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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題，本研究從干氣密封工作原理和基本結構出發，結合典型的輸氣管道離心壓縮機組干氣密封失效現象，進行系統分析，明確了主要的故障原因，并提出了具體的解決措施和建議。以期對壓縮機站場干氣密封的使用及維護提供一定的指導。
關鍵詞：摩擦副 追隨性 DLC涂層 動壓槽
西部管道公司所轄輸氣管線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，鑒于輸氣管線壓縮機組運行環境客觀因素限制及自身設計特點的特殊要求，在機組正常運維中，干氣密封因為設計、氣質因素、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題，提高系統可靠性，本研究主要結合失效密封的拆解，進行系統綜合分析。
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，西部管道公司已經投運97臺套大型離心式壓縮機組，均采用干氣密封系統實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，摩擦副表面經過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，動環一般選用高韌性的合金鋼或強度較高的SiC，配對的靜環一般選用較軟的石墨碳環。
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，大幅增加了生產加工、故障修復周期及費用的大幅增加，同時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、動環組件(旋轉環)、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。靜環位于不銹鋼彈簧座內，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無負荷狀態下使靜環與固定在轉子上的動環組件配合，如圖2所示。
配合表面平面度和光潔度很高，動環組件配合表面上有一系列的螺旋槽，如圖3所示。
隨著轉子轉動，氣體被向內泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段無槽區稱為密封壩。密封壩對氣體流動產生阻力作用，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反向泵送、改善配合表面壓力分布的作用，從而加大開啟靜環與動環組件間氣隙的能力。反向螺旋槽的內側還有一段密封壩，對氣體流動產生阻力作用，增加氣體膜壓力。配合表面間的壓力使靜環表面與動環組件脫離，保持一個很小的間隙，一般為3μm左右。當由氣體壓力和彈簧力產生的閉合壓力與氣體膜的開啟壓力相等時，便建立了穩定的平衡間隙。在動力平衡條件下，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升高，這時，開啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動加大，直至平衡為止，如圖5所示。
如果擾動使密封間隙增大，端面間的壓力就會降低，閉合力Fc大于開啟力Fo，端面間隙自動減小，密封會很快達到新的平衡狀態，見圖6。
這種機制將在靜環和動環組件之間產生一層穩定性相當高的氣體薄膜，使得在一般的動力運行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損，延長了使用壽命。
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(含驅動端、非驅動端密封)，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測試合計12次，占比36%。由于運行中或啟停機過程中，干氣密封突然失效對于生產運行影響較大，且該類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題。
4、干氣密封失效原因
針對全部返廠維修的干氣密封，通過工廠拆解檢查來看，導致密封失效的主要原因主要集中在以下六個方面。
4.1 密封浮動面固液雜質聚集導致密封失效
雜質聚集在推環處，導致推環阻力增加，靜環追隨性下降，動靜環間無法根據負荷變化及時調整相互間距，剛性氣膜穩定性下降，最終密封失效，泄漏量增加。
該類原因在所有返廠維修干氣密封中普遍存在，同時，這也是導致部分密封動靜環端面及動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等方式，約翰克蘭干氣密封極少出現動靜環碎裂的問題，雜質聚集導致靜環追隨性差成為該類型密封失效的主要因素。
4.2 動環定位失效
統計故障密封解體檢查結果，動環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現因此導致的失效故障。
目前博格曼干氣密封動環定位主要通過帶一定傾斜角度的支撐拉簧及動環背部的密封圈完成定位，同時，支撐拉簧還起到動環與動環座間轉動扭矩的傳遞作用。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，動環支撐拉簧同時起到定位和扭矩傳動的作用，在進入密封腔的氣質帶液或固體雜質或摩擦副端面光潔度較差時，易導致啟動時的動環轉動扭矩瞬間增大。
因為支持拉簧單位載荷較小，變形范圍大，在機組啟停機或動靜環接觸磨損時過大的轉動扭矩超過其承載能力，導致支撐拉簧變形脫落，動環與動環座產生相對位移，不但會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，而且會使動環輔助密封圈的過盈量減小至失去密封性能，導致整個干氣密封失效。同時，較大的相對位移也會導致動環的定心定位失效，動靜環端面會產生接觸摩擦，導致動壓槽、動靜環端面磨損，以及動環背部密封圈磨損，最終密封失效。
4.3 動靜環嚴重磨損或碎裂
動靜環碎裂或端面、動壓槽嚴重磨損，主要原因在于動環定位及扭矩傳遞機構在運行工況下適應范圍相對較小，或者進入密封腔的氣質嚴重帶固、液體雜質，導致運轉中密封端面產生接觸摩擦而導致。
進入密封腔的干氣嚴重帶液，在動靜環相對高速轉動中，隨動靜環端面溫度的升高而迅速氣化，一方面對氣膜產生擾動，破壞氣膜穩定性，并導致動靜環端面溫度場分布的瞬間異常變化，進而可能直接導致動靜環的炸裂，密封失效;另一方面，靜態充壓階段，較低的干氣密封供氣溫度在壓縮機缸體充壓過程中(節流降溫的一個過程)，更易通過轉軸的傳質傳熱過程，進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，密封浮動性下降。
同時，若在氣質相對較差(含較高重烴組分或帶液)時，靜態下在動靜環密封端面間凝析的液體雜質也會導致動環轉動扭矩的大幅增加，進而導致動環扭矩傳動件或靜環定位銷或定位銷孔的損傷，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，西一線酒泉站2#機組驅動端干氣密封一、二級動靜環在更換后啟機測試加載過程中，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題，在管道壓縮機投產初期及日常運維中氣質的異常變化，由此極易出現密封氣帶液的問題，這在雙聯過濾器濾芯的鼓包穿孔現象及密封解體后端面發現液態烴的現象均可以說明以上問題的存在。
