刘 煜

（中国石油化工股份有限公司茂名分公司，广东 茂名 ５２５０００）

［摘 要］：某高压装置的超高压往复压缩机多次出现填料径向泄漏问题，这不仅影响了装置的正常运行，还可能导致安全事故的发生。针对填料径向泄漏问题进行了深入研究，旨在通过全面剖析填料径向泄漏问题的各个方面，通过分析填料机械性能、疲劳机理、填料残余应力、填料盘原始设计角度、工艺操作、设备检查维修以及润滑油选取等多个方面的因数，找出了导致泄漏问题的主要原因。在此基础上，提出了一系列改进措施与建议，通过综合运用理论分析、现场调研、实验验证等方法，将形成一套系统的、科学的分析框架，为解决类似问题提供理论支撑和实践指导。包括填料盘引入压应力层与镀银工艺、填料盘设计及制造质量管控、规范操作维护管理、加强维修质量管控等。

［关键词］：超高压往复压缩机；填料径向泄漏；微动磨损；改进措施

中图分类号：ＴＨ４５７ 文献标志码：Ｂ

文章编号：１００６－２９７１（２０２５）０４－００４７－０６

１ 引言

某超高压往复式压缩机，自 １９９６年投用以来，已稳定运行 ２８年。该压缩机采用两级压缩设计，工作压力高达 ２２０～２５０ＭＰａ，设计压力更是达到了２６９ＭＰａ，配备了 ８个气缸 （４个一段缸和 ４个二段缸），以实现对乙烯气体的高效压缩。

１.１ 超高压往复机填料密封原理

填料密封装置是工业设备中常用的一种密封形式，广泛应用于泵、压缩机等旋转或往复运动的轴端密封。其工作原理主要基于填料材料在轴向压力作用下的弹塑性变形，以及填料与轴表面之间的摩擦力和润滑作用，从而达到阻止介质泄漏的目的。

具体来说，填料密封装置通常由填料盘、填料环、填料压盖等部件组成。填料环通常由纤维状、编织状或成型状的密封材料制成，如石棉、石墨、聚四氟乙烯等。但是本次讨论的超高压压缩机气缸与填料盘之间的密封采用金属与金属直接接触密封方式，填料材质为铜合金，密封面为平面，表面采用研磨处理，确保密封可靠，以保障压缩机的稳定运行。柱塞的动密封填料采用铜合金制成的密封环三六瓣环填料环密封，三六瓣填料环安装在填料盘中。

本压缩机的填料盘共有 ９个，由外向内依次是０～８号盘，其中 １～６号盘内装填料环，起主要密封作业；７号盘内装支撑环；８号盘内装导向环。

因柱塞与填料环之间的往复运动而设计有润滑油孔，注入润滑油进行润滑；为带走填料环和柱塞摩擦热量，设置冷却系统进行冷却，以控制摩擦热和温度上升。填料盘和气缸是由 ６根大螺栓连接起来，螺栓紧固力不仅作为填料盘和气缸密封面的密封压力，同时也起到刚性支撑的作用。

１.２ 超高压往复压缩机填料径向泄漏情况介绍

该机组于 １９９６年投用，至 ２０２４年已经运行了２８年。在运行过程中，该机填料盘表面经常出现磨损泄漏等问题，有时甚至产生裂纹，不仅造成填料盘等压缩机部件的报废，而且对压缩机安全运行造成威胁。填料盘磨损产生区域位于填料盘的内侧，磨损区域表面金属磨损剥落后呈小凹坑，但凹坑较浅，磨损表面有少量细小微粒。取 ２０２４年 ４月发生开裂的填料盘为例，填料发生径向乙烯泄漏，当时运行压力高达 ２２７ＭＰａ，为确保安全，装置紧急停车处理。经检修解体 ９个填料盘的过程中，发现１号盘和 ２号盘间密封面存在裂纹，导致乙烯泄漏至冷冲油中。填料盘磨损的区域产生在填料盘内侧靠近内径处 ５７ｍｍ，而填料盘密封面的其它区域则完好，无磨损痕迹。裂纹位于填料盘端面上，且裂纹已贯穿填料盘整个厚度，其形貌与本机历年来磨损开裂的填料盘相似。

