淺析TK602蒸汽透平碳環(huán)汽封泄漏原因

陳莉

摘 要：本文介紹了碳環(huán)汽封的工作原理和特點，分析了其泄漏的原因，并針對引進(jìn)的一臺蒸汽透平的碳環(huán)汽封對碳環(huán)間隙及彈簧力進(jìn)行計算，從而確定了該汽封的材質(zhì)及安裝數(shù)據(jù)，為修理工作提供了相應(yīng)的理論數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：蒸汽透平；碳環(huán)；密封；泄漏

1 碳環(huán)汽封的工作原理

碳環(huán)汽封從結(jié)構(gòu)上講屬于往復(fù)動密封中的硬填料。其是依靠阻塞和節(jié)流作用進(jìn)行工作的自緊式接觸型密封。為了解決磨損后的補償問題，碳環(huán)汽封往往采用分瓣式結(jié)構(gòu)。在分瓣密封環(huán)的外圓周上，用拉伸彈簧箍緊，對軸頸表面進(jìn)一步壓緊貼合，建立密封狀態(tài)。

2 TK602蒸汽透平碳環(huán)汽封的結(jié)構(gòu)特點及性能

南化公司30萬噸/年合成氨裝置一級氨冷凍壓縮機(jī)組是由單缸背壓式汽輪機(jī)驅(qū)動（備用壓縮機(jī)為電機(jī)驅(qū)動），該蒸汽透平為美國HOWDEN公司提供。其設(shè)計參數(shù)為：正常功率：1726kW；最大功率：2709kW；進(jìn)汽溫度：405℃；排汽溫度：296℃；正常運行蒸汽壓力：38.25bar；減速箱輸出端最大轉(zhuǎn)速：2206rpm；最小轉(zhuǎn)速：1504rpm；正常轉(zhuǎn)速：2005rpm；齒輪比：5.26。該蒸汽透平的汽封采用碳環(huán)汽封結(jié)構(gòu)，如圖l所示。

該汽封碳環(huán)的主要材料為石墨，石墨有自潤滑作用，因此碳石墨環(huán)可與軸或軸套直接接觸，兩者只產(chǎn)生微量磨損。碳環(huán)汽封一般為多瓣式，借助于彈性元件或氣體的壓力差使汽封環(huán)貼附在轉(zhuǎn)軸或活塞桿上，并產(chǎn)生預(yù)緊作用，以獲得自緊密封。但是由于碳環(huán)汽封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行中需要定期更換碳環(huán)和彈簧，故一般只用于兩端壓差較小（10MPa以下）以及軸的圓周速度不大的條件下。碳環(huán)汽封的應(yīng)用參數(shù)為溫度：

-120℃

本文通過對TK602蒸汽透平汽封結(jié)構(gòu)特點，分析其泄漏的原因。

十組碳環(huán)是裝在汽封座內(nèi)，為了防止碳環(huán)旋轉(zhuǎn)，在汽封座上裝有防轉(zhuǎn)銷釘。每個碳環(huán)汽封由3個弧段和外圈的箍緊彈簧兩部分組成。十組碳環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，密封類型屬于標(biāo)準(zhǔn)型三瓣密封環(huán)，其特點是工藝性好，所有剖分面均可研磨，密封性能好。根據(jù)碳環(huán)汽封耐壓性、耐熱性和耐久性都很好，普遍應(yīng)用于汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、透平機(jī)等設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、石化、冶金等領(lǐng)域。

3 汽封泄漏原因分析

TK602修前存在的主要缺陷一是減速箱與透平接觸面漏油；二是透平汽封漏汽。在缺乏圖紙、資料及相關(guān)的修理數(shù)據(jù)情況下，完成了TK602的首次大修。在修理過程中發(fā)現(xiàn)：汽封在長期運行中磨損嚴(yán)重，徑向間隙超標(biāo)；彈簧不同程度發(fā)生疲勞失效狀況，碳環(huán)開口間隙已無法保證。遂將十組碳環(huán)全部予以更換，目前運行情況良好?；匮b時還需注意碳環(huán)需借助假軸將碳環(huán)固定，平滑地將汽封安裝在主軸上。

現(xiàn)根據(jù)TK602汽封結(jié)構(gòu)，分析碳環(huán)汽封存在的幾種泄漏原因。

3.1 碳環(huán)磨損加劇，工作間隙超標(biāo)

在缺乏原始數(shù)據(jù)的情況下，我們對舊碳環(huán)及隨機(jī)備件內(nèi)徑進(jìn)行了測繪，測繪數(shù)據(jù)如下：

舊碳環(huán)（10組）：最大Φ90.5mm，最小Φ90.2mm。

新碳環(huán)（10組）：Φ90.02mm；

由此可見，舊碳環(huán)在使用過程中，已明顯磨損，是造成汽封漏汽的原因之一。

3.2 碳環(huán)安裝間隙不符合要求

為了使碳環(huán)汽封達(dá)到最佳密封效果，在安裝時需確定汽封環(huán)與汽封座間的徑向間隙及三瓣環(huán)間的開口間隙大小。若安裝時徑向間隙及開口間隙過大，無法發(fā)揮汽封的阻流及節(jié)流作用，造成汽封環(huán)泄漏。徑向間隙或開口間隙過小，由于碳環(huán)及軸膨脹，造成汽封環(huán)與軸抱死，極易造成汽封環(huán)燒毀。因此需通過計算，得出兩種間隙的最佳數(shù)值，在實際修理時通過測量加以調(diào)整或更換。

