离心压缩机用干气密封静态泄漏试验方案分析

郭飞虎

沈阳鼓风机集团股份有限公司, 辽宁 沈阳 110869

干气密封作为新型密封技术,在石油化工行业用离心压缩机上已得到了广泛应用[1]。随着干气密封技术的不断提升,同时为了适应当前市场的发展,2018年美国石油学会(American Petroleum Institute,API)颁布了专门针对干气密封本体和系统的标准API 692 Dry gas sealing systems for axial,centrifugal,rotary screw compressors and expanders(以下简称API 692)，但由于在干气密封本体和系统的设计、制造以及检验等方面要求的严格性,并未得到全面推广[2],目前行业内所用干气密封标准仍按照API 614 Lubrication,shaft-sealing and oil-control systems and auxiliaries(以下简称API 614)和API 617 Axial and centrifugal compressors and expander-compressors(以下简称API 617)执行,仅某些条款参照API 692的要求[3]。

API是一家专业的石油协会机构,其制定并颁布的石油化工和采油机械行业用技术标准应用广泛,在世界范围内被ISO、国际法制计量组织和多个国家标准体系所引用[4]。目前,API 标准已经作为石油化工行业内用动、静设备及其辅助设备普遍执行的标准,相关要求紧跟行业内相关技术的发展[5]。

本文以离心压缩机用干气密封静态泄漏试验为研究对象,试图通过分析和比较不同标准对干气密封本体静态泄漏试验的要求,为离心压缩机设备制造厂内进行整机带干气密封静态泄漏试验提供思路。

为了便于了解离心压缩机用干气密封静态泄漏试验,首先介绍当前API标准中离心压缩机用干气密封静态泄漏试验在离心压缩机设备制造厂试验环节的相关要求和内容。

1.1 API 614

API 614现行最新版为2008年第5版，按照实际执行情况,标准的第4部分内容目前已成为行业内干气密封设计最基本的要求[6]。但由于API 614发布年限以及行业划分等原因,已经无法适应当前干气密封的发展,也无法对干气密封设计、制造形成有效的技术指导和支撑，故当前已不将其作为对干气密封的全部要求,仅作为技术参考[7]。

API 614关于干气密封静态试验的有如下要求[8]。

1)7.3.1.2条，当有规定时,在主机设备进行机械试运转期间应使用指定的干气密封模块。在设计干气密封模块时,应考虑机械运转试验或工厂性能试验过程中的气体条件。

2)7.3.3.1条，系统应进行110%最大允许工作压力时的气体泄漏试验。

3)7.3.3.2条，除非另有规定,密封气体分子量小于等于12 时,试验气体应该是氦气,密封气体分子量大于12 时,试验气体应该是空气或氮气。试验气体应清洁干燥。

以上为API 614有关干气密封系统静态泄漏试验的全部要求,但针对干气密封本体并没有明确或详细的试验程序及步骤要求[9]。

1.2 API 617

API 617现行最新版是2014年第8版,其应用场合更广泛,随着行业技术的进步，API 617进行过多次升版和修正。对轴流、离心压缩机、膨胀机—压缩机及其辅助设备的设计、制造和试验提供了详细指导,故API 617已成为行业内公认的最基本标准[10]。

API 617明确规定了对压缩机辅助设备如轴端密封的要求,因此目前干气密封本体的设计、制造以及试验也是以API 617做为最基本的要求和准则。

API 617第1部分附录F中,对干气密封本体静态测试步骤有详细的要求[11]。

需要说明的是,干气密封本体在密封设备制造厂内做试验验证时,依次按照静态泄漏试验、动态泄漏试验的步骤进行。动态泄漏试验的压力和静态泄漏试验的压力要求完全一致,只是需要模拟离心压缩机转子在不同运行转速条件下干气密封的泄漏状态。由于本文不对动态泄漏试验进行分析,故此处不做详细说明。

