循环氢往复压缩机填料泄漏分析及处理

循环氢往复压缩机是石化公司加氢装置的关键设备，作用是使循环氢升压后重新进入反应系统，对保证裂化反应压力、及时带走反应热以维持裂化反应温度、促进液体物料在催化剂床层均匀分布以提高反应性能等起着关键作用。装置中配置的MW-34.2/（110-130）-20/（13-22）-X 型循环氢压缩机为固定水冷对置式4 列1 级少油润滑往复式活塞压缩机，进气压力11.1MPa，排气压力13.1 MPa，进气温度50 ℃，排气温度＜67 ℃，活塞杆直径114.3 mm，按1 开1 备配置。

一、问题

装置投产以后，循环氢压缩机活塞杆填料密封泄漏频繁，影响了装置的安全平稳运行和操作人员的人身安全。

二、填料密封环的结构和工作原理 1.结构

填料密封环是阻止压缩机气缸内高压气体沿活塞杆向外泄漏的密封元件，使用最普遍的是具有自紧能力、磨损后有一定自动补偿能力的平面填料。两块平面填料构成一组密封元件，每一组密封元件分别安装在单独的填料盒槽中，盒槽的数量根据气缸压力、活塞杆直径以及填料预期的维修时间来确定。填料函中可能出现泄漏的元件有填料函垫圈、填料盒端面以及填料密封环，其中填料函垫圈属法兰螺栓垫片密封，选择合适的垫片及保证足够的垫片应力就能实现无泄漏，填料盒端面一般使用O 形圈密封以达到无泄漏，填料密封环既有静密封点也有动密封点，如图1 所示。密封点A是密封环侧面与填料盒端面

间的密封面。密封点B 是切向环与径向环间的密封面，属于研合面密封，要求密封面的表面粗糙度要求达到Ra 0.8。密封点C 是填料密封环内圆面与活塞杆间的密封面，活塞杆在工作期间做往复运动，属于往复式动密封。

A、B、C 3 个密封点密封比压由密封元件前后面的压力差决定。

2.工作原理

填料密封环的工作原理与活塞环工作原理相同，类比六道活塞环前后的压力，具有相同环数的填料密封环在压缩机周期运行中压力的变化过程。

（1）各环前后压力呈周期性变化，即密封元件前后压差呈周期性变化。

（2）在需要密封的气缸被压缩时，各密封环上有指向泄漏方向的压力差，这时A、B、C 密封点的密封面被压紧，阻止了气体的泄漏，从而起到密封作用，见图2。

（3）在需要密封的气缸吸气时，有些密封环会有指向气缸方向的

压力差，这时填料杯槽内的部分气体将向气缸侧回流，使该处密封环后压力降低，在下一个压缩过程中，密封环前后又能建立起新的压力差以保持密封环的密封性能，吸气时出现回流的密封环工作情况如图3 所示。

三、密封失效分析1.填料盒与填料环之间配合面粗糙度大填料盒与填料环之间配合面粗糙度大，破坏了作为研合面密封的A 密封面的密封条件将引起泄漏量增加。

2.填料环过量磨

损、活塞杆与填函不同心、活塞杆出现锥度及椭圆，三者均增大

了密封环与活塞杆的径向间隙，气体通过四周均匀环形间隙的泄漏量，见关系式（1）。

由关系式（1）可知，泄漏量与径向间隙成3 次方的关系，当径向间隙不均匀时，泄漏量比均匀间隙高出2～2.5 倍。在压缩机吸入冲程，气缸内的压力迅速降低，填料函中的气体有反向流回气缸的趋势，如果减压环失效，密封环会爆开，密封环内孔与活塞杆、填料环各环瓣间的相对位置将发生改变。

3.密封环镯形弹簧弹力小或断裂

密封环弹簧力小时，相对位置改变较大会使弹簧断裂，造成密封环失效或损坏。

4.填料冷却润滑效果差

压缩机克服密封环摩擦所需要的功率占压缩机总功率的0.5%～2%,功耗大部分转化为热能，填料冷却效果不好，不能及时把热量从填料密封环上导走，填料环的温度升高，会使填料环脱离活塞杆在切向切口处分离，引起填料环磨损或泄漏。由关系式

（1）可知，泄漏量与气体的动力粘性系数成反比，在压缩机活塞杆

与填料的间隙中注入高粘性的压缩机油，一般压缩机油的粘性系数是氢气的千倍以上，将大大减少气体的泄漏量，同时，活塞杆表面与填料内圆面间形成油膜，能有效减小填料的磨损并带走一部分因为摩擦而产生的热量，提高填料的使用寿命和使用效果。

