董春玲

（中国石油大庆炼化公司，黑龙江大庆 163411）

0 引言

往复压缩机在石油炼制行业极为常见，其结构复杂、易损件多，其中填料密封故障便是发生率较高的一项，不仅影响设备正常工作，给生产带来安全隐患，而且机组的频繁停机维修、更换填料密封，零部件成本高，大大增加了维修费用。某异构脱蜡装置的循环氢压缩机，近5 年来共进行检维修13 次，其中填料密封故障维修达7 次，占比53.8%。因此，本文对往复压缩机填料密封泄漏的原因进行分析研究，以便及时采取相应措施延长填料密封的使用寿命。

1 填料密封结构及工作原理

1.1 压缩机组主要参数和填料密封基本结构

循环氢压缩机组的型号为2HD/1-1，一极二列对称型，入口压力为12.0 MPa，出口压力为13.1 MPa，入口温度40 ℃，出口温度79 ℃。

高压填料密封通常由多组填料环组成，每组填料环单独装配在各自的填料盒中（图1）。异构脱蜡装置循环氢压缩机的填料密封为8 组，从介质侧到大气侧（既高压侧到低压侧）分别为：第1个是起减压作用的阻流环或减压环；第2 个到第6 个为主密封环，阻止介质泄漏到排气管的主要部件；第7 个和第8 个是氮气密封环（也叫尾气密封环），阻止介质泄漏到隔离室。

图1 密封盒结构示意

1.2 各部件作用及工作原理

阻流环限制和控制介质泄漏，高压气体经过阻流环压力大大降低，压缩机吸气时，气缸中的压力会迅速降低，填料盒中的介质就有快速流回气缸的趋势，而阻流环就会起节流作用、阻止介质从填料盒反向流回气缸。如果没有这种限制，后边的主密封环会过早损坏甚至直接爆开，密封失效。

主密封环由两部分组成，一个径向环和一个切向环，径向环主要是用来覆盖切向环切口，切向环是起到主要密封作用的部件（图2）。

图2 主密封环示意

（1）径向环是辅助密封，材料为青铜，装配在介质侧，迎着高压气体，径向环内径略大于活塞杆直径，压缩机在运转过程中不与活塞杆紧密贴合，在气缸吸气和排气时，起到减压与限流作用，能防止非金属的切向环被挤压变形和过度磨损。

（2）切向环是主要密封部件，主要材料为PEEK（聚醚醚酮），紧贴着径向环装配在低压侧，在压缩机运转过程中，切向环在弹簧力的作用下紧抱活塞杆，阻止气体泄漏。在压缩阶段，气缸内压力升高，高压气体推动填料密封靠向低压侧，气体在密封环前后形成压差达到密封作用，共形成3 个密封面：①径向环与切向环形成密封面；②切向环与填料盒壁面形成密封面；③切向环与活塞杆形成密封面（图3）。气体经过每组密封环后，泄漏到下一组气体仍会通过气体压差建立密封面，达到阻止气体泄漏目的，气体经过主密封环后泄漏量逐级减少，压力逐渐降低，到最后泄漏量已经很少，通过排气孔排放到低压瓦斯系统回收。在吸气阶段，气缸内压力快速下降，部分气体沿径向环的切口间隙倒回气缸，填料盒内的气体压力恢复低压，在下一次压缩过程中，主密封环组前后又能形成新的压差、达到密封作用。

图3 主密封环工作原理

尾气密封环又称氮气密封环，在最后两道填料密封环之间通入保护气氮气，氢气经过前方阻流环和主密封环后，压力和泄漏量已经很低，氮气压力足以阻止氢气泄漏至隔离室，尾气密封环通过销钉将两个切向环对接在一起，而径向切口间隙互相错开，可以有效阻止气体外泄。

2 填料密封失效分析

压缩机在运行过程中，填料密封环在气体压差的作用下形成3 个密封面，起到密封作用。影响密封面失效的因素有很多，在设计、制造、运输、安装、运转、维护过程中的都有存在，这些因素中的一个或多个作用都有可能导致填料密封失效。影响密封失效因素可以分为两大类，分别是机械因素和辅助系统因素。

2.1 机械因素

（1）活塞杆。活塞杆引起泄漏的原因主要有4 个：①活塞杆制造工艺差，直径偏小或椭圆度不符合要求，在填料密封弹簧作用下无法抱紧活塞杆，切向密封环与活塞杆之间的密封面无法建立，密封失效；②活塞杆在运输、存放期间有下沉，导致径向跳动度大，造成密封失效；③活塞杆表面出现细微划痕，密封面贴合不良；④工艺介质含有腐蚀性气体，导致活塞杆表面被腐蚀。

（2）填料盒。填料盒引起泄漏的原因主要有3 个：①设计或制造尺寸略小，导致填料盒与内部密封环之间的轴向间隙变小。在压缩机运转后，温度升高，填料盒和密封环受热膨胀，因轴向间隙偏小，无法建立气体压差，也就无法形成密封面；②压缩机做往复运动，密封环与填料盒持续相对运动，造成密封面受损；③填料盒连接螺栓预紧力不足或螺母损坏导致松动，造成填料盒松动，进而轴向间隙增大。

（3）弹簧。因弹簧引的泄漏主要是因为弹簧力设计不足、补偿性差，密封环不能抱紧活塞杆等。

（4）密封环。密封环引起泄漏的原因主要有5 个：①密封环制造工艺不良或加工误差导致密封面缺陷问题导致泄漏；②密封环存放环境不良，包装受损、导致受潮或变形，或是强光直射导致老化变质；③切向环材料为PEEK，材料虽然耐磨但很硬，自润滑性能较弱，在与活塞杆反复硬性接触中会产生摩擦热，使活塞杆的温度升高，导致轴向间隙缩小、出现泄漏；④安装前，未检查密封环表面是否夹硬性颗粒，安装过程中密封环表面保护不到位，硬物磕碰导致受损；⑤密封环安装顺序不正确，径向切口需朝向高压侧。

（5）垫圈。填料盒中可能出现泄漏的零件还有垫圈，原因主要有两个：①所用垫圈的材料或工艺无法保证足够的预紧力；②垫圈金属槽锈蚀或积蓄杂质污垢，垫圈安装不平整，受力不均发生挤压变形。

2.2 辅助系统因素

（1）冷却水系统。若冷却水水质差、造成管路堵塞，冷却水流量下降或断流、影响填料盒冷却效果，运转中的多余热量无法及时带走，轴向间隙缩小，影响密封效果，并且可能造成润滑油高温结焦。

（2）润滑油系统。若注油器故障导致供油不畅或无法供油，将造成密封环与活塞杆发生干磨，严重时将致活塞杆表面划伤，密封失效。

（3）氮封系统。如果氮封压力不稳定、时大时小，也会影响密封效果。在压缩机运转过程中，当氮封压力过小时无法阻止氢气进入隔离室，并且无法撑起尾气密封环，使其与活塞杆摩擦，导致温度逐渐升高；氮封压力过大时，又会使尾气密封环被压到活塞杆上，也会与活塞杆过度摩擦并生热。摩擦生热会使主密封环膨胀，缩小密封环与填料盒间轴向间隙出现泄漏。

3 结语

往复压缩机填料密封是一个复杂而多变的过程，密封失效可能是多方面共同作用的结果。结合填料密封工作原理，现场检修实际情况，并查阅文献、搜集资料，参考其他学者研究成果，总结分析造成填料密封失效故障的原因，在实际生产中对往复压缩机故障诊断起到参考指导作用，以降低往复压缩机泄漏故障的发生，减少维修频次，保障机组平稳运行。