摘 要 ：介紹串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)及工作原理，分析造成低壓缸干氣密封一級(jí)泄漏氣流量增大的原因及解決方法。
1 概述
中海石油華鶴煤化有限公司“3052”裝置生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬(wàn) t 液氨、52萬(wàn) t 大顆粒尿素。自 2015年 6月投產(chǎn)至2018年7月，合成蒸汽流量計(jì)低壓缸干氣密封一級(jí)泄漏氣流量有持續(xù)走高的趨勢(shì)并逐漸接近報(bào)警值，已威脅機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行和公司的穩(wěn)定生產(chǎn)。因此探究干氣密封的使用規(guī)律、采取正確的維護(hù)手段顯得尤為重要。
2 合成蒸汽流量計(jì)組工藝流程介紹
合成蒸汽流量計(jì)主體由透平汽輪機(jī)、壓縮機(jī)低壓缸、壓縮機(jī)高壓缸三部分組成，均由日本三菱公司生產(chǎn)制造，壓縮機(jī)低壓缸將液氮洗單元送來(lái)的新鮮合成氣進(jìn)行壓縮。壓縮后的新鮮合成氣，在高壓缸與合成單元返回的循環(huán)合成氣混合壓縮至14.25MPa、56.9℃，以294 393m 3 /h 的流量送合成單元進(jìn)行合成氨反應(yīng)。合成蒸汽流量計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置汽輪機(jī)的抽汽系統(tǒng)，為蒸汽管網(wǎng)提供4.3MPa、437℃、50.4t/h 的過(guò)熱中壓蒸汽。排汽由表冷器冷凝后形成合格的蒸汽冷凝液，經(jīng)加壓送往水處理單元回收再利用。
3 合成蒸汽流量計(jì)組干氣密封工作原理介紹
合成蒸汽流量計(jì)軸端密封使用的是由約翰克蘭（JOHNCRANE）公司生產(chǎn)的串聯(lián)式螺旋槽干氣密封。螺旋槽干氣密封的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在密封面上加工有一定數(shù)量的螺旋槽，其深度一般為3μm。隨著動(dòng)環(huán)組件的旋轉(zhuǎn)，螺旋槽里的氣體被剪切，從外緣流向中心（即低壓側(cè)），而密封堰對(duì)氣體的流出有抑制作用，限制氣體流向低壓側(cè)，使得氣體流動(dòng)受阻，氣體壓力升高，這一升高的壓力將撓性安裝的靜環(huán)與配對(duì)動(dòng)環(huán)分開 ；當(dāng)氣體壓力與彈簧恢復(fù)力平衡后，維持一個(gè)#小的間隙。氣體隨著螺旋槽截面形狀的變化被壓縮，在槽根部形成局部的高壓區(qū)，使端面分開形成一定厚度的氣膜，使得在一般動(dòng)力運(yùn)行條件下端面能保持分離、因此不易磨損。閉合力 F C 是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力 F O 是端面間的壓力分布對(duì)端面面積積分而形成的。在正常的平衡條件下閉合力 F C = 開啟力 F O ，運(yùn)行間隙約為3μm ；如果由于某種干擾使密封間隙變小，則端面間壓力就會(huì)升高這時(shí)開啟力 F O > 閉合力 F C ，端面間隙自動(dòng)加大直到平衡為止。如果某種干擾使密封間隙增大，則端面間壓力就會(huì)降低這時(shí)閉合力 F C > 開啟力 F O ，端面間隙會(huì)自動(dòng)減小直到新的平衡為止，見圖2~ 圖4。 [1]
4 干氣密封流程介紹（以低壓缸為例）
4.1 一級(jí)密封氣流程
正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組高壓缸出口氣（開車前用高壓氮?dú)狻⑼＼囉迷鰤罕脷猓┙?jīng)過(guò)濾器 F1和 F2（過(guò)濾精度1μm），再經(jīng)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥PDCV04419將壓力穩(wěn)定在高于平衡管壓力0.1MPa，然后經(jīng)流量計(jì) FI04405、FI04406下游的節(jié)流閥將流量控制在164m 3 /h 分別進(jìn)入低壓缸低壓端的一級(jí)密封腔和低壓缸高壓端的一級(jí)密封腔，一級(jí)密封氣絕大部分經(jīng)機(jī)組迷宮密封返回到機(jī)內(nèi)，阻止機(jī)內(nèi)氣體外漏污染密封，少量氣體經(jīng)過(guò)密封端面泄漏至一級(jí)密封排氣腔。