1.3 API 692

API 692是专门针对干气密封本体及系统的标准,现行最新版为2018年首次发布的0版,其中第2部分是关于干气密封本体的设计、制造及试验的要求。

在API 692第2部分附录B中对干气密封本体静态泄漏试验有明确要求。针对不同型式的干气密封,对其试验的压力、试验步骤、冷却静止状态、热运行状态以及热运行后的静止状态都有详细要求。

以目前行业内应用广泛的串联式干气密封和并联式干气密封两种型式为例,API 692对于干气密封本体的静态泄漏试验分别有如下要求[12]。

1.3.1 串联式干气密封

串联式干气密封泄漏试验模拟离心压缩机的实际运作状态,按照先后顺序由冷却静止状态测试和热运行后的静止状态测试组成。

首先进行一级密封环(主密封)的冷却静止状态试验，再进行二级密封环(副密封)的冷却静止状态试验;然后进行一级密封环(主密封)的动态试验和热运行后的静止状态试验,以及一级密封环(主密封)的启动—停机试验;最后进行二级密封环(副密封)动态试验和热运行后的静止状态试验。

上述冷却静止状态泄漏试验是干气密封最初始状态:密封本体在试验台组装后,在冷却静止状态下,对一级密封环(主密封)和二级密封环(副密封)在不同的试验压力条件下按照先后顺序分别测试其泄漏量。

一级密封环(主密封)的试验压力应不低于最大密封压力。二级密封环(副密封)的试验过程与一级密封环(主密封)试验过程完全相同。为准确检测二级密封环的泄漏量,在试验时需确保一级密封环(主密封)的供气压力大于或等于二级密封环(副密封)的试验压力,具体试验步骤要求见表1。

表1 串联式干气密封冷却静止状态泄漏试验步骤表

表1的试验完毕后,进行一级密封环(主密封)的动态泄漏试验。

在一级密封环(主密封)的动态泄漏试验完毕后,将试验样轴降速并保持干气密封本体在静止状态,再进行一级密封环(主密封)热态运转后的静止状态泄漏试验。其过程与冷却静止状态泄漏试验过程相似,不再详细描述。试验完毕后,再进行一级密封环(主密封)的启动—停机试验。之后再进行二级密封环(副密封)的动态泄漏试验。在二级密封环(副密封)的动态泄漏试验完毕后,同样将试验样轴降速并保持干气密封本体在静止状态,然后进行二级密封环(副密封)热态运转后的静止状态泄漏试验。其过程与冷却静止状态泄漏试验过程相似,不再详细描述。

1.3.2 并联式干气密封

并联式干气密封试验过程同样包括冷却静止状态泄漏试验和热运行后的静止状态泄漏试验。

首先进行密封的冷却静止状态泄漏试验,再进行密封的动态泄漏试验,然后进行密封的热运行后的静止状态泄漏试验,最后再进行密封的启动—停机试验。

以上试验为干气密封设备制造厂内必做试验。如果有要求,最后需进行整体密封的低速运转试验,以及重复进行冷却静止状态泄漏试验。具体试验步骤要求见表2。

表2 并联式干气密封冷却静止状态泄漏试验步骤表

表1～2为API 692关于两种典型干气密封本体的冷却静态泄漏试验要求,明确了干气密封静止状态和运行后冷却静止状态泄漏试验的要求和操作步骤。

在API 617第2部分的试验检验章节6.3.3,要求了离心压缩机壳体和组装后的压缩机(带或者不带干气密封本体)静态泄漏试验的相关步骤。

以上内容也是API 617关于离心压缩机以及干气密封本体静态气体泄漏试验全部要求。关于干气密封本体静态泄漏试验,仅给出了试验压力和试验结果是否合格的判定要求,但没有给出建议的步骤。

不同API标准对试验要求的深度不同,以下对标准内容依次进行分析。

3.1 API 614

API 614第4部分是关于密封系统的要求,但并未明确是针对干气密封本体,更没有明确是否针对压缩机用轴端密封系统。由于要求的内容不够详细和具体,因此对当前石油化工行业离心压缩机用干气密封的针对性不强。