２ 超高压往复机填料径向泄漏原因分析

针对此故障，对可能原因进行了逐一排查：分析填料机械性能、疲劳机理、填料残余应力、工艺操作、设备检查维修、润滑油选用以及维护水平等多个方面因素。

２.１ 填料盘机械性能分析探究

２.１.１ 宏观观察

通过对 １＃填料盘的宏观观察，可以得出以下关键信 息。首 先，填 料 盘 的 正 面 （内 侧） 和 背 面（外侧）均存在明显的磨蚀坑，这表明填料盘在使用过程中经历了严重的磨损。背面蚀坑中出现了互为平行的磨损痕，表示填料盘与相邻填料盘或缸套之间存在相对滑动，加剧了磨损。裂纹位于磨蚀部位的边缘，并向两侧扩展，长度达到了约 １８０ｍｍ，已轴向贯穿整个壁厚。这表明裂纹是在长期磨损和应力作用下逐渐形成的。将裂纹刨开观察到断口的宏观形貌，见裂纹启裂于背面的磨蚀坑，可观察到裂纹原为原点的放射纹；断口平整，可观察到疲劳辉纹和辗压痕。因此，从宏观形貌上初步推测该填料盘裂纹为启裂于背面磨蚀坑的疲劳裂纹。

２.１.２ 化学成分分析

对来样填料盘进行化学成分分析后，得到了详细的元素含量数据，如表 １所示。

分析结果显示，该填料盘的化学成分完全符合ＥＮ１００８３－３标准中 ３０ＣｒＮｉＭｏ８（１.６５８０高强钢）的成分要求。综上所述，该填料盘的化学成分符合标准要求，为其良好的机械性能和耐腐蚀性提供了基础。

２.１.３ 机械性能和硬度检测分析

对来样填料盘进行了详细的机械性能和硬度检测分析。常温力学性能测试结果显示，该填料盘的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和冲击功均达到了 ＥＮ１００８３－３标准中 ３０ＣｒＮｉＭｏ８（１.６５８０高强钢）的要求。具体来说，屈服强度在 ９１８～９６０ＭＰａ之间，抗拉强度在 １０２７～１０５８ＭＰａ之间，断后伸长率不低于 １８.０％，冲击功平均值达到 ９８Ｊ，远高于标准规定的 ４５Ｊ。这些数据表明，该填料盘在常温下的力学性能良好，具备足够的强度和韧性。

然而，硬度测试结果显示，该填料盘材料的硬度低于 ＥＮ１００８３－３标准中 ３０ＣｒＮｉＭｏ８的要求值低限，尤其是近表面处硬度约低 １３０ＨＢ。但对比开裂填料盘与未开裂填料盘的硬度测量值，发现两者硬度值相当，因此无法推测硬度低于标准值是否是导致填料盘开裂的主要原因。这些数据表明，无论是否开裂，填料盘的硬度均处于相似水平。

２.１.４ 金相分析

对来样填料盘的金相组织进行了深入分析。填料盘材料的金相组织呈现出具有马氏体位向的回火索氏体组织特征，这种组织是 ２Ｃｒ１３材料经过淬火加回火处理后的典型结构，表明该填料盘材料在热处理工艺上达到了预期效果。

进一步观察裂纹的金相形貌，发现裂纹呈现出穿晶扩展的特征，这通常意味着裂纹在扩展过程中遇到了较大的阻力，导致裂纹沿着晶界或穿过晶粒内部进行。此外，裂纹尖端还发现了腐蚀产物，主要包括硫化物、氧化物和碳化物，这些腐蚀产物的存在可能加剧了裂纹的扩展速度，对材料的性能产生了不利影响。

可以推断出填料盘材料的热处理工艺是合理的，但裂纹的存在及其扩展特征表明，在材料的使用过程中可能受到了复杂的应力状态和腐蚀环境的共同作用，导致了裂纹的形成和扩展。因此，需重点关注材料的应力和腐蚀对裂纹产生的影响。

填料盘机械性能分析探究可知该裂纹属于疲劳裂纹，填料盘机械性能可知硬度低于标准值并受到了复杂的应力状态和腐蚀环境的共同作用。

２.２ 填料盘疲劳裂纹产生机理探究

疲劳裂纹产生原理是随着压缩机反复吸气和排气，填料盘与相邻填料盘或缸套端面之间存在相对滑动，端面 （密封面）金属发生了微动磨损和微动疲劳，从而导致接触表面产生颗粒剥落、磨损和皱褶等缺陷；其次是在这些缺陷处首先萌生疲劳裂纹，成为裂纹原，并在压缩机交变载荷的作用下不断向轴向和两侧扩展，最终穿透填料盘壁厚，成为贯穿裂纹。

