓干氣密封故障情況

1 干氣密封故障情況

1.1 高壓干氣密封工作原理

高壓干氣密封一般采用串聯(lián)結(jié)構(gòu),一共2級(jí)。第1級(jí)安裝在介質(zhì)側(cè),密封氣從F1注入,一部分進(jìn)入動(dòng)、靜密封環(huán),通過(guò)F2排入火炬系統(tǒng);另一部分通過(guò)機(jī)組軸端梳齒密封進(jìn)入機(jī)組, 如圖1所示。流經(jīng)動(dòng)、靜環(huán)之間的密封干氣, 依靠動(dòng)、靜環(huán)相對(duì)旋轉(zhuǎn)形成泵送比壓, 推開(kāi)動(dòng)、靜環(huán), 提供3～5 μm間隙。密封氣注入壓力高于密封腔壓力,因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝介質(zhì)的密封【1】。研究表明,密封氣大部分注入機(jī)組, 只有極少部分從密封面通過(guò)【2】。由于串聯(lián)干氣密封的故障大多發(fā)生在1級(jí),因此本文只研究1級(jí)密封工作情況,并進(jìn)行故障分析。

圖1 串聯(lián)干氣密封工作原理

高壓干氣密封一般選用壓縮機(jī)出口工藝氣體作為密封氣,也稱(chēng)作一次氣。循環(huán)氫壓縮機(jī)工藝氣主要介質(zhì)是循環(huán)氫氣。氫氣在系統(tǒng)之間循環(huán),攜帶硫化氫、氯化氫、水、氨等組分,如果這些雜質(zhì)組分脫出不凈會(huì)造成密封環(huán)劃痕,而氣體帶液則會(huì)造成動(dòng)、靜環(huán)貼合,引起密封環(huán)碎裂。大部分密封控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)一次氣進(jìn)行分液、過(guò)濾、聚結(jié)排液,同時(shí)配置伴熱,使之溫度高于露點(diǎn)20 ℃,確保一次氣潔凈、工作環(huán)境符合要求。

1.2 高壓干氣密封工作過(guò)程

機(jī)組工作過(guò)程中,轉(zhuǎn)子軸向有0.2 mm左右的正常竄動(dòng)。為了補(bǔ)償這個(gè)位移,干氣密封設(shè)置了靜環(huán)+推環(huán)+補(bǔ)償彈簧+彈簧座這樣的結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)時(shí),密封靜環(huán)和靜環(huán)推環(huán)擠壓補(bǔ)償彈簧前后擺動(dòng)。從這個(gè)過(guò)程看,靜環(huán)其實(shí)并不完全是靜止?fàn)顟B(tài)。由于靜環(huán)的微小擺動(dòng),會(huì)造成靜環(huán)的推環(huán)與彈簧座之間的密封圈與接觸面產(chǎn)生摩擦,如圖2所示。該密封圈結(jié)構(gòu)如同字母C,一般稱(chēng)為C形圈。

圖2 高壓干氣密封運(yùn)行狀態(tài)

在這個(gè)工作過(guò)程中,有2處密封相對(duì)薄弱。一是動(dòng)、靜環(huán)之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn),一次氣流動(dòng)產(chǎn)生的密封,是干氣密封的核心密封點(diǎn),也是主要故障點(diǎn)。二是靜環(huán)的推環(huán)與彈簧座之間的C形圈。C形圈可稱(chēng)作靜密封中的動(dòng)密封,運(yùn)行過(guò)程中被摩擦、擠壓,是干氣密封的又一故障點(diǎn)。干氣密封的設(shè)計(jì)、制造和技術(shù)進(jìn)步一般都圍繞這2點(diǎn)開(kāi)展。

1.3 高壓干氣密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)