值得借鉴的是，API 614对干气密封设备制造厂试验所采用的介质有明确规定，但这部分规定出现在干气密封系统试验的章节中,并未明确指出是针对干气密封本体。故当前行业内干气密封设备制造厂会依据自己的操作规程选择试验介质。

关于试验压力,在后续的API 617和API 692有了更明确和详细的要求,此处不再解读。

3.2 API 617

API 617比API 614对干气密封本体的试验要求更有针对性,并给出了可借鉴的试验压力和试验步骤要求。API 617针对离心压缩机相关的内容更多,对离心压缩机和离心压缩机用干气密封本体静态泄漏试验都有要求。

API 617第2部分附录F中明确干气密封的静态试验压力为规定的最大静态密封压力，但API 617全文中没有“规定的最大静态密封压力(Maximum Specified Static Seal Gas Pressure)”和“最大静态密封压力(Maximum Static Seal Gas Pressure)”的定义,只有“最大密封压力(Maximum Sealing Pressure)”的定义。

API 617对最大密封压力的定义为:在任何规定的静态或运转条件下,以及在启动、停车期间,密封组件需要密封的最高压力。API 617 4.10.1.3中明确:最大密封压力至少应当等同于“滞留压力(Settle-out Pressure)”。

对于以上内容分析,从防止系统泄漏的角度出发,为保证干气密封的功能可靠,密封组件在静止状态下需要密封的最低压力选择为滞留压力是最基本的要求。因此如果没有特殊要求,干气密封设备制造厂通常以滞留压力为基准,并在此数值基础上增加一定安全设计余量作为干气密封本体的静态设计压力。

需要特别说明的是,正如API标准里提及的“设计温度、设计压力、设计转速等词汇,只是离心压缩机设备制造厂使用的术语”,因此API标准中没有此类术语的解释。

基于以上分析认为，API 617提及的干气密封静态试验压力规定的“最大静态密封压力”可以等同于“最大密封压力”。

针对压缩机的静态泄漏试验,API 617给出了两个不同的试验,两者的压力和试验状态也不同。

首先明确静态泄漏试验是离心压缩机设备制造厂必做试验(Required Test)。试验状态为“组装好轴端密封的压缩机整体”,试验压力是最大密封压力或最大密封设计压力,试验介质是惰性气体。

其次在上述必做试验完成后,需进行买方明确条件的可选试验(Optional Test)。明确条件包括是否需要此试验,以及如果需要其试验条件如何规定。试验状态是“可以包括或者不包括组装好轴端密封的压缩机整体”。试验压力是“规定的最大出口压力(Maximum Specified Discharge Pressure)”。

对于必做试验的试验压力,可将其理解为离心压缩机设备制造厂在基于最大密封压力要求的前提下,考虑设备设计温度、选材等条件的设计允许值。因此对于必做试验,试验压力至少应不低于最大密封压力。

而对于之后的可选试验,试验压力就是离心压缩机的额定出口压力，这是以上两个试验最大的区别。

接下来对两个试验的含义进行分析。

在长时间静止同时没有增压的状态下,离心压缩机出口压力不会超过滞留压力。因此如果没有特殊要求,干气密封设备制造厂选择将最大密封压力作为干气密封本体静态设计压力的基准来满足实际操作需求。

而实际操作状态下,绝大部分离心压缩机额定出口压力高于滞留压力[13]。如果离心压缩机在带干气密封组装后直接做上述可选试验的状态下,其试验压力会超过干气密封静态设计压力,为保证干气密封本体的安全，必定会导致变更干气密封本体设计条件[14]。因此,API 617对于离心压缩机整机气体泄漏的可选试验强调了安装或不安装轴端密封，同时API 692对这种特殊情况也给出了解释和说明。

3.3 API 692

API 692是专门针对干气密封颁布的标准,因此要求也更明确和详细。

在API 692第2部分附录B中,明确要求试验压力是“最大密封压力”和“额定的静态密封压力(Static Pressure Rating)”。其中最大密封压力适用于密封泄漏试验压力增压过程,额定的静态密封压力适用于泄漏试验压力稳定状态。

