汽輪機軸封漏氣解決方案

胡友超(中石化揚子石油化工有限公司，江蘇 南京 210048)

某煉油廠渣油加氫裝置循環氫壓縮機組潤滑油泵的驅動機采用汽輪機，汽輪機軸封漏氣已經成為該類型裝置普遍存在的問題。過去在這樣的機組上，常規采用的均是碳環密封，就是通常意義上的半碳環。而碳環的使用壽命通常有限，易產生軸封漏汽。軸封所泄漏蒸汽，一方面，會產生裝置現場危險區域，對操作工的安全形成威脅，另一方面，泄漏出來的蒸汽遇冷成水，沿軸傳遞至小汽輪機軸承箱，污染潤滑油，易造成軸承損壞。如果泄漏量大，還會造成汽輪機效率下降，從而增大機組穩定運行風險。無論從勞動環境保護，還是基于對汽輪機本身長周期運行的可靠性考慮，必須采用一種可靠地密封方案來解決軸封漏氣問題。

刷式汽封正式基于這種工況下的產物。如下圖1所示，刷式汽封由彈簧、外部殼體、碳環、內部殼體及刷式汽封等部件組成。

圖1 刷式汽封結構圖

主要部件刷式汽封為一束刷毛。而刷毛是一束捆扎在一起，由一列細金屬絲組成，按一定方向均勻排列，具有相同的直徑和長度。刷毛內圈與軸表面接觸，另一端焊接在刷毛束外圈適配的圓環，基礎圈為剖分式，上游環總是處于靠近工作腔的高壓側，下游環始終處于靠近大氣側的低壓側。

刷式汽封的刷絲直徑很小，一般為0.05-0.07 mm，而且刷絲的排列相當致密，通常每厘米范圍內，刷絲中細金屬絲數達2000多根以上，如此致密的排布刷毛，能形成汽流有效的阻隔，從而形成密封。刷毛與刷毛之間的間隙，能夠改變汽流方向和形成不同的流動方式，見圖2刷式汽封原理圖。而刷毛間的間隙是不均勻的，使得汽流進入刷毛后，產生流量上的不均勻，汽流從刷毛間隙小的地方溢流到間隙大的地方。這種不規則偏流容易產生定向流和射流，同時產生任意的二次流和不確定的漩渦流。垂直于刷式汽封流向的汽流，此時會變成相對刷式汽封的橫向流動。因為軸對于刷式汽封的相對轉動，刷毛對汽流也形成了擾動，橫向流動更加徹底，通常2級刷式汽封就能取代以前4級的碳環密封效果。

圖2 刷式汽封原理圖

刷毛在材質的選取上，根據目前各廠家研發結果顯示，優于做刷毛的材料分別為鈷基合金和鎳基合金。通常刷毛選擇鈷基合金時，軸表面涂層則為鉻基合金，是一種優選的材料組合搭配。當刷毛選擇鈷基合金時，如Haynes25，實驗表明刷毛自身的磨損量最小，也不用擔心刷毛自身強度會產生的不良影響，同時對涂層的磨損量也非常小。當剛更換于汽輪機的刷式密封，會遇到我們常會考慮的問題，刷毛的初期磨合時間。浮動式刷式密封的更換也會因輕微的干涉而引起短時間的設備振動。如果振動發生，則讓設備開到可允許的最大轉速來“磨損”毛刷直到振動消失后再將設備開到工作轉速。具體需要的時間很難估計，一般來講會用15分鐘到1個小時。

在實際使用中，我們還可以通過經驗公式，來測算出刷式汽封的泄漏流量系數。

式中:為質量泄漏率(kgs)；為上游汽體總溫(K)；為上游汽體總壓(MPa)；為轉子外徑(mm)。

經過大量的實驗計算數據證明，刷式汽封的泄漏流量系數值通常在0.0035-0.006之間，該數值遠低于碳環汽封的表現。當刷式汽封應用于汽輪機中時，如出現蒸汽在軸端凝結變成水至刷式汽封，那么水則成為刷式汽封良好的潤滑劑，這時刷式汽封的泄漏系數值將是無水狀態下的25。

我們見證了在3英寸軸徑，10bar排氣壓力，3600rpm,及400℃工況下汽輪機，使用刷式汽封或碳環汽封的兩種工況下，蒸汽的泄漏情況。橫坐標顯示，在汽封間隙變換的不同階段，蒸汽的泄漏量顯著變化，而機組長期工作的間隙下，刷式密封與碳環密封的泄漏差值，達到70%之多，見圖3。

圖3 碳環密封與刷式汽封泄漏量對比

圖4 汽輪機軸端密封布置圖

那么像我們目前機組上已經存在的碳環密封，如何改造才能實現泄漏量最小，改造費用最低的目標的實現，是大部分存在機組的重點考慮。基于刷式汽封是一種接觸性密封，和碳環密封相比，安裝條件要求一致，并無其他特殊要求。通過對刷式汽封泄漏流量系數的確認，在目前機組四道碳環汽封的前提下，更換其中兩套碳環汽封為刷式汽封即可達到我們設想的改造目的。如下圖4所示，我們只需將1號及3號碳環密封更換為刷式汽封即可實現設定目標。

通過論證，刷式密封取代碳環密封，是可以實現機組軸端密封的更好辦法，在以后的生產中，我們可以逐漸在這種工況下漸漸使用刷式密封，為機組更好可靠的運行，實現保障。

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[3]茅聲凱，商中福，尹蓮華，等.改善汽輪機通流部分性能的現代化技術[J].汽輪機技術，1999，41(3):129—135.