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合成气压缩机干气密封失效分析与故障处理

何明珍 / 贵州天福化工有限责任公司    

Abstract
摘要:针对干气密封的失效情况,从干气密封的原理和拆检情况分析,探讨密封失效故障原因及采取的应对措施。
关键词:干气密封;失效分析;故障处理
中图分类号:TH452 文献标志码:A
Failure Analysis and Troubleshooting on Syngas Compressor Dry Gas Seal
Abstract: For the case of dry gas seal failure, this paper analyzed the causes in consideration of the principle of dry gas seal and its overhaul situation, and discussed the reason of seal failure and the corresponding countermeasures.
Key words: dry gas seal; failure analysis; troubleshooting
1 概述
  干气密封是对机械密封进行改进发展起来的一种新型非接触式密封,其主要是通过在机械密封动环上增开了动压槽以及随之相应设置了辅助系统而实现密封端面的非接触运行。干气密封解决了高速离心式压缩机的轴端密封问题,由于密封的非接触式运行,适合高速高压设备的轴端密封[1-8] 。我公司的合成气压缩机高、低压缸轴端密封均采用双端面串联型干气密封。从2010年12月2日到2011年8月7日共发生了4次短期运行后的密封失效。失效情况为机组在正常运行工况下,突然一级密封气排放气量过大而引起机组联锁停车。针对机组干密封的失效,我们与厂家人员共同分析,采取相应措施,解决了密封损坏的问题。
2 密封失效原因分析
2.1 机组布置图

  该压缩机由汽轮机驱动,高、低压缸分别位于汽轮机两端,高、低压缸的轴端密封均采用双端面串联型干气密封,图1为压缩机布置和干气密封结构图。

图1  压缩机组布置图

2.2 机组失效情况介绍
  从2010年12月2日到2011年8月7日共发生4次密封失效,失效的位置和失效前开停车次数分别为:
  第一次是低压缸出口端,密封失效前开停车1次;第二次是高压缸进口,密封失效前开停车2次;第三次是高压缸出口,密封失效前开停车9次;第四次是高压缸进口,密封失效前开停车14次。从发生的位置来看具有随机性。
2.3 机组工艺情况
  该压缩机是氨合成气压缩机,其额定转速11 870r/min,低压缸出口压力为6.9MPa,高压缸出口压力为13.9MPa(A)。该压缩机配有一台盘车机构,设计进行8r/min连续转动,因厂家未明确盘车定义参数,所以根据机组工艺要求盘车为:开车前以氮气为密封气在8r/min下带压盘车0.5~2h,停机后仍以氮气为密封气在8r/min下带压盘车7~12h。机组在8 475r/min以下,密封气采用高压干氮气(露点温度-70℃)停机后仍然使用高压氮气作为密封气,以保护密封不受脏工艺气的污染。机组正常运行后用工艺气作为密封气。从现场来看每次主密封气的过滤器的压差显示低为0.07bar和0,过滤器滤芯是3μm。
2.4 机组拆检情况
  从每次测检来看有以下共性:
  1)所有密封的动静环磨损痕迹的特征都是相似的。主要是一级密封动环碎裂,一级静环内侧表面有明显的接触磨损痕迹。一级动环表面的痕迹在整个密封面宽度范围内显示更一致的接触磨损,没有碎裂的二级密封动环对应的二级静环在整个密封面内显示出一致的接触磨损。二级静环表面的磨损痕迹都集中在内径密封坝部位,这种痕迹是低速接触运转的典型特征,见图2和图3 ;

(a)失效的一级密封动环图   (b)失效的一级密封静环图
图2 失效的一级密封动静环图

(a)失效的二级密封动环图     (b)失效的二级密封静环图
图3 失效的二级密封动静环图

  2)高压缸的的三次失效中,一级静环背后的弹簧加载密封圈均脱离了沟槽;
  3)4次拆检中都发现所有密封平衡直径部位均有颗粒附着,其中一些颗粒已对密封的移动造成了阻碍,见图4和图5。