API 692给出了最大密封压力的定义为:在任何规定的操作条件下(包括启动、停车、滞留和待机期间),密封组件需要密封的最高压力。同时,在第1部分6.2.2中明确指出:最大密封压力应当至少等同于滞留压力。这里的描述与API 617的描述完全一致。

除此之外,API 692还给出了“额定的静态密封压力”和“额定的动态密封压力”这两个概念。额定的静态密封压力定义为在轴不旋转时,密封组件能够在最高允许温度下连续工作的最高密封压力。而额定的动态密封压力定义为在轴旋转时,密封组件能够在最高允许温度下连续工作的最高密封压力。

API 692第2部分6.9.1.10中规定:干气密封额定的动态和静态密封压力应高于最大密封压力或者离心压缩机壳体的最大允许工作压力。如果密封额定的动态和静态密封压力小于离心压缩机壳体的最大允许工作压力,需要买、卖双方就此问题进行评定并达成一致，并备注:对需要满足压缩机壳体最大允许工作压力的干气密封进行压力评定,可能会导致密封材料和/或设计发生变化,或者极端情况下,会超出密封供应商当前的设计限制。

为了更好理解上述要求,API 692给出了“最大允许工作压力(Maximum Allowable Working Pressure)”的概念，其定义为在指定的最大允许温度下处理规定的气体时,制造商设计的设备(或该术语所指的任何部件)所能承受的最大连续工作压力。除此之外,API 692再未对最大允许工作压力进行过阐述或约定。

由于API 692 6.9.1.10提及“压缩机壳体的最大允许工作压力”,因此需要在API 617寻找对这个概念的定义和阐述。

在API 617中“最大允许工作压力”定义为制造商所设计的设备(或该术语所指的任何部件)所能承受的最大连续工作压力，并备注:通常预期的值可以基于滞留压力、最大吸入压力时在最大速度(跳闸速度)条件下所产生的最大压差,或者可能受安全阀的泄压设定值或其他因素来确定。

另外,API 617第2部分4.6.1.1中明确:壳体的最大允许工作压力至少应当等同于规定的安全阀设定压力。4.6.1.1.1进一步约定:当没有规定安全阀的泄压设定值时,最大允许工作压力至少应当是规定的最大出口压力(表压)的1.25倍。

以上内容对离心压缩机壳体的最大允许工作压力描述已经非常明确。

由于最大允许工作压力是一种设备连续工作的状态,正如此前提及,通常情况下离心压缩机的出口压力不会超过滞留压力。而制冷机组由于存在饱和蒸气压的问题,其最大密封压力有可能超过最大允许工作压力[15]。除此之外,绝大部分离心压缩机的最大允许工作压力肯定高于最大密封压力。

因此,在API 692第2部分6.9.1.10中“干气密封额定的动态和静态密封压力应高于最大密封压力或者压缩机壳体的最大允许工作压力”的要求，很明显与“超过压缩机壳体的最大允许工作压力”的要求和干气密封设备制造厂的设计均是相违背的,因此,API 692将这种有可能出现的风险在备注中给出了解释说明。由此可以看出,API标准的描述是非常严谨的。

关于干气密封的试验步骤。API 692第2部分附录B中给出了不同类型干气密封本体静态试验的详细步骤,以及各步骤的相应要求。这些内容和要求完全可以指导干气密封设备制造厂进行试验。

4.1 干气密封

不同的干气密封设备制造厂会采用不同的试验装置进行干气密封本体静态和动态泄漏试验,这是基于对API标准中的试验要求以及对试验装置的可操作性来考虑的[16]，整体思路和过程与API 692的要求一致。

4.1.1 干气密封泄漏试验装置

以典型的串联式带中间迷宫密封的干气密封为例,描述干气密封设备制造厂的试验装置及方法。干气密封泄漏试验装置见图1。

图1 干气密封泄漏试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of dry gas seal leakage test device

