​氮气压缩机轴封泄漏的分析与处理

摘要：针对氮气压缩机轴封泄漏问题进行排查，发现是由轴封系统设计缺陷引起，通过扩大压缩机上缸体隔离气进气孔和密封气漏气孔尺寸，并重新配置漏气管线，增大漏气管和漏气放空总管，解决了泄漏问题，保障了机组稳定运行。

关键词：压缩机　迷宫密封　梳齿交错密封　梳齿平台密封　放空

1.概述

呼伦贝尔金新化工有限公司富甲烷气提纯改造项目于2019年11月投产，其中的液化天然气（LNG）氮气压缩机机组是LNG装置的核心设备，氮气压缩机由一缸二段组成，压缩机、汽轮机安装在公用钢底座上，整个机组采用润滑联合油站供油。从驱动端看，压缩机机组旋转方向为顺时针。自机组投用以来，压缩机轴封隔离气压力一直偏高，隔离气就地压力（表压，下同）最高可达0.45MPa，远高于设计值（0.04MPa），通过现场手动阀无法调节隔离气压力。两端油气放空管线、仪表管线、联轴器中间接筒密封等多处出现渗油或漏油，油箱需频繁补充润滑油，给机组稳定运行带来极大隐患，压缩机机组隔离气参数如表1所示。    

2.压缩机组成

压缩机型号为2MCL405，属于多级离心压缩机，机壳为水平剖分式，主要由定子（机壳、隔板、密封、平衡盘密封）、转子（主轴、叶轮、隔套、平衡盘、轴套、半联轴器等）及支撑轴承、推力轴承、轴端密封等组成，压缩机主要参数如表2所示。  

 

2MCL型压缩机轴封采用迷宫密封（梳齿交错密封），压缩机两端轴封以及平衡鼓处都装有迷宫密封，以减少介质气外漏。迷宫密封一般采用铝合金制成，利用其较软的特性能够避免损坏轴套和平衡鼓[1]。为避免由于热膨胀而使密封变形，发生抱轴事故，一般将密封体做成“L”形卡台，密封齿为梳齿状，密封体外环上半部用沉头螺钉固定在上半隔板或机壳上，但不固定死，外环下半部自由装在下隔板或机壳上。对尺寸较大的密封，根据需要切割成2瓣或4瓣，而且切口留有一定间隙，以满足热膨胀要求。压缩机迷宫密封结构[2]如图1所示。    

3.轴封泄漏分析

影响压缩机迷宫密封泄漏的主要原因一般有：①密封气系统调节问题；②迷宫密封梳齿磨损及破损；③迷宫密封系统设计缺陷。根据以往检修经验，从以下3个方面进行排查。

3.1密封气系统调节问题

隔离气压力调节系统由装置外界低压氮气通过DN25mm管线上的调节阀进行调节，隔离气进入压缩机低压端和高压端。低压端与高压端结构有明确区别，高压端有平衡鼓，平衡鼓上的梳齿密封结构形式为梳齿平台密封，高压端与低压端梳齿密封前端的气靠二次平衡管相连接，保障了两端梳齿密封的工况基本一致，高压端平衡鼓梳齿外侧泄漏气连接至压缩机一级入口，可以有效降低泄漏气体压力，减少介质气体延轴向向外泄漏，两端梳齿密封外漏后均有DN15mm的漏气管线外排大气。    

当压缩机启动油循环之前，压缩机内部投入0.40MPa氮气作为保护气，此时隔离气总管压力显示为0.40MPa，再投入密封隔离气，此时密封隔离气已无法调节，检测压缩机两端漏气管线压力均为0.40MPa，因此再投入密封隔离气已经无效。为确保压缩机润滑油在突发状况时能够进入机组内部，密封气隔离气阀正常开启。在设备正常运行过程中隔离气总管压力显示为0.45MPa，此时隔离气总管压力不再发生变化。

通过上述操作发现压缩机两端密封漏气压力最高为0.45MPa，密封气漏气管线以及油气放空管线有大量气体泄漏，密封气系统的压力已无法调节，初步判断压缩机梳齿密封有可能已经磨损，因此着重对压缩机迷宫密封进行检查。

3.2迷宫密封检查

3.2.1密封间隙

2021年大修时期，对氮气压缩机进行检查，压缩机轴封间隙数据如表3所示。

从表3可以看出，高压端和低压端轴封密封间隙均为0.30mm，符合设计要求。平衡鼓密封以及油封间隙也均符合设计要求，但油封间隙偏设计值上限。为避免润滑油系统油气进入密封气系统造成干扰，将偏上限的油封进行更换，更换后的油封经过修整，油封间隙在设计值下限，因此可以排除密封梳齿的磨损导致轴封泄漏以及油气通过油封进入隔离放空系统的影响。    

