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西部管道压缩机组干气密封失效故障分析
摘要：针对西气东输站场内压缩机组干气密封频繁失效并造成高额维修更换费用的问题，本研究从干气密封工作原理和基本结构出发，结合典型的输气管道离心压缩机组干气密封失效现象，进行系统分析，明确了主要的故障原因，并提出了具体的解决措施和建议。以期对压缩机站场干气密封的使用及维护提供一定的指导。
关键词：摩擦副 追随性 DLC涂层 动压槽
西部管道公司所辖输气管线压缩机组全部采用成熟的干气密封完成离心压缩机轴端工艺气的封严，鉴于输气管线压缩机组运行环境客观因素限制及自身设计特点的特殊要求，在机组正常运维中，干气密封因为设计、气质因素、操作运维等方面的因素，故障率相对较高。
为了较好地解决干气密封系统失效率偏高的问题，提高系统可靠性，本研究主要结合失效密封的拆解，进行系统综合分析。
1、西部管道公司压缩机组干气密封配套情况
截止2015年2月底，西部管道公司已经投运97台套大型离心式压缩机组，均采用干气密封系统实现离心压缩机轴端工艺气的封严。目前所选用干气密封系统按照摩擦副的配对形式，主要分为硬对硬与硬对软两种方式，供货商主要来自博格曼、约翰克兰、福斯。
博格曼、福斯干气密封均采用硬对硬的配对方式，摩擦副主要选用SiC或SiN，摩擦副表面经过特殊工艺处理保持相对更高的光洁度;约翰克兰干气密封采用硬对软的配对方式，动环一般选用高韧性的合金钢或强度较高的SiC，配对的静环一般选用较软的石墨碳环。
西部管道公司所辖压缩机组配套干气密封汇总信息如图1和表1所示。
由统计结果看，目前已经投运压缩机组选用干气密封主要以博格曼为主，约翰克兰密封主要应用于西一线RR压缩机组上。福斯干气密封前期集中应用于solar配套离心压缩机上，后续在西三线压缩机组上陆续投入使用。
硬对硬的配对型式可以保证干气密封相对更少的密封气泄漏量，但其相对独特的动压槽三维机械槽型、较高要求的摩擦副表面的金刚石涂层技术，大幅增加了生产加工、故障修复周期及费用的大幅增加，同时对于配套的密封气处理系统有更高要求。
2、干气密封主要的工作原理
典型的干气密封结构包含有静环、动环组件(旋转环)、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座(腔体)等零部件。静环位于不锈钢弹簧座内，用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在转子上的动环组件配合，如图2所示。
配合表面平面度和光洁度很高，动环组件配合表面上有一系列的螺旋槽，如图3所示。
随着转子转动，气体被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。该密封坝的内侧还有一系列的反向螺旋槽，这些反向螺旋槽起着反向泵送、改善配合表面压力分布的作用，从而加大开启静环与动环组件间气隙的能力。反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝，对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一个很小的间隙，一般为3μm左右。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡间隙。在动力平衡条件下，作用在密封上的力如图4所示。
闭合力Fc，是气体压力和弹簧力的总和。开启力Fo是由端面间的压力分布对端面面积积分而形成的。在平衡条件下Fc=Fo，运行间隙大约为3μm。
如果由于某种干扰使密封间隙减小，则端面间的压力就会升高，这时，开启力Fo大于闭合力Fc，端面间隙自动加大，直至平衡为止，如图5所示。
