高压压缩机填料密封失效的原因分析

黄 华

（中海浙江宁波液化天然气有限公司，浙江江宁 315800）

高压压缩机填料密封失效的原因分析

黄 华

（中海浙江宁波液化天然气有限公司，浙江江宁 315800）

大型LNG接收站在运行期间会产生大量BOG，在外输量较小时，利用高压压缩机对BOG进行回收能够有效避免BOG直接排放火炬造成的经济损失和环境污染。首先介绍了高压压缩机在LNG接收站的应用以及某LNG接收站因高压压缩机运行而引起火炬燃烧的问题，再结合生产实际情况，对该问题进行深入分析和探讨，最终找到了问题的源头。

LNG接收站；压缩机；填料泄漏

近年来液化天然气项目快速发展，国内已经运营LNG 接收站项目有福建、广东大鹏、上海大型LNG接收站项目。蒸发气（BOG）处理系统是 LNG 接收站的核心部分，是LNG接收站安全运行的基础。目前，国内大型接收站的BOG处理工艺主要是再冷凝和直接压缩两种。而其中的直接压缩工艺，就是将LNG储罐内的BOG气体先使用低压压缩机初步加压，再由高压压缩机直接加压到管网所需压力，进入外输管网至下游用户而采用高压压缩机对BOG进行直接加压至外输压力。

1 背景

2016年1月，厂家对高压压缩机进行了检修。检修发现了许多问题，如后二级活塞杆陶瓷镀层损坏，后二级气缸缸座连接螺栓断裂等。活塞杆返厂维修后陶瓷镀层已恢复，缸座连接螺栓全部换新，填料也全部更换。2016年4月，高压压缩机进行检修后测试，测试结果一切正常。然而不久之后，工艺人员就发现火炬处经常无故产生火焰。如果不找到问题的症结所在，那么长时间的BOG燃烧将造成很大的经济损失。

经过对该LNG接收站的观察，火炬头处的火焰在高压压缩机运行时出现，反之，当高压压缩机停运时，火炬头则不会有火焰。因此，我们可以判定问题的根源在于高压压缩机。

2 高压压缩机的密封形式及原理

高压压缩机的密封形式为机械密封，其密封件组成部分包括径向环、切向环和阻流环，材料为聚四氟乙烯。密封环的作用是防止气缸中的高压气体沿着活塞杆方向泄漏，它是压缩机中最重要的零部件之一，也是压缩机最主要的外泄漏途径之一。通常情况下，我们常说的填料密封环是一种动密封环，即只有在压缩机工作时才起密封作用（一般的压力工况），而压缩机停机时或者其他特殊情况下，它并不能起密封作用。而在后者情况下起密封作用的密封环，我们通常称为静密封环。这里的动密封指作用到填料密封环上的压力随着活塞的往复运动而成明显的周期变化，也即压力为脉动压力，如通常的双作用气缸，这种脉动变化的压力是填料密封环密封气体所必需的。为了便于说明，下面以最常用的填料密封环（j见图1）来解释实际的工作原理，该环由一片径向切口环和一片切向切口环组成，为典型的单作用环。

如图2所示，状态一为所需密封的工作气缸端被压缩时，填料密封环由于受气体力的作用靠向低压侧，气体从填料密封环与填料盒杯槽之间的轴向间隙和径向环的切口间隙中进入填料的外侧，在气体力的作用下形成三个密封面：径向环与切向环切口错开形成密封面、切向环与活塞杆表面形成密封面、切向环与杯槽侧面形成密封面。这样就阻止了气体的泄漏，从而起到密封作用；当气缸吸气时（如图2状态二），气体通过径向环的切口间隙部分回流进气缸。压缩机的往复运行周期：在压缩阶段，气缸内的高压气体作用在填料密封环上，在填料密封环前后形成压差，各密封面在气体压差的作用下能够很好的工作，气体逐步泄漏到随后的填料杯槽里并形成类似的密封形式，最终保证整个填料盒的密封效果；在吸气阶段，由于气体通过填料密封环组中径向环的切口回流到气缸，填料杯槽内的气体压力逐渐下降，因此这样就可以保证在下一个压缩过程中，填料密封环的前后又能建立起新的压差，使填料密封环形成三个密封面，起到密封作用。

图1 常用的填料密封环

图2 气缸工作状态

填料函的冷却方式为水冷。一般来讲，填料环与活塞杆之间会有一个磨合的过程，经过磨合，填料环内的密封件能够紧紧贴住活塞杆，使密封效果达到最佳。

3 原因分析

从前面所述可知，高压压缩机的密封是靠密封环的相互配合来完成的。在运行过程中，填料环的冷却方式为水冷。一般来讲，填料环与活塞杆之间会有一个磨合的过程，经过磨合，填料环内的密封件能够紧紧贴住活塞杆，使密封效果达到最佳。那么，高压压缩机的密封如何会失效呢？从密封原理来看，可以得知有以下几个原因：