4.4 密封腔大量進油
目前還未發現干氣密封一級動靜環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槽發現存油現象較為普遍�；蛶朊芊馇�，一方面與干氣帶液一樣會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，進而影響靜環的浮動性，導致追隨性降低，抗擊負荷波動能力下降，從而也會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程中，對于密封安裝的技術要求未能透徹把握，由此導致安裝過程中出現軸向定位尺寸錯誤、C型密封圈損傷等問題，直接導致啟機測試過程中，密封摩擦副磨損等而失效。已有的兩次分別為質保期內烏魯木齊站、瓜州站密封更換過程中，安裝失誤，直接導致密封摩擦副磨損碎裂。
4.6 軸向串動量超標導致密封連帶損壞
干氣密封允許的軸向串動量一般在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產生不利影響。該故障主要在西二線煙墩站3#機組因為高負荷運行中，離心壓縮機平衡氣管線高壓側緊固螺栓突然斷裂，由此導致軸向力平衡突然發生逆轉，壓縮機轉子瞬間向驅動端大幅串動，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生摩擦，驅動端干氣密封因為軸向串動量嚴重超標，進而導致動靜環嚴重磨損而失效。
干氣密封異常失效具體原因構成情況如表3和圖9所示。
從統計結果來看，由于密封采用的配對形式不同，以及定位及扭矩傳動方式的差異性，動環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境相對較高，需要對氣質有更高的要求。再考慮到雜質聚集的失效率比例，現有管道壓縮機運行環境，特別是上游管道運行的實際氣質變化，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品質
針對目前管線壓縮機實際運行環境，可行的措施主要有以下兩個方面：
(1)增加干氣密封系統前置過濾系統。
原有壓縮機組配套的干氣密封處理撬僅包含雙聯過濾器及加熱器，并未考慮管道運行環境下，特別是初期投產期間，工藝區內部管路積存或下游地點站場間工藝管路中存留的水份、重烴、銹蝕雜質等的影響，原有過濾器容塵量有限，且無脫除液體組分的能力，導致固、液雜質帶入系統并損壞干氣密封。
增加干氣密封前置脫液、粗過濾系統，可以有效提高密封氣品質。
(2)優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間兩個方面進行優化。
現有邏輯干氣密封加熱器控制溫度25℃，是考慮在70bar壓力下，密封氣水露點在-7℃以上情況下的需求設定的。一般控制要求，進入干氣密封腔體內的密封氣應高于同等壓力下的露點溫度20℃以上為宜。在實際投用過程中，因為此時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，最終進入干氣密封密封腔的密封氣的溫度過低，特別是冬季明顯存在供氣管線掛霜的現象，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啟前120s預先投用，但該時間端無法滿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行，無預加熱時間。
通過控制邏輯分析，為保證干氣密封的穩定運行環境，需要大幅提高啟機過程中的干氣密封氣的預先投運時間，建議控制在壓縮機缸體充壓前10min投運為宜，同時，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間，減少固體、液體雜質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境同樣會起到較好的作用。
對于GE燃驅機組，相關邏輯更改如圖10所示。
5.2 改進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)將動環定位方式，改進現有動環支撐拉簧結構形式，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為容差帶，提高定心可靠性。
(2)優化動環扭矩傳動方式，將動環扭矩傳遞由支撐拉簧改進為撥叉傳動。
5.3 提高密封適應較大氣質變化條件的可靠性
鑒于管線壓縮機運行實際氣質條件，優先選用硬對軟的配對形式的密封，提高密封適應較大氣質變化條件的可靠性，并降低維修技術門檻，降低運維費用。
5.4 改進動環動壓槽槽型設計
在保證密封動壓效應的條件下，使密封靜壓效應大幅度提高，實現密封端面的超低壓氣浮(密封動靜環端面脫開)，有效減小密封的靜態扭矩，防止機組啟停機過程中密封端面的接觸，從而解決靜環防轉孔處崩壞、動靜環磨損損壞。
5.5 改進干氣密封防止油氣泄漏的設計，加強日常壓縮機密封低點監控和排污
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，改進擋油環設計，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排污口視鏡進行檢查，確認有無液位，每月進行排污，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境
目前二級密封放空無任何監控，但二級密封在串聯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，主要從以下方面進行改進：
(1)二級放空口增加壓差監控，設置必要的報警、聯鎖，確保二級失效及時發現，并及時開展處理。同時，驅動端、非驅動端干氣密封二級放空口單獨設置室外高點放空，避免通過較小的匯管放空的方式，從而避免一端嚴重失效時，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，依托站場實際條件，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境和相關設計，切實提高二級密封的安全可靠性。
(3)論證并試點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異常失效下的安全。
5.7 改進三級隔離密封結構形式，降低儀表風消耗，減少油氣帶入密封腔的可能性因素
逐步改進現有梳齒型式的隔離密封，改進為密封效果更好、儀表風消耗量更少的碳環密封，減少干氣密封腔進油的風險。
合理評估三級隔離氣儀表風需求，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，減少油氣泄漏進入干氣密封腔的風險。
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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