3.2.1 碳環(huán)材質(zhì)的確定

想要計算出徑向間隙及開口間隙大小，首先需確定汽封環(huán)所屬材質(zhì)。從外表觀察，汽封環(huán)屬碳石墨的一種。

各種等級碳石墨可用于廣泛的抗磨力磨損場合，但它同樣也有硬有軟，根據(jù)肖氏硬度的大小，將它大致分為軟、中硬和硬的各種等級碳石墨：

軟石墨（HS=50～70）配合面材料較軟時選用；

中硬石墨（Hs=70～90）配合面材料較硬時選用；

硬碳石墨（Hs>90）配合面材料很硬、介質(zhì)有固體顆粒時選用。

根據(jù)蒸汽透平的工藝參數(shù)并查閱有關(guān)資料，最后選定的碳環(huán)材質(zhì)選擇軟石墨中牌號為M272的純碳類石墨。其性能參數(shù)為抗壓強(qiáng)度95MPa，肖氏硬度60HS，熱膨脹系數(shù)3.0×10-6/℃，使用溫度不高于450℃。

3.2.2 安裝縫隙的確定

根據(jù)查閱相關(guān)書籍，確定了以下參數(shù)：碳環(huán)熱膨脹系數(shù)α1=3.0×10-6/℃[1]，

主軸的熱脹系數(shù)α2=12.9×10-6/℃，每瓣碳環(huán)圓弧長度和對應(yīng)軸的圓弧長度

L= =94.2mm（D=90mm），工作與安裝溫度差Δt=380℃，R1=45mm，R2=61mm。

①徑向間隙a1的確定

碳環(huán)與汽封座間的徑向間隙：

a1=（α2-α1）ΔtR1+α1ΔtR2

=（12.9×10-6-3.0×10-6）×380×45+3.0×10-6×380×61=0.237mm

②開口間隙a2的確定

開口間隙a2的確定需計算出碳環(huán)及軸的膨脹量：

每瓣碳環(huán)膨脹量：

△L1=Lα1Δt= 0.107mm

對應(yīng)軸的膨脹量：

△L2= Lα2Δt = 0.46mm

開口間隙：

a2=△L1+△L2=0.57mm

總開口間隙為1.71m

若安裝時碳環(huán)間隙超過上述間隙規(guī)定值，也會造成汽封漏汽。同樣，用于箍緊三瓣碳環(huán)的外圈彈簧發(fā)生失效，也會直接影響到三瓣環(huán)間的開口間隙。

3.3 彈簧失效

拉伸彈簧的作用一是保證碳環(huán)與軸有一定的預(yù)緊作用，二是補償碳環(huán)內(nèi)圈表面的磨損。彈簧疲勞失效，影響到汽封環(huán)的開口間隙及徑向間隙，同樣也會造成汽封環(huán)漏氣。

3.3.1 彈簧材質(zhì)的確定

為了使彈簧能夠可靠地工作，彈簧材料必須具有較高彈性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性能。幾種常用彈簧材料性能見表1。

根據(jù)表1，TK602透平工藝參數(shù)，其所用箍緊拉伸彈簧可選用4Cr13。

3.3.2 彈簧力的確定

彈簧力應(yīng)有一定的要求，若太大。則增加二者間的磨損，影響其壽命；若太小，則汽封環(huán)的追隨性差，使得密封件不能追隨接觸面動態(tài)跳動。汽封環(huán)與軸間的壓力P（N/cm2）。應(yīng)符合下列關(guān)系式：

得到：P=F/r

式中：r-碳環(huán)內(nèi)半徑；F-彈簧在工作長度時的拉力。

而文獻(xiàn)[2]推薦的一般數(shù)值為（0.4609～1.314）N/cm2。

4 結(jié)束語

根據(jù)碳環(huán)汽封的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，分析TK602蒸汽透平碳環(huán)汽封產(chǎn)生泄漏的三種原因，參照該機(jī)使用工況從理論上計算出汽封安裝運轉(zhuǎn)規(guī)定的徑向、開口間隙，經(jīng)試運行后工作狀態(tài)良好，解決TK602蒸汽透平碳環(huán)汽封修理難題。

碳環(huán)汽封作為國外一種新開發(fā)的氣體密封技術(shù)，其性能及使用壽命皆是其它形式的汽封無法比擬的，通過對碳環(huán)汽封應(yīng)用于汽輪機(jī)、離心式壓縮機(jī)進(jìn)行可行性研究與試驗的推廣，提高關(guān)鍵機(jī)組運轉(zhuǎn)率。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧永泉.機(jī)械密封實用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2001.

[2]顧永泉，流體動密封[M].東營：石油大學(xué)出版杜，1990.