广 东 化 工 2019年 第7期
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张炜森1，郭海燕2
(1．中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518064；2．广东珠海金湾液化天然气有限公司，广东 珠海 519030)
[摘 要]珠海某LNG 工厂冷剂压缩机采用串联式干气密封，在运行两年后的一次启机过程中，发现干气密封失效。本文根据干气密封工作原理，结合密封端面拆检情况，分析了失效原因，提出了相应改进措施，总结了操作维护要点，有效保障了干气密封安全平稳运行。
[关键词]干气密封；密封失效；博格曼；LNG
[中图分类号]TE [文献标识码]A
[文章编号
]1007-1865(2019)07-01480-02
Analysis of Dry Gas Seal Failure of Centrifugal Compressor in LNG Plant
Zhang Weisen 1, Guo Haiyan 2
(1. Operation Department CNOOC Deepwater Development Limited, Shenzhen 518064； 2. Maintenance Department Guangdong Golden Bay LNG LTD, Zhuhai 519001, China)
Abstract: Tandem dry gas seal is applied in centrifugal compressor in a LNG plant in Zhuhai. Howev
污水处理流程er, the facility is failed during the start-up after two years running. The paper analyzed the possible causes for performance failure, introduced some technical measures and practices to improve the reliability, all of which have certain references for equipment of the same kind.
Keywords: dry gas seal ；seal failure ；Burgmann ；LNG
珠海某LNG 工厂冷剂压缩机由燃气轮机驱动，压缩介质主要为闭式循环的烃类混合物，在运行两年后的一次启机过程中，发现冷剂压缩机干气密封失效，经停机检修并更换干气密封后，冷剂压缩机恢复正常运行。本文根据干气密封检修更换情况，对LNG 工厂冷剂压缩机干气密封失效的原因进行分析，提出了相应改进措施。
1 干气密封原理及结构形式
1.1 干气密封原理
干气密封广泛适用于高速高压条件下压缩机的轴端密封，由一个固定在轴上的动环和一个固定在护套内的静环组成[1]，密封端面上有几微米至十几微米深的沟槽。压缩机转轴高速旋转时，密封气体被抽吸到动环螺旋槽的根部，在动静环密封面之间产生稳定的气膜，该气膜具有较强的刚度使密封端面完全分离，并保持一定的密封间隙。静环在弹簧力与其他合力作用下，通过沿轴向微量移动保持平衡[2]。气膜阻断了相对低压的密封介质泄漏通
道，可以实现密封介质的零泄漏，从而使密封工作在非接触状态下完成。
干气密封的密封端面有两种螺旋槽型式，一种为单向螺旋槽，如图1所示，此种动环对旋转方向有明确要求，气膜厚度稳定，刚度较好，适用于各类大级差压缩机组。另一种为双向螺旋槽，如图2所示，此种动环对旋转方向没有要求，通用性较强，但是其缺点是当压缩机发生气流波动，或变工况运行时，容易引发气膜失效，造成密封介质泄漏。
图1 单向螺旋槽图示意图
Fig.1 Schematic diagram of dry gas seal with unidirectional spiral
groove
图2 双向螺旋槽示意图
Fig.2 Schematic diagram of dry gas seal with bidirectional spiral
groove
1.2 干气密封结构形式
珠海某LNG 工厂冷剂压缩机是由德国西门子生产的STC-SV(10-7-B)型离心式压缩机，由燃气透平机组驱动，为一缸两段七级叶轮结构，额定功率6069 KW ，设计转速10950 rpm 。压缩机干气密封采用的是德国博格曼PDGS 型双向U 型槽带中间迷宫的串联式干气密封，结构示意如图3所示。