3.2.2梳齿密封及密封轴径

经拆卸检查，未发现密封存在明显缺陷，但压缩机两端密封明显有气体泄漏留下的痕迹，可见密封处确实有大量气体通过梳齿外泄。压缩机密封轴径处未发现明显缺陷或磨损。

综上对密封梳齿及轴径的检查，未发现能够导致密封大量泄漏的缺陷或能够影响密封系统及隔离气压力密封增大的原因。因此将密封气泄漏主要原因锁定为迷宫密封设计缺陷。

3.3迷宫密封系统设计校核

迷宫密封系统设计校核包括迷宫密封漏气量的计算和密封气放空管径的校核计算。

3.3.1迷宫密封漏气量的计算

参考离心式压缩机迷宫密封漏气损失计算程序进行计算^[3-5]。该程序采用2种方法计算漏气量：①Steponoff方法，通过判断密封间隙中气流速度是否小于声速，而采用不同的计算公式；②Martin方法，通过采用统一计算公式（不管密封间隙中气流速度是否小于声速）计算漏气量。

此处对平衡盘密封尺寸进行现场实际测量，但由于无法测量密封间隙中气流速度是否小于声速，因此采用Martin方法进行核算，公式为：

式中：qmlk—迷宫密封漏气量，kg／s；

K1—漏气量修正系数，取0.65~0.85；

K2—迷宫密封结构型系数，梳齿交错型取1；

Ds—密封直径，取162mm；    

S—梳齿密封直径间隙，取0.30mm；

p1—密封前压力，MPa；

ρ1—气体密度，kg／m3；

ε—临界压比；

Zs—梳齿密封齿数，高压端为20片，低压端为30片。

经核算，高压端密封泄漏量为802kg／h，低压端密封泄漏量为1284kg／h，两端总泄漏量为2086kg／h。

3.3.2密封气放空管径的校核计算

压缩机两端各有1根DN15mm泄漏气放空管线，2根管线汇总到1根DN15mm管线至室外放空，根据压缩机两端DN15mm管线复核压缩机密封气放空流量。管道内径计算公式为[6]：

d=18.81W0.5u-0.5ρ-0.5　　　　　（2）

式中：d—管道内径，mm；

W—管道内径的介质流量，kg／h；

u—介质在管道内的平均速度，m／s；

ρ—介质在工作条件下的密度，kg／m3。

将压缩机高压端和低压端泄漏量分别代入并计算，得压缩机高压端密封漏气管径至少应为28mm，低压端至少应为35mm，汇入总管内径至少应为45mm。

通过以上检查以及校核发现，在设备各动静间隙都符合设计要求的条件下，压缩机的轴封设计与压缩机的轴封漏气系统设计不匹配，压缩机缸体两端漏气孔径设计值为15mm，与两端密封泄漏量计算的孔径结果偏差较大。从压缩机目前的运行参数看，压缩机的轴封泄漏量直接影响压缩机流量和压力，致使压缩机运行性能一直未能达到设计要求，因此判断为压缩机轴封泄漏较大，直接影响了机组的性能。    

4.解决措施

1)减小离心式压缩机迷宫密封泄漏量的措施一般有选择适当的密封结构、增加密封齿数、增加密封梳齿顶高、减小密封节距、减小密封间隙等。根据现场实际情况，压缩机本体空间有限，无法实现整改密封结构及齿数，因此暂时不采取此类措施。

2)更改压缩机密封气漏气系统，将压缩机上缸体隔离气进气孔和密封气漏气孔由原设计的15mm扩大至32mm。按照计算量重新配置漏气管线，增大漏气管至DN32mm，增大漏气放空总管至DN80mm，增加阀门，通过隔离气总管压力表有效控制漏气放空气量，如图2所示。

5.实施效果

2021年8月9日，密封气漏气系统整改完成后，氮气压缩机机组开车，对密封气漏气管线上的阀门进行漏气放空量的调节，隔离气总管压力可以正常调节至设计值0.04MPa，同时解决了设备油气放空管线、仪表接头以及机组各密封点频繁漏油问题，消除了机组运行隐患，彻底改善了现场环境卫生。    

作者：桑贤伟，李代富，李维特，赵忠武，张禹。