1）装配时密封元件和填料盒间的轴向间隙太小，工作时气体温度高，密封元件受热膨胀，造成密封失效。

2）密封件弹簧失效，填料解体。

3）填料过度磨损，失去自紧补偿作用。

4）活塞杆过度磨损，尺寸变小。

5）填料盒冷却效果差，填料温度偏高，造成密封件损坏。

由于是厂家负责检修工作，因此填料装配和填料质量这两方面存在问题的可能性不大。至于填料过度磨损也不太可能，聚四氟乙烯这种材料的产品摩擦系数很低，甚至可以作润滑之用。活塞杆过度磨损的可能性也很低。为了防止高压压缩机的活塞杆磨损，在活塞杆表面有陶瓷镀层，而陶瓷的最大特性就是耐磨。

前面四个原因均不太可能，那么会不会是填料盒冷却效果差这个原因呢？为什么会造成冷却效果差，无非两方面的原因：冷却水流量过小和冷却水温度过高。冷却水温度主要受外界天气影响，夏季热则温度偏高，通过启动冷却水风扇可以对冷却水进行降温。冬季冷则冷却水温度偏低，通过启动加热器和冷却水泵可以对冷却水进行升温。夏季最热时水温一般可以维持在35℃左右，而冬季最冷时水温一般可以维持在20℃左右。也就是说，冷却水的温度常年在20～35℃之间，并不会出现冷却水温度过高的情况。那么就是冷却水流量不足这个问题了。从高压压缩机维修以后的运行记录来看，有个细节值得注意，那就是冷却水泵出口压力不断提高，但下游冷却水压力却始终很低（工艺人员巡检时曾注意到，水泵出口压力为0.5MPa时，管线末段压力表读数显示不到0.01MPa）。这说明，冷却水管线内存在堵塞，且堵塞比较严重。管道内存在未清理的杂物是有可能的，但最重要的原因来源于冷却水水质。本人在查找相关资料后发现，高压压缩机对冷却水水质有明确要求，必须是软化水，否则长期运行后，水里的钙镁离子形成水垢，必然会造成管道堵塞。

将水软化需要专门的软化设备去除钙镁离子等，从经济实用性角度来讲，远不如自来水。因此，在高压压缩机的实际运行过程中，该LNG接收站用自来水替代了软化水。长期以往，问题便产生了：管道内水垢增多，管道流量减小，填料段的冷却水量不足，活塞杆与填料之间摩擦产生的大量热量无法及时被带走，导致该处温度升高。聚四氟乙烯耐高温，因此填料密封环尚可保持完好，但活塞杆表面的陶瓷镀层耐磨却不耐高温，持续的高温将会烧坏陶瓷镀层。

4 结论

由此，可以做出推测，由于该接收站使用自来水作为冷源，导致在长期运行后管道内产生水垢，管道内水流不畅，填料段得不到足够冷却，造成填料段与活塞杆之间温度过高，最终烧坏了活塞杆表面陶瓷。至此，活塞杆与填料之间间距变大，二者无法紧密贴合，填料密封失效，而气缸做功时一部分气体便从填料段泄漏出去，排向火炬。

2016年3月，该LNG接收站对高压压缩机进行再次检修。在此次检修过程中，我们的推断得到了验证：密封环完好，而活塞杆表面则有烧坏的痕迹，凹凸不平。在对冷却水管道进行清洗后，该LNG接收站改用了软化水作为冷源，密封环未予更换。在高压压缩机重新完成装配工作后，启动测试。通过连续一周的运行，发现漏气回收管线排放口处的过气量明显减小，火炬头未再出现火焰。

问题的根源往往在于细节，对于化工行业更是如此。做好每一个细节，可能就会减少很多不必要的损失。

Cause High Pressure Compressor Packing Seal Failure Analysis

Huang Hua

Large LNG terminal during operation will generate a lot BOG，lose out when a small amount of high-pressure compressor for recycling BOG BOG can effectively avoid the direct discharge torch caused economic losses and environmental pollution. First introduced in the high-pressure compressor and the application of a LNG terminal LNG terminal due to high pressure compressor caused flaring problems，combined with the actual production situation，the issue in-depth analysis and discussion，and finally found the source of the problem.

LNG receiving station；compressor；packing leakage

TH45

B

1003–6490（2016）04–0094–02

2016–03–25

黄华（1988—），男，四川泸州人，助理工程师，主要从事液化天然气工艺操作工作。