4.2 二級(jí)密封氣流程
0.45MPa 氮?dú)饨?jīng)過(guò)濾器 F4和 F5（過(guò)濾精度1μm）后分為四路，其中兩路作為二級(jí)密封氣源分別經(jīng)流量計(jì) FI04482、FI04483進(jìn)入二級(jí)密封腔 ；大部分二級(jí)密封氣經(jīng)中間迷宮后與一級(jí)密封泄漏氣混合后放火炬，少量經(jīng)二級(jí)密封端面泄漏后安全放空。
4.3 隔離氣流程
0.45MPa 氮?dú)饨?jīng)過(guò)濾器 F4和 F5過(guò)濾后再經(jīng)自勵(lì)式調(diào)節(jié)閥將壓力穩(wěn)定在0.15MPa 的另外兩路經(jīng)音速孔板分別進(jìn)入低壓缸低壓端的隔離氣室和低壓缸高壓端的隔離氣室，一部分經(jīng)后置迷宮的前端后與二級(jí)密封端面泄漏氣體混合，引至安全地點(diǎn)放空 ；另一部分經(jīng)后置迷宮的后端，通過(guò)軸承回油放空口就地放空，此部分氣體是為了阻止?jié)櫥臀廴久芊舛嗣妗?/div>
4.4 放火炬氣流程
一級(jí)密封泄漏氣與大部分二級(jí)密封氣混合經(jīng)流量計(jì)FI04407、FI04408 后 放 火 炬。 當(dāng) 一 級(jí) 密 封 損 壞 時(shí) 流 量 計(jì)FI04407、FI04408數(shù)值增加。當(dāng)二級(jí)密封損壞時(shí)，流量計(jì)FI04407、FI04408數(shù)值減少（見表1）。
5 干氣密封運(yùn)行存在問(wèn)題及處理措施
合成蒸汽流量計(jì)低壓缸干氣密封一級(jí)泄漏氣流量自2015年4月原始開車至2018年6月有持續(xù)走高的趨勢(shì)，如果不及時(shí)采取措施任憑其繼續(xù)增加會(huì)給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生聯(lián)鎖跳車事故。
公司決定利用2018年7月大修機(jī)會(huì)檢查壓縮機(jī)低壓缸的低壓端和高壓端的干氣密封內(nèi)部情況。機(jī)組停車后降溫合格、停盤車、停油路系統(tǒng)，維修人員打開軸端密封大蓋后，抽出干氣密封組件發(fā)現(xiàn)一級(jí)密封氣部位有大量黑色碳粉（見圖4）。
6 干氣密封使用中造成密封積碳、失效的原因
在壓縮機(jī)開機(jī)前，必須將一次密封氣、二次密封氣、隔離氣投用，并控制好密封氣壓差和供氣流量，才能確保機(jī)組沖轉(zhuǎn)后有充足的干氣密封氣源，使動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)后形成足夠剛度的氣膜，防止動(dòng)、靜環(huán)干摩擦燒毀密封面。由于干氣密封是以
動(dòng)壓力迫使密封面脫離接觸，而低速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)壓力卻不能使密封面分離，所以機(jī)組要確定達(dá)到能使密封面分離所需動(dòng)壓力的轉(zhuǎn)速以上。頻繁的開停車必然要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的極低盤車（25r/min）和低速暖機(jī)（l 000r/min）。據(jù)統(tǒng)計(jì)合成氣機(jī)組自2015年6月至2018年7月運(yùn)行期間，已經(jīng)開停車已接近30次，每次開車前的主蒸汽管線暖管需要進(jìn)行1.5h、停車后透平缸體溫度降至50℃需要進(jìn)行盤車8.5h、低速暖機(jī)需要2h，累積時(shí)間達(dá)到360h以上，在以上工況期間轉(zhuǎn)子都處于低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，可見動(dòng)環(huán)與靜環(huán)長(zhǎng)時(shí)間處于干摩擦狀態(tài)，由此找到了密封失效原因。