5.填料盒尺寸不合适

压缩机运行中，活塞杆与填料函同轴度存在误差，并且活塞杆自身直线度也存在误差，使活塞杆在作往复运动时，要求密封环在填料盒内可自由地作径向移动，因此填料盒预留适当的径向热膨胀间隙，防止密封环径向移动受限引起磨损加剧。密封环是一种动密封填料，为达到密封效果，要求每一组填料环组上保持由气体压力产生的压差，这个压差的建立必须保证填料环组与填料盒之间存在合理的轴向间隙，间隙小甚至过热胀死影响泄漏气体向气缸侧回流，影响差压建立，但间隙过大可能造成填料环阻与填料盒撞击速度增大而损坏。

四、密封填料使用情况及失效原因

1.填料使用情况

循环氢压缩机填料安装如图4 所示，从气缸到曲轴依次为1 组减压环、9 组主密封环、2 组漏气密封/氮气保护环，填料函设置1 个注油点，填料密封环材料为PTFE，填料环与填料盒分别由不同厂家提供。填料安装后静态漏量偏大，使用过程中填料失效速度快，寿命仅有1-2 个月，泄漏有突发的现象。拆检填料时发现减压环、主密封环弹簧易在拉钩处发生断裂；主密封环磨损大，远离气缸侧末端的几组主密封环较其他密封环磨损量大；填料盒内润滑油偏少；减压环、密封环

与填料盒轴向间隙在0.31～0.44 mm 之间，间隙正常；填料盒内侧面无明显缺陷；活塞杆表面无拉痕、划伤等影响填料密封效果的缺陷。

2.填料失效原因

（1）填料密封环材料为聚四氟乙烯（PTFE)，主要填充物是玻璃纤维，材料耐磨性能不够理想，摩擦系数大，压缩机运行中和活塞杆摩擦产生的热量大，需要填料盒把热量转移走，填料盒冷却效果不佳，造成密封环温度高。

（2）循环机填料盒仅设置一个润滑点，一方面润滑油量不足，无法在填料与活塞杆之间形成连续致密的油膜，不利于降低密封环与活塞杆间的摩擦，也不利于散热，摩擦产生的热量使密封环温度高，另一方面，注油量小，油的阻塞液体作用降低，不能有效降低气体泄漏。

（3）在填料设计理念上存在差异，循环氢压缩机填料盒比其他类似机组的数量多，由于摩擦面积增大，使活塞杆温度进一步升高，导致密封环温度升高。

上述3 种原因的后果叠加使密封环温度较高，一方面使密封环磨损加剧，另一方面导致密封环在切向切口处分离引发泄漏，同时，高度受热不均会使活塞杆成弧状弯曲，密封环接触面积减小，接触比压上升，摩擦力增加，磨损加剧，并伴随泄漏通道的出现而发生泄漏。

（4）填料在静态时泄漏量偏大，主要原因是密封环镯形弹簧力偏小，密封环预紧力不够，密封环与活塞杆间隙大造成的；随着减压环内径的磨损，内径与活塞杆间隙逐渐增大，进入到填料盒内的压力逐渐增加，当进入压缩机吸入冲程，气缸内的压力降低，填料函中的气体迅速反向流回气缸，造成密封环爆开，使弹簧损坏甚至在应力集中（拉钩）处断裂，密封环失效。

（5）末端几组主密封环较其他密封环磨损量大的主要原因是越靠近气缸侧的填料环，两侧及内外圆压差越接近进、排气压差，其值越小，靠后一组或几组承担了气缸与外界绝大部分压差，其值较大，因而磨损最大。

五、改进措施及效果

针对填料密封组件在使用过程中出现的失效情况以及对失效原因做的分析，联系填料生产厂家对填料进行了改进。①增加密封件镯形弹簧的弹力以增加密封件预紧力，减小了填料静态下的泄漏量；在提高弹簧弹力的同时增加了弹簧的强度，使弹簧不易断裂，避免密封件由于弹簧断裂引起失效或泄漏；再者，增加弹簧力减少了填料环随动滞后现象，使起主要密封作用的填料环磨损后其他填料换能立即报紧活塞杆起到密封作用。②提高密封组件材料规格，使用聚苯硫醚和聚四氟乙烯混合材料，一方面提高填料耐温性能及抗变形的能力，降低了填料在高温下由于变形而产生的泄漏，另一方面提高了填料的强度和耐磨等级，降低了填料在高温下异常磨损引起的泄漏。③为使填料和填料盒间匹配合理，有效降低密封组件的温度，委托填料厂家对填料函进行了重新设计，新的填料函冷却循环水路采用更贴近活塞杆的形式，冷却效果比较好。④填料注油量增加，避免了注油量不足发生干摩擦而产生过多摩擦热。⑤

填料密封环组数量减少2 组，减少了密封件摩擦热，降低了密封系统的温度。

经改进后的填料系统，使用寿命延长至8000 h 以上，达到了设备使用周期的要求。