如果扰动使密封间隙增大，端面间的压力就会降低，闭合力Fc大于开启力Fo，端面间隙自动减小，密封会很快达到新的平衡状态，见图6。
这种机制将在静环和动环组件之间产生一层稳定性相当高的气体薄膜，使得在一般的动力运行条件下端面能保持分离、不接触、不易磨损，延长了使用寿命。
3、西部管道公司所辖压缩机干气密封失效统计
西部管道所辖压缩机组自2012年至今，通过计划检修强制更换及故障失效检修更换干气密封共计33次，更换密封合计56个(含驱动端、非驱动端密封)，具体信息如表2和图7所示。
由统计结果可以看出，压缩机组正常运行或启停机过程中，突然异常失效次数达到19次，占56%，构成干气密封更换的主要因素。计划性检修及备件超期存储强制返厂测试合计12次，占比36%。由于运行中或启停机过程中，干气密封突然失效对于生产运行影响较大，且该类失效占干气密封返修的主要份额，所以，亟待解决干气密封的异常失效问题。
4、干气密封失效原因
针对全部返厂维修的干气密封，通过工厂拆解检查来看，导致密封失效的主要原因主要集中在以下六个方面。
4.1 密封浮动面固液杂质聚集导致密封失效
杂质聚集在推环处，导致推环阻力增加，静环追随性下降，动静环间无法根据负荷变化及时调整相互间距，刚性气膜稳定性下降，最终密封失效，泄漏量增加。
该类原因在所有返厂维修干气密封中普遍存在，同时，这也是导致部分密封动静环端面及动压槽磨损现象的主要原因之一。另一方面，因为采用的密封摩擦副型式为硬对软及配套的更适于传递较大扭矩的拨叉传动等方式，约翰克兰干气密封极少出现动静环碎裂的问题，杂质聚集导致静环追随性差成为该类型密封失效的主要因素。
4.2 动环定位失效
统计故障密封解体检查结果，动环定位失效是导致博格曼密封失效的主要原因之一。因为定位及扭矩传递方式的不同，在约翰克兰密封上目前未发现因此导致的失效故障。
目前博格曼干气密封动环定位主要通过带一定倾斜角度的支撑拉簧及动环背部的密封圈完成定位，同时，支撑拉簧还起到动环与动环座间转动扭矩的传递作用。其具体结构如图8所示。
由图8可以看出，在博格曼的干气密封中，动环支撑拉簧同时起到定位和扭矩传动的作用，在进入密封腔的气质带液或固体杂质或摩擦副端面光洁度较差时，易导致启动时的动环转动扭矩瞬间增大。
因为支持拉簧单位载荷较小，变形范围大，在机组启停机或动静环接触磨损时过大的转动扭矩超过其承载能力，导致支撑拉簧变形脱落，动环与动环座产生相对位移，不但会影响密封端面的气膜稳定性，造成密封抵抗外界干扰的能力大幅度下降，而且会使动环辅助密封圈的过盈量减小至失去密封性能，导致整个干气密封失效。同时，较大的相对位移也会导致动环的定心定位失效，动静环端面会产生接触摩擦，导致动压槽、动静环端面磨损，以及动环背部密封圈磨损，最终密封失效。
4.3 动静环严重磨损或碎裂
动静环碎裂或端面、动压槽严重磨损，主要原因在于动环定位及扭矩传递机构在运行工况下适应范围相对较小，或者进入密封腔的气质严重带固、液体杂质，导致运转中密封端面产生接触摩擦而导致。
进入密封腔的干气严重带液，在动静环相对高速转动中，随动静环端面温度的升高而迅速气化，一方面对气膜产生扰动，破坏气膜稳定性，并导致动静环端面温度场分布的瞬间异常变化，进而可能直接导致动静环的炸裂，密封失效;另一方面，静态充压阶段，较低的干气密封供气温度在压缩机缸体充压过程中(节流降温的一个过程)，更易通过转轴的传质传热过程，进一步降低干气密封的整体温度，导致O型圈、C型密封圈等密封件弹性降低，密封浮动性下降。
同时，若在气质相对较差(含较高重烃组分或带液)时，静态下在动静环密封端面间凝析的液体杂质也会导致动环转动扭矩的大幅增加，进而导致动环扭矩传动件或静环定位销或定位销孔的损伤，最终导致密封端面磨损而失效。所以，密封气带液对干气密封损害极大，由此导致的潜在隐患非常严重，西一线酒泉站2#机组驱动端干气密封一、二级动静环在更换后启机测试加载过程中，突然碎裂就直接导致了天然气的大量泄漏。