動(dòng)壓力迫使密封面脫離接觸，而低速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)壓力卻不能使密封面分離，所以機(jī)組要確定達(dá)到能使密封面分離所需動(dòng)壓力的轉(zhuǎn)速以上。頻繁的開停車必然要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的極低盤車（25r/min）和低速暖機(jī)（l 000r/min）。據(jù)統(tǒng)計(jì)合成氣機(jī)組自2015年6月至2018年7月運(yùn)行期間，已經(jīng)開停車已接近30次，每次開車前的主蒸汽管線暖管需要進(jìn)行1.5h、停車后透平缸體溫度降至50℃需要進(jìn)行盤車8.5h、低速暖機(jī)需要2h，累積時(shí)間達(dá)到360h以上，在以上工況期間轉(zhuǎn)子都處于低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，可見動(dòng)環(huán)與靜環(huán)長(zhǎng)時(shí)間處于干摩擦狀態(tài)，由此找到了密封失效原因。經(jīng)過(guò)以上分析可以得出，碳粉的形成就是干氣密封的動(dòng)環(huán)與靜環(huán)磨損造成的。由于動(dòng)環(huán)材質(zhì)是硬質(zhì)合金碳化鎢、靜環(huán)材質(zhì)是碳化硅，動(dòng)環(huán)硬度大于靜環(huán)硬度，靜環(huán)被磨損產(chǎn)生碳粉，碳粉遇液體或者氣體中重組分物質(zhì)黏結(jié)在靜環(huán)的 O 型圈上，阻礙靜環(huán)的運(yùn)動(dòng)造成卡澀，進(jìn)而造成低壓缸干氣密封一級(jí)泄漏氣流量自原始開車以來(lái)持續(xù)上升。此現(xiàn)象印證了當(dāng)一級(jí)密封損壞時(shí)流量計(jì) FI04407、FI04408數(shù)值增加這一說(shuō)法。
7 解決方法及效果
既然開停車次數(shù)過(guò)于頻繁是導(dǎo)致干氣密封失效的主要原因，我們無(wú)法干預(yù)外界因素，但是作為操作人員應(yīng)該從減少低速盤車時(shí)間和低速暖機(jī)的時(shí)間著手去解決問(wèn)題。既要縮短開車前主蒸汽管線暖管時(shí)間又要保證暖管質(zhì)量，打開全部就地導(dǎo)淋和消音器放空閥、微開主蒸汽副線閥進(jìn)行暖管在控制升溫升壓速率不超標(biāo)情況下盡早打開主蒸汽大閥進(jìn)行暖管。
如果機(jī)組處于極冷態(tài)啟機(jī)低速暖機(jī)時(shí)間可以控制在1.5h以內(nèi) ；如果機(jī)組處于冷態(tài)啟機(jī)低速暖機(jī)時(shí)間可以控制在1h 以內(nèi)。如果機(jī)組處于熱態(tài)啟機(jī)低速暖機(jī)時(shí)間可以控制在0.5h以內(nèi)。
1）每次停車后保持熱井補(bǔ)水閥#大流量流通以將缸體內(nèi)熱量盡快帶走，進(jìn)而及早停止軸封蒸汽和盤車。
2）每次停車后將主蒸汽閥門關(guān)閉、全開就地導(dǎo)淋和消音器放空從而降低缸體溫度。
3）#為重要的是在機(jī)組停車1h 內(nèi)采取連續(xù)盤車方式，隨后在透平缸體降至50℃以前采取間斷盤車（0.5h 盤車5min）的方式。
4）2018年7月干氣密封廠家技術(shù)人員本次對(duì)干氣密封組件進(jìn)行更換，合成氣機(jī)組干氣密封運(yùn)行一直平穩(wěn)正常、各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。
8 結(jié)束語(yǔ)
頻繁的開停車，特別是觸發(fā)聯(lián)鎖緊急停車后，對(duì)干氣密封的損傷較大，這就需要嚴(yán)格控制頻繁的開停車、在停車期間的規(guī)范維護(hù)中應(yīng)避免以上可能導(dǎo)致干氣密封失效的因素發(fā)生，從而增強(qiáng)干氣密封的安全保障。針對(duì)該壓縮機(jī)存在的問(wèn)題進(jìn)行完善，從而為企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益。
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