干气密封泄漏试验装置与干气密封配合部分的尺寸和结构模拟了离心压缩机的壳体结构,包括试验腔体与试验样轴。为满足试验装置的试验功能,仍需其他的结构部件满足在干气密封设备制造厂内的试验,如必要的驱动和冷却装置[17]。

首先固定干气密封泄漏试验装置,将试验样轴通过滑动轴承与腔体连接。腔体左侧端部设置试验平衡腔,用来模拟压缩机腔体内部状态[18]。将干气密封本体安装并固定于试验样轴之上,并保证干气密封动环与样轴的相对固定。干气密封本体通过轴向定位卡环与试验腔体轴向定位并固定。

干气密封本体安装完毕后,通过端盖将试验腔体密封。试验样轴由变频电机驱动,模拟压缩机转子的运行状态。

4.1.2 干气密封本体静态泄漏试验步骤

试验样轴维持静止状态,依次对一级密封环(主密封)和二级密封(副密封)进行静态压力试验。每个密封环的试验过程均从0转速、0压力开始,依次按照25%、50%、75%、100%最大密封压力进行升压,并在各压力状态下维持一定时间；
然后依次按照75%、50%、25%最大密封压力进行降压，直至0压力，在此过程中测量并记录各密封环泄漏量的数值。

试验一级密封环(主密封)冷却静止状态泄漏时,A口维持试验充气压力,并维持F口压力不低于A口压力，以防止一级密封环(主密封)试验压力向外部泄漏,然后测量B口泄漏量。

试验二级密封环(副密封)静态泄漏时,C口维持试验充气压力,并维持F口和A口压力不低于C口压力，以防止二级密封环(副密封)试验压力向外部泄漏,将B口封闭,然后测量D口泄漏量。

干气密封本体动态试验的过程和步骤基本与上述类似。由于考虑干气密封本体是安装在离心压缩机主轴上,并随同离心压缩机一同运转,因此还需要考核正常转速、最大连续转速、跳闸转速等不同转速条件下干气密封的泄漏,这里不再详细阐述。

4.2 离心压缩机

由于干气密封本体出厂前,都按照上述过程进行了密封本体的静态泄漏试验。因此在离心压缩机制造厂内进行的整体泄漏试验主要关注的是安装或不安装轴端密封后,压缩机壳体接合面的密封性,其过程相对简单。离心压缩机整机泄漏试验见图2。

图2 离心压缩机整机泄漏试验示意图Fig.2 Schematic diagram of assembled centrifugal compressor gas leakage test

首先对已在离心压缩机壳体内安装完毕的干气密封在静止状态下A口充气,充气压力不低于最大密封压力。然后再向离心压缩机壳体内部充气,直至壳体内部压力达到最大密封压力,可通过F口进行测量。这个过程应始终保证干气密封的充气压力不低于壳体内部压力,以防止壳体内部可能残留的杂质进入密封环内部并残留,导致运行时密封损坏[19]。

待离心压缩机壳体内部压力达到试验要求的最大密封压力并稳定后,维持干气密封充气压力[20]。此时开始持续30 min对离心压缩机整机的密封性能进行检验,同时测量并记录B口的泄漏量,并与干气密封设备制造厂提供的泄漏量进行校核,以判断试验是否合格。

1)API标准在描述关键技术要求时非常严谨。

2)API 692作为专门针对干气密封本体及系统而颁布的标准,其对干气密封的设计、制造以及试验的要求非常明确。

3)如果没有特殊要求,干气密封本体静态泄漏试验可完全参照API 692执行。

4)在干气密封本体技术方案确定前,应明确是否有“出口压力条件下,带干气密封的压缩机整机泄漏试验”验证。此试验可能会导致干气密封本体的设计或材料的变更。

5)对于滞留压力高于离心压缩机出口压力的特殊机组,在干气密封本体技术方案确定前,应就干气密封试验压力的合理性达成一致。

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