目前主要依靠一次氣流量監(jiān)測(cè)和壓差監(jiān)測(cè)對(duì)干氣密封中動(dòng)、靜密封環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)這2個(gè)參數(shù)的波動(dòng)情況,判斷密封工作狀態(tài)是否正常。一次氣流量的波動(dòng)基本可以反映動(dòng)、靜環(huán)的運(yùn)行狀態(tài),號(hào)稱(chēng)干氣密封運(yùn)行的晴雨表。但是仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn),其實(shí)不然。因?yàn)檫@個(gè)流量一般是指從F1注入的總流量,而不是流過(guò)動(dòng)、靜環(huán)間隙的流量。從干氣密封結(jié)構(gòu)看,流經(jīng)密封面的一次氣流量才是直觀反映其工作狀態(tài)的參數(shù),而這一部分流量?jī)H為總流量的10%。在這種情況下,監(jiān)測(cè)總流量波動(dòng)很難反映出密封的工作狀態(tài),效果十分有限。從機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況看,有時(shí)候密封氣流量波動(dòng)很大,密封運(yùn)行無(wú)異常;有時(shí)候密封氣流量波動(dòng)不大,但沒(méi)過(guò)多久密封卻發(fā)生故障。上述現(xiàn)象說(shuō)明,干氣密封的運(yùn)行狀態(tài)異常具有隱蔽性,且通過(guò)前期運(yùn)行波動(dòng)很難發(fā)現(xiàn),容易出現(xiàn)突發(fā)故障。

對(duì)于C形圈的工作狀態(tài),受技術(shù)限制,目前還沒(méi)有監(jiān)控手段,其工作壽命只能依托于密封初始制造水平和安裝精度,以及機(jī)組運(yùn)行過(guò)程盡量保持狀態(tài)平穩(wěn)。因此,C形圈斷裂前,很難發(fā)現(xiàn)異常,總是斷裂后工藝介質(zhì)大量泄漏時(shí)才能發(fā)現(xiàn),但為時(shí)已晚。

2 高壓干氣密封故障案例

下面以3個(gè)典型的高壓干氣密封故障案例為例進(jìn)行分析。

2.1 案例1

某加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)1級(jí)密封泄漏氣壓力由正常值87 kPa上升至130 kPa、流量大幅波動(dòng),判斷為干氣密封損壞,主動(dòng)停機(jī)。同年2月～3月又陸續(xù)發(fā)生2次故障。

解體密封檢查發(fā)現(xiàn),靜環(huán)有深色焦痕和磨損,密封腔有液珠,除濕器、過(guò)濾器內(nèi)有液體,壓縮機(jī)平衡管有凝液,如圖3(a)和圖3(b)所示,判斷為一次氣帶液引發(fā)故障。之后2次故障情況很類(lèi)似。該密封及控制系統(tǒng)為進(jìn)口產(chǎn)品,2017年11月隨裝置開(kāi)工投用,使用2個(gè)月即首次出現(xiàn)故障。使用部門(mén)加強(qiáng)一次氣質(zhì)量控制,增加套管式伴熱,此后該密封正常工作3年,運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。

圖3 某加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)靜環(huán)磨損及有液珠的密封腔

2.2 案例2

某加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封高壓端1級(jí)泄漏氣放火炬流量高高聯(lián)鎖停機(jī),裝置緊急停工。

解體密封檢查發(fā)現(xiàn),靜環(huán)防轉(zhuǎn)銷(xiāo)斷裂,C形圈斷裂,聚結(jié)器、過(guò)濾器濾芯失效,推環(huán)高溫發(fā)藍(lán),如圖4(a)～圖4(c)所示。該密封及控制系統(tǒng)于2017年7月投用,使用時(shí)間3年零1個(gè)月。根據(jù)上述現(xiàn)象判斷為聚結(jié)器濾芯失效引起干氣密封帶液,導(dǎo)致故障。

圖4 某加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封C形圈斷裂、推環(huán)高溫發(fā)藍(lán)以及過(guò)濾器、聚結(jié)器濾芯失效

2.3 案例3

某渣油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端1級(jí)泄漏氣流量迅速上升至滿量程,泄漏氣壓力接近聯(lián)鎖值0.5 MPa,2級(jí)密封氣注氣流量持續(xù)下降。維持運(yùn)行2個(gè)月之后,主動(dòng)停機(jī),更換密封。再次運(yùn)行3個(gè)月,密封故障又觸發(fā)了機(jī)組聯(lián)鎖停車(chē)。

2次故障解體密封檢查,均發(fā)現(xiàn)1級(jí)密封C形圈斷裂,并且主密封氣帶液,如圖5(a)～圖5(c)所示。該密封2018年5月裝機(jī)運(yùn)行,C形圈第一次使用2年,第二次僅使用3個(gè)月。