1—静环；2—动环；3—止推环；4—弹簧；5、6—轴套；7、8—腔体；9—碳环；10—迷宫密封；11—中间迷宫密封；A ：主密封气；B ：火炬；C ：
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次级密封气；D ：隔离气；S ：放空
图3 博格曼带中间迷宫的串联式干气密封结构图
Fig.3 Structure diagram of Burgmann dry gas seal with labyrinth
seal
[收稿日期] 2019-02-15
[作者简介] 张炜森(1984-)，男，大学本科，毕业于西南石油大学机电工程学院，工程师，从事天然气生产及设备技术管理工作。
2019年第7期广东化工
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该型串联式干气密封可看作是两套干气密封按照相同的方向首尾相连而构成的，第一级主密封承担全部负荷，第二级作为备用密封不承受或承受小部分压力降。当主密封失效时，第二级密封起到辅助密封作用。为了降低一级密封泄漏气的浓度，通常会通入氮气等惰性气体作为次级密封气。C连接口即用作次级密封气接口。该LNG工厂使用的该型干气密封具有以下技术特点[3]： (1)密封端面为双向槽，可双向转动，轴向移动量±3.0 mm，径向移动量±0.7 mm；
新型地沟油(2)干气密封被组装为集装式，能像一个完整的集装单元一样被安装和拆卸，正常安装时，不用夹具和特殊工具，且拆卸容易；
(3)为了防止润滑油从轴承侧进入到干气密封造成污染，集装密封提供了碳环隔离密封。
2 干气密封失效及原因分析
2.1 干气密封异常现象
LNG工厂冷剂压缩机在稳定运行两年后的一次启机过程中，出现压缩机排气端主密封泄漏量大联锁停机，重复启机故障仍无法排除。经对压缩机干气密封进行拆检，发现静环碎裂，密封端面有明显的油迹，存在磨损痕迹，一级密封磨损较二级密封严重。
2.2 失效原因分析
冷剂压缩机压缩介质不是固定的，进出口压力及转速随装置负荷调整而不同，密封气取至压缩机出口管线。根据前期设备运行情况及拆检结果，分析造成干气密封失效的原因主要包括以下方面：
2.2.1 密封气含杂质
杂质是导致干气密封失效的主要原因，在实际运行过程中，出现过密封气过滤器压差高甚至滤芯破损的情况。当密封气及管道中的杂质未被充分过滤时，密封端面因未过滤杂质会出现磨损及滑痕[4]。另外，在启停机过程中，在对压缩机体进行充压或泄压操作时，密封气流量不容易得到保证，机体内未经过滤的介质可能因为压力高直接反窜至干气密封，从而造成密封污染损坏。
2.2.2 润滑油污染
正常情况下，润滑油不会进入干气密封系统，轴承腔排气不畅、隔离氮气中断(压力低)、隔离密封失效及操作失误等原因可能会使润滑油或油雾进入干气密封系统并造成损坏。
LNG工厂中氮气被用作混合制冷剂的一种介质，在制冷系统冷剂添加时，会消耗大量的氮气，极有可能出现氮气管网瞬时压力低的情况。而该LNG工厂冷剂压缩机干气密封系统并未设置隔离氮气压力低的停机联锁逻辑，空分制氮系统长期存在含油量偏高问题，干气密封系统过滤器底部偶尔能排出油滴。
因此，干气密封存在润滑油污染损坏的可能。
2.2.3 密封气供应不稳定
密封气流量、压力的稳定直接影响干气密封气膜的形成，普遍的做法是密封气直接取至压缩机出口管线，利用压差为干气密封提供稳定的气源，此种方案操作维护简单，投资成本低。但在压缩机启停、变工况运行时，压缩机出口压力变化大，密封气流量、压力不能得到可靠保障，存在反向窜压和流量低损坏密封端面的可能。
LNG工厂在启停机过程中，混合冷剂是根据装置负荷和降温梯度逐渐添加的，冷剂压缩机转速、进出口压力随之变化，并不固定。一般来说，装置负荷越高，被压缩介质摩尔质量越大，压缩机出口压力及转速越高，在天然气降温过程中，低于其临界温度时，会出现明显的气液相变，此时压缩机进出口压力变化明显，甚至会引起压缩机防喘振阀动作。因此，在LNG工厂冷剂压缩机流程中，直接引自压缩机出口工艺气体作为密封气的方案，因其密封气流量、压力在启停和负荷调整阶段稳定存在较大不确定性，难以为干气密封系统提供稳定气膜保障。
2.2.4 密封气带液
密封气带液通常是受压力、温度的影响而析出液态水或烃所致。当液滴进入干气密封时，会破坏动、