因原先设计的干气密封过滤系统并未考虑异常带液及重烃组分节流降温后凝析的问题，在管道压缩机投产初期及日常运维中气质的异常变化，由此极易出现密封气带液的问题，这在双联过滤器滤芯的鼓包穿孔现象及密封解体后端面发现液态烃的现象均可以说明以上问题的存在。
4.4 密封腔大量进油
目前还未发现干气密封一级动静环端面存在明显带油迹象，但在二级密封端面及压缩机端盖相应环槽发现存油现象较为普遍。滑油带入密封腔，一方面与干气带液一样会导致摩擦副的磨损甚至碎裂。另一方面，滑油对于干气密封橡胶密封件具有一定的腐蚀作用，易导致橡胶密封件的老化，弹性降低，进而影响静环的浮动性，导致追随性降低，抗击负荷波动能力下降，从而也会导致相应的密封失效。
4.5 安装失误导致密封损坏
在干气密封的正常更换过程中，对于密封安装的技术要求未能透彻把握，由此导致安装过程中出现轴向定位尺寸错误、C型密封圈损伤等问题，直接导致启机测试过程中，密封摩擦副磨损等而失效。已有的两次分别为质保期内乌鲁木齐站、瓜州站密封更换过程中，安装失误，直接导致密封摩擦副磨损碎裂。
4.6 轴向串动量超标导致密封连带损坏
干气密封允许的轴向串动量一般在3mm左右，正常情况下，离心压缩机在止推轴承作用下，推力间隙控制在0.35mm～0.45mm，正常情况下轴向位移对干气密封不会产生不利影响。该故障主要在西二线烟墩站3#机组因为高负荷运行中，离心压缩机平衡气管线高压侧紧固螺栓突然断裂，由此导致轴向力平衡突然发生逆转，压缩机转子瞬间向驱动端大幅串动，导致平衡鼓与端盖梳齿密封、二级叶轮与出口导流叶片直接发生摩擦，驱动端干气密封因为轴向串动量严重超标，进而导致动静环严重磨损而失效。
干气密封异常失效具体原因构成情况如表3和图9所示。
从统计结果来看，由于密封采用的配对形式不同，以及定位及扭矩传动方式的差异性，动环定位失效成为博格曼密封失效的主要原因，也是密封失效率最高的因素。而导致定位失效的原因，则主要在于密封自身设计所针对的运行环境相对较高，需要对气质有更高的要求。再考虑到杂质聚集的失效率比例，现有管道压缩机运行环境，特别是上游管道运行的实际气质变化，对密封的影响成为了绝对的主要原因。
5、措施及解决方案
5.1 提高干气密封运行所需的气质品质
针对目前管线压缩机实际运行环境，可行的措施主要有以下两个方面：
(1)增加干气密封系统前置过滤系统。
原有压缩机组配套的干气密封处理撬仅包含双联过滤器及加热器，并未考虑管道运行环境下，特别是初期投产期间，工艺区内部管路积存或下游地点站场间工艺管路中存留的水份、重烃、锈蚀杂质等的影响，原有过滤器容尘量有限，且无脱除液体组分的能力，导致固、液杂质带入系统并损坏干气密封。
增加干气密封前置脱液、粗过滤系统，可以有效提高密封气品质。
(2)优化干气密封控制逻辑。
根据目前机组控制逻辑，主要可以从提高密封气供气温度和增加压缩机缸体充压前干气密封的预先投用时间两个方面进行优化。
现有逻辑干气密封加热器控制温度25℃，是考虑在70bar压力下，密封气水露点在-7℃以上情况下的需求设定的。一般控制要求，进入干气密封腔体内的密封气应高于同等压力下的露点温度20℃以上为宜。在实际投用过程中，因为此时干气密封供气管路上差压调节阀、节流孔板的逐级节流降压效应，最终进入干气密封密封腔的密封气的温度过低，特别是冬季明显存在供气管线挂霜的现象，由此可能直接导致重烃组分的凝析和密封橡胶件的低温脆化，最终导致密封失效几率的大幅增加。
另一方面，现有控制逻辑，机组干气密封系统的投用基本与压缩机缸体充压同步，其中，GE机组干气密封系统在压缩机加载阀开启前120s预先投用，但该时间端无法满足密封气预加热温度要求;RR机组则是干气密封与压缩机缸体充压同步进行，无预加热时间。