圖5 某渣油加氫裝置干氣密封2次故障及C形圈斷裂、主密封氣帶液

3 原因分析

不同密封制造廠、不同機(jī)組均出現(xiàn)故障,說(shuō)明設(shè)備制造、運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)都有不足。下面針對(duì)不同案例進(jìn)行分析。

3.1 案例1原因分析

3.1.1 案例1直接原因

密封氣帶液,引起動(dòng)、靜環(huán)運(yùn)行失穩(wěn),引發(fā)故障。

3.1.2 案例1間接原因

案例1間接原因有以下幾個(gè)方面:

1) 主密封氣管路伴熱未投用,導(dǎo)致凝液析出,引起密封第1次帶液。

2) 裝置生產(chǎn)調(diào)整,投用貧胺液后,循環(huán)氫攜帶胺液,導(dǎo)致主密封氣第2次帶液。

3) 循環(huán)氫中重組分(尤其是C3以上組分)上升,導(dǎo)致露點(diǎn)上升,引起第3次帶液。

4) 某進(jìn)口品牌密封動(dòng)、靜環(huán)為雙向螺旋槽,氣膜剛度相對(duì)較小,動(dòng)、靜環(huán)間隙小,一次氣流量小,輕微帶液就容易引起失效。針對(duì)這類(lèi)密封,使用過(guò)程中應(yīng)制定嚴(yán)格的防止帶液措施。

3.1.3 案例1管理原因

案例1管理原因有以下幾個(gè)方面:

1) 操作調(diào)整時(shí)未考慮干氣密封工況,導(dǎo)致密封氣多次帶液。沒(méi)有按要求定期排液,導(dǎo)致一次氣帶液。

2) 運(yùn)行管理不到位,沒(méi)有投用一次氣伴熱。日常檢查不仔細(xì),沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)伴熱未投用的問(wèn)題。此外,該機(jī)組沒(méi)有設(shè)置主密封氣溫度報(bào)警,沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)主密封氣溫度低的情況。

3.2 案例2原因分析

3.2.1 案例2直接原因

驅(qū)動(dòng)端1級(jí)密封推環(huán)的C形圈磨損斷裂,導(dǎo)致1級(jí)密封氣從斷裂處大量泄漏。

3.2.2 案例2間接原因

案例2間接原因有以下幾個(gè)方面:

1) 干氣密封工藝氣帶氨,而聚結(jié)器濾芯、過(guò)濾器濾芯為非抗氨濾芯,因此導(dǎo)致密封失效。因工藝氣無(wú)法有效聚結(jié)和過(guò)濾,導(dǎo)致密封運(yùn)行環(huán)境惡化、運(yùn)行工況波動(dòng)加劇,長(zhǎng)期積累導(dǎo)致密封失效。

2) 中間梳齒密封磨損產(chǎn)生的金屬細(xì)粉在2級(jí)主密封氣的吹送作用下進(jìn)入C形圈密封環(huán)與推環(huán)間的間隙,加劇C形圈磨損。

3) C形圈運(yùn)行環(huán)境差,國(guó)產(chǎn)舊型號(hào)的C形圈長(zhǎng)周期運(yùn)行可靠性不足。C形圈為聚四氟乙烯+合金彈簧結(jié)構(gòu),隨著干氣密封氣膜剛度變化,靜環(huán)組件在彈簧力作用下進(jìn)行軸向追隨補(bǔ)償,推環(huán)與安裝在彈簧座上的C形圈存在軸向微動(dòng)摩擦,長(zhǎng)時(shí)間的相互作用使得C形圈磨損減薄,最終失效。此外,C形圈周?chē)嬖跓崃考?也容易引起失效。正常工況下,1級(jí)動(dòng)、靜環(huán)和推環(huán)及介質(zhì)側(cè)彈簧座形成的腔體為不流動(dòng)腔體,1級(jí)動(dòng)、靜環(huán)間的氣膜旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的熱量積聚在腔體內(nèi),溫度上升容易加劇C形圈聚四氟乙烯材料老化【3】。

3.2.3 案例2管理原因

案例2管理原因有以下幾個(gè)面:

1) 干氣密封一次氣管理不到位,一次氣帶氨導(dǎo)致聚結(jié)器、過(guò)濾器濾芯失效。

2) 干氣密封日常運(yùn)行維護(hù)不到位,聚結(jié)器、過(guò)濾器濾芯沒(méi)有按期更換,濾芯失效沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

3.3 案例3原因分析

3.3.1 案例3直接原因

密封氣帶液,引起動(dòng)、靜環(huán)運(yùn)行失穩(wěn),引發(fā)故障。

3.3.2 案例3間接原因

案例3間接原因有以下幾個(gè)方面:

1) 修復(fù)高壓干氣密封所用C形圈可靠性不足, 抵抗波動(dòng)能力較弱, 磨損斷裂。從目前的使用狀況來(lái)看,1級(jí)推環(huán)密封圈(填充聚四氟乙烯+螺旋彈簧)材料耐磨性能偏低,推環(huán)座與C形圈對(duì)中性不良造成偏磨, 推環(huán)卡澀最終導(dǎo)致密封失效【3】。

2) 定期排液不規(guī)范。分液罐、聚結(jié)器底部常排,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一次氣帶液。但是如果一次氣帶液,僅靠常排不能消除液沫夾帶。應(yīng)對(duì)一次氣進(jìn)行加熱,保證一次氣溫度高于露點(diǎn)溫度20 ℃。

3.3.3 案例3管理原因

案例3管理原因有以下幾個(gè)方面:

1) 未按要求定期檢查露點(diǎn)溫度,一次氣注入溫度是否高于露點(diǎn)溫度20 ℃不明確。

2) 該機(jī)組密封曾有過(guò)類(lèi)似故障,使用單位片面地加大一次氣分液罐,并且排液常開(kāi),忽略了一次氣本身質(zhì)量的管理,導(dǎo)致故障重復(fù)發(fā)生。

3.4 分析結(jié)論

從以上3個(gè)高壓干氣密封故障的案例分析情況看,主要原因有2個(gè)方面,一是干氣密封運(yùn)行環(huán)境控制不夠精準(zhǔn),工藝氣組分變化導(dǎo)致一次氣帶液,引發(fā)故障;二是C形圈可靠性不足,長(zhǎng)周期運(yùn)行產(chǎn)生磨損,同時(shí),一次氣帶液加劇了密封運(yùn)行波動(dòng),引發(fā)故障。具體結(jié)論如下:

1) 密封一次氣的組分、溫度、潔凈度是影響高壓干氣密封的主要因素。特別是進(jìn)口密封,對(duì)一次氣組分要求很苛刻,一次氣一旦帶液,很快密封便會(huì)損壞,且大多數(shù)故障呈密封環(huán)碎裂狀態(tài)。

2) 國(guó)產(chǎn)高壓干氣密封C形圈強(qiáng)度不足、壽命不長(zhǎng)也是影響高壓干氣密封運(yùn)行可靠性的重要因素。同一臺(tái)機(jī)組的進(jìn)口密封經(jīng)國(guó)產(chǎn)修復(fù)后,C形圈很容易斷裂【3】。目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出新型加強(qiáng)C形圈,初期應(yīng)用較好,長(zhǎng)周期效果有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3) 干氣密封運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控不足。密封突發(fā)故障比例較大,且前期狀態(tài)變差跡象很不明顯,造成這一現(xiàn)象的原因主要是受監(jiān)控技術(shù)的限制,對(duì)密封運(yùn)行的監(jiān)控不足。密封流量、壓差等監(jiān)控指標(biāo)不能完整反映密封的工作狀態(tài),需要增加密封監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),并加大對(duì)密封參數(shù)運(yùn)行趨勢(shì)的關(guān)注。

4 應(yīng)對(duì)措施及效果

4.1 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)高壓干氣密封目前的故障及原因分析,從以下幾個(gè)方面落實(shí)應(yīng)對(duì)措施。