根据填料密封的工作原理，在压缩机正常工作中，相邻两块填料盘之间由于承受不同的径向压力（图 １），填料盘在内压作用下，相邻两个填料盘由于受到压力不同因而产生的应变不同。当压缩机吸气时，靠近气缸的左填料盘受到的压力大于右填料盘受到的压力，左填料盘的变形大于右填料盘的变形，产生的变形如图 ２中实线所示。当压缩机排气时，气缸压力升高，填料盘的受到内压也加大，相邻两填料盘产生的变形进 －步加大，但由于内压升幅不同，两填料盘的变形仍然是不同的，左填料盘的位移福度大于右填料盘的位移福度，两填料盘的变形如图 ２中虚线所示。因而填料盘之间产生了相对滑动，由于往复压缩机是不断地进行吸气和排气的，气缸内的压力是周期性升降的，所以相邻两填料盘表面在压缩机工作时不断在进行着滑动和摩擦。随着压缩机气缸反复运动，填料盘接触表面会产生磨损损伤和皱褶等缺陷，上诉情况被称为微动磨损。磨损损伤程度与压紧力、材料硬度等参数相关，压紧力越大、材料硬度不足，损伤的程度越大。因此结合分析数据，填料压紧力是影响填料盘表面磨蚀和疲劳裂纹原因之一，可能加快了填料盘密封面磨损损伤的速度。

通过对该填料盘的疲劳裂纹产生机理进行探究，论证该裂纹机理属于微动磨损的范畴，推断出填料压紧力影响填料盘表面疲劳裂纹原因之一。

２.３ 填料盘残余应力检测

对填料盘的残余应力进行探究，根据残余应力检测报告显示，填料杯内侧的表层压应力远低于标准值 －２６０～－３５０ＭＰａ，最低仅达到 －１１３ＭＰａ。

特别是 １＃、２＃、３＃盘，由于油孔较多，残余拉应力在油孔边缘附近集中，这在高压运行环境中极易导致填料盘表面开裂，从历史检修记录来看，１＃、２＃、３＃盘频繁开裂，与油孔数量多、残余拉应力易聚集有关。在残余压应力不足的情况下，填料盘机械性能极其容易失效，导致表面开裂并逐渐加深，最终引发径向泄漏和装置停车。每次开裂位置均在油孔下方与填料盘之间的区域，进一步证实了残余拉应力集中对填料盘开裂的影响。

通过对填料盘残余应力的检测，证实了残余拉应力集中对填料盘开裂的影响。

２.４ 填料盘原始设计及制造角度分析

通过与该压缩机原始设计厂家多次探究该机使用二十多年来反复出现的填料盘开裂问题，至 １９９６年以来填料盘开裂导致停车已有统计的就有 ２０次以上，在 ２０１６年、２０１７年、２０２０年和 ２０２３年也曾出现过类似填料盘开裂问题。初步推断原因之一是原始设计原因，填料盘设计厚度过薄，厚度仅为４１ｍｍ，对比压力等级相同品牌不同的同类布克哈德压缩机填料盘厚度则达到５６ｍｍ，新比隆填料盘厚度仅为布克哈德压缩机填料盘厚度的 ７３％。并且填料盘的制造质量不稳定，存在硬度不足、局部缺陷和平行度不足等结构偏差，以及冶金技术导致的微观气孔和润滑油开孔产生的应力等质量不稳定的原因，导致在微动磨损的条件下产生裂纹。

２.５ 填料盘开裂的其他影响因素分析

分析其他影响填料盘开裂的故障原因，分为工艺操作原因、填料安装、柱塞磨损、内部油和冷冲油是否充足以及润滑油选取等，逐一排查分析。

２.５.１ 工艺操作问题

超高压往复式压缩机的工艺运行状态对填料的使用寿命影响较大，吸气和排气和排气压力的波动会造成填料环加速磨损以及填料盘的开裂。工艺操作不当是一个不可忽视的原因。在实际生产过程中，操作人员的技能水平、维护意识以及工艺操作流程的规范性都会直接影响到填料密封的运行效果。操作人员的技能水平不足可能导致操作不当。

如在启动和停机过程、牌号切换或升压降压过程中未能按照规定的程序进行操作，或者对设备的运行状态缺乏足够的了解和判断，都可能导致填料密封系统受到损坏或泄漏问题的发生。

探究本次故障，压缩机的排气工作压力 ２２７ＭＰａ，工作温度 ８８℃，查询 ＤＣＳ，事发故障前未进行任何生产调整，介质温度、压力、流量稳定。可排除工艺操作问题对本次故障的影响。