通过控制逻辑分析，为保证干气密封的稳定运行环境，需要大幅提高启机过程中的干气密封气的预先投运时间，建议控制在压缩机缸体充压前10min投运为宜，同时，提高干气密封加热器温度设定值为45℃，这样可以兼顾启机周期的前提下，更好地保证干气的温度达到所需要求，并对密封腔有足够的清洁吹扫时间，减少固体、液体杂质对摩擦副端面聚集下的不利影响。
另一方面，适当减小加载阀孔板尺寸，降低压缩机缸体充压速率，进而减少缸体节流降温对于干气密封的不利影响，对于改善干气密封的工作环境同样会起到较好的作用。
对于GE燃驱机组，相关逻辑更改如图10所示。
5.2 改进干气密封定位及扭矩传递可靠性
根据密封解体失效分析，建议采取如下措施：
(1)将动环定位方式，改进现有动环支撑拉簧结构形式，减少运行中传递扭矩的变形量，提高其可靠性。或者直接将其改进为容差带，提高定心可靠性。
(2)优化动环扭矩传动方式，将动环扭矩传递由支撑拉簧改进为拨叉传动。
5.3 提高密封适应较大气质变化条件的可靠性
鉴于管线压缩机运行实际气质条件，优先选用硬对软的配对形式的密封，提高密封适应较大气质变化条件的可靠性，并降低维修技术门槛，降低运维费用。
5.4 改进动环动压槽槽型设计
在保证密封动压效应的条件下，使密封静压效应大幅度提高，实现密封端面的超低压气浮(密封动静环端面脱开)，有效减小密封的静态扭矩，防止机组启停机过程中密封端面的接触，从而解决静环防转孔处崩坏、动静环磨损损坏。
5.5 改进干气密封防止油气泄漏的设计，加强日常压缩机密封低点监控和排污
在三级隔离密封内外梳齿密封连接螺钉处增加密封垫片，消除可能的油气泄漏通道，泄漏通道具体如图11(a)所示。
针对干气密封锁紧螺母内缘与转子的配合间隙，改进挡油环设计，消除可能的泄漏通道，如图11(b)所示。
每日对机组干气密封二级低点排污口视镜进行检查，确认有无液位，每月进行排污，防止液体聚集带入密封腔，如图12所示。
5.6 强化二级密封监控，提高二级密封工作环境
目前二级密封放空无任何监控，但二级密封在串联式干气密封的设计中，起到一级密封失效后的绝对的安全保护作用，为此必须高度重视二级密封的工作状况的监控。
针对现状，主要从以下方面进行改进：
(1)二级放空口增加压差监控，设置必要的报警、联锁，确保二级失效及时发现，并及时开展处理。同时，驱动端、非驱动端干气密封二级放空口单独设置室外高点放空，避免通过较小的汇管放空的方式，从而避免一端严重失效时，气流反串危及另一端干气密封，保证密封整体的安全性能。
(2)提高二级密封气的稳定性，及时调整一级放空压力控制阀，确保一级泄漏压力在设计指标内，进而保证二级密封的稳定工作要求。对于压缩机端盖预留有缓冲气(二级密封气)通道的离心压缩机，依托站场实际条件，增加可靠的惰性气体的供气条件，从根本上改变现有二级密封的工作环境和相关设计，切实提高二级密封的安全可靠性。
(3)论证并试点在矿物油箱增加超压紧急卸放装置，防止干气密封一二级同时异常失效下的安全。
5.7 改进三级隔离密封结构形式，降低仪表风消耗，减少油气带入密封腔的可能性因素
逐步改进现有梳齿型式的隔离密封，改进为密封效果更好、仪表风消耗量更少的碳环密封，减少干气密封腔进油的风险。
合理评估三级隔离气仪表风需求，在保证放空防爆安全需求的前提下，适当调整供气孔板尺寸，降低轴承腔内压，减少油气泄漏进入干气密封腔的风险。
参考文献：
[1] 钟桂香，罗潇，郗祥远.干气密封失效原因分析与有效性措施[J].油气储运，2014(3)：335-339.
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