4.1.1 加大干氣密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作

一是對(duì)現(xiàn)有密封一次氣泄漏量、壓差、主密封氣組分、溫度等參數(shù)波動(dòng)進(jìn)行分析,并及時(shí)調(diào)整。二是補(bǔ)充干氣密封一次氣注入溫度、排氣溫度監(jiān)測(cè)。注入溫度要高于露點(diǎn)溫度20 ℃,當(dāng)伴熱效果變差時(shí),要及時(shí)調(diào)整。排氣溫度可間接反映動(dòng)、靜環(huán)的工作狀態(tài),若發(fā)生變化應(yīng)及時(shí)關(guān)注、調(diào)整工況。三是增設(shè)干氣密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng),防止密封突然失效。如某企業(yè)通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多次發(fā)現(xiàn)一次氣溫度波動(dòng),及時(shí)調(diào)整伴熱使其恢復(fù)正常,確保了干氣密封的運(yùn)行穩(wěn)定。四是落實(shí)一次氣露點(diǎn)定期檢測(cè),將一次氣詳細(xì)組分送有分析條件的單位進(jìn)行測(cè)算,確保露點(diǎn)溫度準(zhǔn)確,為干氣密封運(yùn)行提供真實(shí)依據(jù)。

4.1.2 重視干氣密封運(yùn)行環(huán)境管理

對(duì)于循環(huán)氫介質(zhì)充當(dāng)干氣密封一次氣的機(jī)組,工藝組分、溫度的波動(dòng)如果超出干氣密封運(yùn)行范圍,則對(duì)密封損害很大。設(shè)備專(zhuān)業(yè)要明確提出密封的工作環(huán)境要求,設(shè)置密封氣組分、溫度范圍,生產(chǎn)中進(jìn)行調(diào)整時(shí),應(yīng)注意不能使工藝氣組分超出工作范圍,出現(xiàn)偏差應(yīng)及時(shí)回調(diào)。

4.1.3 編制完整的設(shè)備操作規(guī)程,進(jìn)一步規(guī)范設(shè)備操作

一是規(guī)范主密封氣排液管理,應(yīng)遵照設(shè)備說(shuō)明書(shū)進(jìn)行定點(diǎn)、定時(shí)排液。特別是有中間排液口的聚結(jié)器,不建議用底部排液代替中間排液,也不建議聚結(jié)器排液常開(kāi)。二是規(guī)范開(kāi)停工、事故狀態(tài)下干氣密封操作。當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象、機(jī)組運(yùn)行大幅波動(dòng)或跳車(chē)時(shí),及時(shí)切換一次氣氣源,啟動(dòng)增壓泵,確保密封工作正常。增壓泵運(yùn)行時(shí),要注意檢查動(dòng)力氣壓力、活塞工作頻率,確保其符合設(shè)計(jì)要求。

4.1.4 規(guī)范設(shè)備維修管理

一是干氣密封每個(gè)周期更換后,舊密封送專(zhuān)業(yè)廠家修復(fù)。二是對(duì)過(guò)濾器濾芯、聚結(jié)器濾芯等易損件建立壽命管理機(jī)制,定期更換。對(duì)于含氨介質(zhì),還要注意選用抗氨濾芯,防止濾芯粉化失效。三是加強(qiáng)密封檢修質(zhì)量管理,每次檢修時(shí)均應(yīng)對(duì)工藝氣管道進(jìn)行清潔,并設(shè)置質(zhì)量控制點(diǎn),驗(yàn)收合格后再安裝密封。

4.1.5 提高設(shè)備制造水平

一是及時(shí)總結(jié)新型國(guó)產(chǎn)C形圈運(yùn)行效果,加強(qiáng)研發(fā),不斷提高C形圈抗干擾性能。二是不斷規(guī)范密封控制盤(pán)站配置,分液罐、過(guò)濾器、聚結(jié)器、伴熱系統(tǒng)要完整,工藝氣管道材質(zhì)需選用304或316,沿海企業(yè)應(yīng)選用316L。

4.2 實(shí)施效果

通過(guò)采取加強(qiáng)密封一次氣露點(diǎn)溫度管理、更換新型C形圈、增設(shè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等措施,干氣密封故障明顯減少。據(jù)某集團(tuán)煉化企業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2020年8月后,國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口高壓干氣密封均未發(fā)生故障,說(shuō)明干氣密封管理提升和技術(shù)攻關(guān)取得明顯成效,密封可靠性得到有效保證。