２.５.２ 填料安装问题

填料安装维修流程的规范性也是影响填料运行效果的重要因素。如维护流程不规范或执行不到位，可能会导致填料在维修过程中受到损坏或未能得到充分的修复。如在更换填料时未能按照规定的步骤进行操作，或者对填料螺栓紧固力的调整不准确等。

填料盘和气缸通过 ６根缸头填料紧固螺栓连接起来，螺栓紧固力提供每个填料盘之间的密封压力和气缸密封面的密封压力。因此结合结构分析，填料紧固力是影响填料盘表面微动磨损的关键，根据微动磨损的原理，填料紧固力过大可以加快了填料盘密封面磨损损伤的速度；填料紧固力过小，会造成每个盘的密封面预紧力不足，产生松动导致密封面磨损损伤。

探究本次故障，检修单位组装备用缸头严格按照新比隆原厂说明书的要求，使用配套拉伸器对缸头填料紧固螺栓及阀门紧固螺栓进行安装，安装缸头填料紧固螺栓对应拉伸器油泵油压 １０００ｂａｒ；安装阀门紧固螺栓对应拉伸器油泵油压 １１００ｂａｒ。可以保证填料各盘压紧所需要的预紧力不会过大或者过小，可排除填料安装问题对本次故障的影响。

２.５.３ 柱塞磨损问题

超高压往复机的柱塞是压缩气体的主要工作原件，在十字头带动下做往复运动时，工作腔容积做周期性变化，实现气体的吸入、压缩和排出。柱塞采用耐磨高强度材质实心碳化钨制成，安装要求较高。若柱塞在运行过程中磨损严重，表面毛刺过多会造成填料环及填料盘的损坏。

解体检查探究本次故障，确认故障填料的柱塞无毛刺、无裂纹和缺陷，可以继续使用，因此对本次故障的影响。

２.５.４ 填料内部油和冷冲油不足

因柱塞与填料环之间的往复运动摩擦并产生热量，设计有润滑油孔，润滑油注进行润滑，并进入系统中与乙烯混合，该部分油被称为内部油；为带走填料环和柱塞摩擦产生的热量，设置循环冷却系统进行冷却，以控制摩擦热和温度上升，该部分油经过换热器带走热量，被称为冷冲油。

维护意识的淡薄也可能导致填料油系统的维护不及时或不到位。如对内部油的加注和冷冲油的管理缺乏足够的重视，都会降低填料密封系统的性能和可靠性。填料的内部油和冷冲油不足或中断，会加速填料环和填料盘的损坏。内部油不足会表现在与柱塞持续摩擦的填料环发黑，甚至断裂破损，本次解体发现开裂的填料盘对应的填料环无明显发黑和破损，故本次可以排除该原因。冷冲油不足表现在冷冲油压力下降和回油视镜无有，且填料盘外腔明显发黑，本次解体与实际现场检查无此类情况，故本次可以排除该原因。

２.５.５ 填料润滑油选用不当

如果选用的内部油不当，会导致填料之间的摩擦增大，加速填料的磨损和老化。冷冲油选用不当，会导致热量无法带出，并且与密封的填料盘接触，容易造成腐蚀。举例茂名石化的 ２＃高压装置同类压缩机，曾出现因选用冷冲油不当导致，导致腐蚀从而填料盘开裂的情况。通过进行腐蚀试验，证实当时使用的国产冷冲油中存在结垢倾向性较强的添加剂类物质，在填料定位螺栓孔外端螺牙牙顶双尖槽底位置和牙底槽转角位置产生缝隙腐蚀或垢下腐蚀，腐蚀形成的蚀坑成为疲劳开裂的裂纹源，并在交变载荷的作用下疲劳扩展，直至断裂，从而推断冷冲油腐蚀是填料盘断裂的主要因素。但本故障排查无腐蚀情况及问题，可排除填料润滑油选用不当对本次故障的影响。

３ 改进措施与建议

针对该超高压往复机填料径向泄漏问题，提出以下改进措施与建议，旨在从源头上解决泄漏问题，提高设备的运行效率和安全性。

３.１ 填料盘引入压应力层与镀银工艺

引入压应力层工作原理：通过对工件表面形成冲压，行成压应力层，去除工件表层因为机械加工遗留的原有拉应力，形成均匀的压应力层，层深在０.４～０.６ｍｍ压应力值可提高至 －４００～－５８０ＭＰａ范围。

