淺析TK602蒸汽透平碳環汽封泄漏原因

陳莉

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

關鍵詞：蒸汽透平；碳環；密封；泄漏

1 碳環汽封的工作原理

碳環汽封從結構上講屬于往復動密封中的硬填料。其是依靠阻塞和節流作用進行工作的自緊式接觸型密封。為了解決磨損后的補償問題，碳環汽封往往采用分瓣式結構。在分瓣密封環的外圓周上，用拉伸彈簧箍緊，對軸頸表面進一步壓緊貼合，建立密封狀態。

2 TK602蒸汽透平碳環汽封的結構特點及性能

南化公司30萬噸/年合成氨裝置一級氨冷凍壓縮機組是由單缸背壓式汽輪機驅動（備用壓縮機為電機驅動），該蒸汽透平為美國HOWDEN公司提供。其設計參數為：正常功率：1726kW；最大功率：2709kW；進汽溫度：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速：2206rpm；最小轉速：1504rpm；正常轉速：2005rpm；齒輪比：5.26。該蒸汽透平的汽封采用碳環汽封結構，如圖l所示。

該汽封碳環的主要材料為石墨，石墨有自潤滑作用，因此碳石墨環可與軸或軸套直接接觸，兩者只產生微量磨損。碳環汽封一般為多瓣式，借助于彈性元件或氣體的壓力差使汽封環貼附在轉軸或活塞桿上，并產生預緊作用，以獲得自緊密封。但是由于碳環汽封結構復雜，運行中需要定期更換碳環和彈簧，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。碳環汽封的應用參數為溫度：

-120℃

本文通過對TK602蒸汽透平汽封結構特點，分析其泄漏的原因。

十組碳環是裝在汽封座內，為了防止碳環旋轉，在汽封座上裝有防轉銷釘。每個碳環汽封由3個弧段和外圈的箍緊彈簧兩部分組成。十組碳環結構如圖2所示，密封類型屬于標準型三瓣密封環，其特點是工藝性好，所有剖分面均可研磨，密封性能好。根據碳環汽封耐壓性、耐熱性和耐久性都很好，普遍應用于汽輪機、風機、發電機、壓縮機、透平機等設備，廣泛應用于石油、化工、石化、冶金等領域。

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、資料及相關的修理數據情況下，完成了TK602的首次大修。在修理過程中發現：汽封在長期運行中磨損嚴重，徑向間隙超標；彈簧不同程度發生疲勞失效狀況，碳環開口間隙已無法保證。遂將十組碳環全部予以更換，目前運行情況良好。回裝時還需注意碳環需借助假軸將碳環固定，平滑地將汽封安裝在主軸上。

現根據TK602汽封結構，分析碳環汽封存在的幾種泄漏原因。

3.1 碳環磨損加劇，工作間隙超標

在缺乏原始數據的情況下，我們對舊碳環及隨機備件內徑進行了測繪，測繪數據如下：

舊碳環（10組）：最大Φ90.5mm，最小Φ90.2mm。

新碳環（10組）：Φ90.02mm；

由此可見，舊碳環在使用過程中，已明顯磨損，是造成汽封漏汽的原因之一。

3.2 碳環安裝間隙不符合要求

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

3.2.1 碳環材質的確定

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

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、介質有固體顆粒時選用。

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

3.2.2 安裝縫隙的確定

根據查閱相關書籍，確定了以下參數：碳環熱膨脹系數α1=3.0×10-6/℃[1]，

主軸的熱脹系數α2=12.9×10-6/℃，每瓣碳環圓弧長度和對應軸的圓弧長度

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及軸的膨脹量：

每瓣碳環膨脹量：

△L1=Lα1Δt= 0.107mm

對應軸的膨脹量：

△L2= Lα2Δt = 0.46mm

開口間隙：

a2=△L1+△L2=0.57mm

總開口間隙為1.71m

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

3.3 彈簧失效

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

3.3.1 彈簧材質的確定

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。

根據表1，TK602透平工藝參數，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，則汽封環的追隨性差，使得密封件不能追隨接觸面動態跳動。汽封環與軸間的壓力P（N/cm2）。應符合下列關系式：

得到：P=F/r

式中：r-碳環內半徑；F-彈簧在工作長度時的拉力。

而文獻[2]推薦的一般數值為（0.4609～1.314）N/cm2。

4 結束語

根據碳環汽封的工作原理及結構特點，分析TK602蒸汽透平碳環汽封產生泄漏的三種原因，參照該機使用工況從理論上計算出汽封安裝運轉規定的徑向、開口間隙，經試運行后工作狀態良好，解決TK602蒸汽透平碳環汽封修理難題。

碳環汽封作為國外一種新開發的氣體密封技術，其性能及使用壽命皆是其它形式的汽封無法比擬的，通過對碳環汽封應用于汽輪機、離心式壓縮機進行可行性研究與試驗的推廣，提高關鍵機組運轉率。

參考文獻：

[1]顧永泉.機械密封實用技術[M].北京：機械工業出版社， 2001.

[2]顧永泉，流體動密封[M].東營：石油大學出版杜，1990.