图4 平衡直径部位附着的污染物图

图5 一级静环表面磨损状态和脱离沟槽的加载密封圈

2.5 失效原因分析
2.5.1 盘车
  盘车本身不会直接导致热裂纹引起的动环失效,在盘车过程中,虽然转速还没达到足够产生热裂纹的程度,但盘车会产生影响密封性能的磨损痕迹,这种影响会涉及到气膜刚度的稳定性和浮升力,从而导致密封在更高的转速上也出现接触磨损。盘车磨损的影响程度较难量化,这是由于轻微盘车痕迹造成的影响程度较轻。但如果螺旋槽被磨损下来的颗粒部分堵塞,那么这将有可能延长动静环低速接触磨损时间。如果进入螺旋槽中的磨损颗粒能够很快被泄漏气体带走,那么盘车产生的磨损就不会造成严重的影响[9-12]
  一级动环的表面热裂纹出现4次,发生4次失效,长时间的停车及低速接触磨损,造成了当动环表面的任何一个热裂纹达到临界破坏尺寸,动环就会发生断裂,一旦动环碎裂,动环密封面就会失去上下压差,而此时静环背面的弹簧加载密封圈仍然作用有较大的压差,从而导致密封圈在压力作用下被推出沟槽。单纯的停车惰走过程可能并不足以导致密封的失效,许多其他因素很可能加剧了该过程中的磨损,盘车磨损痕迹会对动静环的开启造成不利影响,导致动、静环在较高的速度上就发生接触磨损,除此之外,平衡直径部位卡滞和轴位移会进一步加剧磨损。
2.5.2 反转
  现在的机组设计不可能出现反转情况,所以也不存在机组反转对密封造成破坏。
2.5.3 密封制造
  该密封由国际专业知名厂家制造,很多厂家使用过。同时现场的所有尺寸和技术参数也都是经过反复复核的,并确认密封设计在标准的性能范围内,同时将现场工况与标准性能参数比较,可以看出密封的运行工况还有安全裕度。
2.5.4 密封装配
  密封均由厂家专业人员装配,从密封失效的的时间来看,密封是在不同的时间和场地进行的装配,所以可以排除同一时间内的装配错误。
2.5.5 轴位移
  在启停机过程中,伴随有轴移动,平衡直径部位的卡滞会促使密封面接触的发生,因为动环和静环之间的间隙只有几微米,因此这个过程中的轴位移不需要很大就足以在卡滞状态下造成密封面的接触,在第四次失效密封的检查过程中,发现密封在平衡直径表面上附着物的影响下发生一定程度的卡滞,这层带状附着物含有很高比例的铁元素,可能是工艺过程中带过来的。同时在安装板后从压缩机上拆下的过程中也有卡滞。
2.5.6 滤芯的精度
  尽管滤芯的的精度是3μm,但仍能看到在一级密封平衡直径部位有铁类颗粒附着,这些附着物对密封造成了一定程度的卡滞并可能对接触类磨损造成了不利的影响。随着时间的推移,平衡直径表面的附着物会变得越来越多,并由此引起更大的问题。
3 故障处理
  干气密封最有可能失效的原因是多次停车惰走过程中密封面低速接触磨损在动环表面上造成的热裂纹。当密封面在较快的速度下发生接触磨损后(低于理论最低开启转速760r/min),密封面上产生的热量会迅速加剧裂纹的发展,这些裂纹将在额定负荷、额定转速下导致动环失效[13-15] 。解决的目的是通过改进,保证密封的开启性能不受影响,并避免在高速下的接触运转磨损。经过厂家人员的认真分析并结合现场情况,现将原来的连续盘车改为点动盘车(手动操作电机控制机组每次进行180°的点动盘车)。为了减少机组在低速运转的时间,将原来在0~1 000r/min的低速暖机时间缩短,并改到0~2 000r/min。暖机速率从150r/min改到600r/min。使机组快速越过低速暖机荡然区域。
  在第四次密封失效的拆检时发现,密封存在一定程度的卡滞,卡滞会对密封随轴运动产生影响,并进一步造成动态接触,出现这种情况可能有以下两种原因:一是DCS数据中有过大轴位移数值改变;二是在平衡直径部位表面有铁基物质附着。基于以上原因,我们在检修中检查推力轴承的间隙,消除轴位移发生过大。
  密封气过滤器压差一直都没有出现过报警情况,表明过滤器没有出现早期颗粒堵塞的情况,所以我们将原来3μm的滤芯改为1μm,这样可以防止较大的颗粒进入密封面从而引起密封失效。
  密封失效很可能对压缩机两端的密封都造成影响,如果一端密封失效,另一端也有可能会很快失效,考虑到机组安全和减少停机次数,采取成对更换密封。
4 结束语
  通过对机组盘车时间、升速速率、低速暖机转速、过滤器精度等做了改进后,现机组没有因为密封失效而停机,说明以上的分析和处理是有效的,可靠的。

                  参 考 文 献

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  评论人:lsdqimhyerp   打分:85 分  发表时间:2015-6-29 22:10:02
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