静环间原有的压力平衡，虽然动环表面的螺旋槽具有自动调节密封间隙的功能，但无法适应剧烈的压力变化。因气膜刚度不足，密封间隙瞬间减小，动、静环间会因相互接触而发生磨损。动静环接触后会产生的磨擦热如无法及时排出，可能会导致动、静环发生热烈损坏现象[5]。
冷剂压缩机的压缩介质是混合冷剂，即由氮气、甲烷、乙烯、丙烷、戊烷按照比例组成的混合物。当压缩介质压力、温度操作条件改变时，容易析出液态烃进入干气密封系统。实际运行发现，机组在停机启动前，如对管线及过滤器排凝时，经常发现积存有大量液烃。干气密封管线虽然设置了电伴热，但在启机阶段，管线内未排尽的液烃难以全部被加热汽化，仍有部分液烃可能进入干气密封系统。
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综上述，冷剂压缩机密封气气质不佳，隔离氮气含油，流量压力不稳及密封气带液是造成干气密封端面磨损的主要原因。大量液烃进入干气密封系统加剧了端面磨损，动、静环摩擦产生的热量未能及时带走导致了静环热碎裂。
3 改进和预防措施
为了保证冷剂压缩机干气密封能够稳定运行，针对上述问题提出如下改进措施：
(1)对密封气系统管路进行吹扫，更换过滤器滤芯，由一级过滤增加为两级过滤，确保密封气清洁度，根据过滤器压差及时更换滤芯；
(2)增加隔离氮气压力低与润滑油泵联锁停机的逻辑，避免润滑油进入干气密封。设置高压氮气瓶组作为备用气源，当氮气管网压力低或波动时，氮气瓶组能自动补充，保持隔离氮气压力稳定；
(3)在密封气管道上设置自动控制的自增压装置，确保压缩机在启停或变工况状态下密封气流量及压力保持稳定。自增压装置出口压力可以设定，能够手自动调整，不会出现压缩机体内的反向窜压，确保经过过滤的密封气流动到干气密封室时始终为正向流动，防止密封受到污染；
(4)计算冷剂压缩机混合冷剂在装置负荷调整期间的典型相图曲线，调整冷剂组分及操作压力、温度条件，确保密封气在进入干气密封室前不析出液烃。另外，增加密封气管线电伴热功率，在U型弯管段增设排凝阀，确保干气密封投用前，所有液烃全部汽化或排尽。
4 操作维护要点
在正常工况下，干气密封系统运行可靠，维护简便，操作维护要点主要包含以下几方面：
(1)保证密封气体的过滤精度和清洁度，严禁带有任何机械杂质以及水、油、汽等，确保密封气温度高于露点温度10 ℃以上；
(2)确保密封气流量、压力供应正常，保证气膜的稳定，防止压缩机体反向窜压污染密封；
(3)在压缩机润滑油系统运行之前，必须先投用隔离气，以防止油气进入干气密封腔内；
(4)干气密封系统外部工况运行平稳正常，即机组对中合格，轴、径向跳动满足设计要求，避免机组出现喘振、异常停机工况；
(5)避免因工艺条件变化或停机出现快速充、泄压操作，保持密封气回收系统及火炬系统正常的背压；
(6)避免频繁启停机组，优化启机程序，尽量减少机组在低转速工况下运行时间；
(7)密切注意密封气排放流量及压力满足设计要求，保证干气密封系统正常运行，定期对仪表进行校验维护。
5 结论
通过对某LNG工厂冷剂压缩机干气密封失效的原因进行了分析总结，密封气气质不合格、操作失误及流量压力不稳会导致干气密封失效，对于该LNG工厂冷剂压缩机，密封气析出液态烃进入干气密封室是造成密封端面磨损的主要原因。本文提出了干气密封系统可靠性的改进措施，总结了操作维护要点，有效保障了干气密封安全平稳运行。
参考文献
[1]潘爱祥，孙开学．布格曼(Burgmann)干气密封应用与故障诊断[J]．化工设计通讯，2006，32(2)：52-56．
[2]钟桂香，罗潇，郭伟．干气密封失效原因分析与有效性措施[J]．油气储运，2014，33(3)：335-338．
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[3]张锡德，王西林，李斌，等．干气密封技术在大机组上的运用及故障分析[J]．通用机械，2009，7：51-52．
[4]郑明统．氨气压缩机低压缸干气密封烧损的故障诊断[J]．宁夏机械，2009，2：41-43．
[5]贾嘉．循环氢压缩机干气密封失效原因浅析[J]．石油化工设备技术，2017，38(6)：42-45．
(本文文献格式：张炜森，郭海燕．LNG工厂冷剂压缩机干气密封失效分析及对策[J]．广东化工，2019，46(7)：148-149)
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