通过 Ｐｒｏｔｏ－ＬＸＲＤ型 Ｘ射线应力分析仪，对填料盘引入压应力层前、后数据对比，得出引入压应力层后工件表面强化残余压应力显示提升，平均提

升值：２１０％ ～２２０％。

填料盘密封面通过镀银处理，可形成 ０.０１～０.０２ｍｍ的银层，可以有效防护密封面产生锈蚀及氧化层。银层硬度为 ５０ＨＶ，远远低于填料盘密封面本身硬度，形成 “软密封层”。当单号盘、双号盘两侧密封面接触时，单号盘软密封层与双号盘硬密封面通过预紧力紧压形成微观几何形变，可以极大程度提高两个接触面的贴合度，同时避免了 ２个钢性硬密封面直接接触进而产生微动磨损的状况发生。

针对这一问题，如采用斜面、倒角处理来释放残余应力，以及 ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ提出的压应力层引入工序和镀银技术，以提高填料盘机械性能、降低密封面微动磨损。采购新填料盘及其他部件时，将采用这两项技术，以提高填料盘区域残余压应力，降低甚至避免填料盘开裂现象，延长填料运行时间。

３.２ 填料盘设计及制造质量管控

与该压缩机原始设计厂家新比隆沟通从设计角度进行攻关，通过减少填料盘数量的方式，来增加填料盘厚度，具体方案是减少一个 １～６号盘，改为 ５个盘内装填料环，按设计来计算密封效果可行，每个填料盘的厚度则由 ４１ｍｍ，增加到 ４９ｍｍ，增大 ２０％，大大提高填料盘使用的稳定性，防止其开裂。

此外，针对厂家制造的填料盘的制造质量不稳定问题，要求严把质量关，优化填料盘热处理工艺或表面处理工艺，提高填料盘端面 （密封面）硬度。通过保证 ＥＮ１００８３－３标准中 ３０ＣｒＮｉＭｏ８的硬度要求、杜绝局部缺陷和平行度不足等结构偏差问题、把控冶金技术导致的微观气孔和润滑油开孔产

生的应力等质量不稳定问题，结局导致微动磨损产生裂纹的原因。

３.３ 规范操作维护管理

超高压往复式压缩机的操作人员的技能水平、维护意识以及工艺操作流程的规范性都会直接影响到填料密封的运行效果。建立定期的培训与考核机制，确保操作人员始终具备相应的专业技能和知识、对设备的操作规程与流程进行细化与优化，确保操作步骤清晰、明确，避免操作失误导致的设备损坏或泄漏问题；建立操作规程的反馈机制，及时收集操作人员的意见与建议，不断优化操作规程与流程、压缩机开停过程、牌号切换或升压降压过程按照规定的程序和方案进行操作，建立操作人员之间的沟通渠道与协作机制，操作人员提高维护意识，会维护保养，会排查故障，对设备的运行有足够的了解和判断，鼓励操作人员积极参与设备的改进与优化工作，共同提高设备的运行效率和安全性。通过上诉管理手段，避免任何工艺操作和生产调整导致的填料损坏。

３.４ 加强维修质量管控

微动磨损原理推断出填料压紧力影响填料盘表面疲劳裂纹原因之一，要求施工单位严格按照说明书要求进行维护维修，安装缸头填料紧固螺栓对应拉伸器油泵油压 １０００ｂａｒ；安装阀门紧固螺栓对应拉伸器油泵油压 １１００ｂａｒ。并严格控制每根气缸螺栓的上紧力矩 －致，防止拉力不均。

制定气缸维修质量控制表，根据每个质量控制点制定质量标准，设备专业管理人员检查确认签名，专业管理人员皆掌握专业知识，共同把关，对每步施工过程进行验收，加强维护维修质量管理。

４ 结论

本文针对超高压往复压缩机多次出现填料径向泄漏问题，从微观和宏观分析进行深入研究得出以下结论：

（１）通过全面剖析填料径向泄漏问题，填料盘机械性能分析探究可知，导致填料径向泄漏的裂纹属于疲劳裂纹。

（２）通过对该填料盘的疲劳裂纹产生机理进行探究，论证该裂纹机理属于微动磨损。

（３）残余拉应力集中和填料盘设计及制造质量问题是导致疲劳裂纹的主要原因。分析其他影响填料盘开裂的故障原因，分为工艺操作原因、填料安装、柱塞磨损、内部油和冷冲油是否充足以及润滑油选取等。

（４）在此基础上，提出了一系列改进措施与建议，包括填料盘引入压应力层与镀银工艺、填料盘设计及制造质量管控、规范操作维护管理、加强维修质量管控等。

这些措施的实施有望从根本上解决超高压往复压缩机填料径向泄漏问题，提高设备的安全性和稳定性，也为其他石油化工企业提供了有益的借鉴和参考。