湘钢2#高炉TRT轴端密封失效问题的研究与实践

谢宏星，谭援强

（1.湘潭大学机械工程学院;2.湖南华菱集团湘潭钢铁有限公司动力厂，湖南湘潭 411101）

湘钢2#高炉TRT轴端密封失效问题的研究与实践

谢宏星1.2，谭援强1

（1.湘潭大学机械工程学院;2.湖南华菱集团湘潭钢铁有限公司动力厂，湖南湘潭 411101）

以湘钢2#TRT轴端密封功能失效的问题展开研究。运用目前国际上通行的透平机械内部流场研究的数值模拟办法，建立三维迷宫密封与蜂窝密封结构并划分网格，使用商业CFD计算软件FLUENT对迷宫密封和蜂窝密封的内部流场进行数值模拟，深入分析工作介质在蜂窝密封中的流动本质。通过数值模拟并结合改造工程实践，从理论和实践两方面验证了TRT轴端密封结构改造后的良好效果。

透平机械；密封；能量耗散;密封失效

1 湘钢原2#TRT轴端密封效果

湘钢2#高炉TRT是2010年投入运行的干式除尘TRT机组，机组型号为MPG19.2-295.6/180，它的设计参数如下：

(1)高炉容积：2580 m3。

(2)高炉炉顶煤气发生量：最大值为530000 m3/ h，正常情况下为：435000 m3/h。

(3)TRT入口煤气压力：设计点295.6 kPa。

(4)TRT入口煤气温度：180°C。

(5)TRT入口煤气含尘量：小于10 mg/m3。

(6)TRT出口煤气压力：11 kPa。

(7)TRT入口煤气体积成分（%）：CO为24%～26%、CO2为15%～21%、N2为56%～59%、H2为1%～2%、O2为0.8%。

(8)TRT密封N2压力为：0.4～0.5 MPa。

该TRT轴端密封形式是拉别令密封+碳环密封+氮气密封组合式密封。

该台TRT投产不到半年，轴端密封就开始失效，密封N2用量增加，CO含量检测值大大超过24 ppm。现在密封N2用量达600 m3/h以上（设计值为80 m3/h），CO含量达60 ppm。现场已设置了警戒线，同时TRT两轴端加装了抽风机将泄漏的煤气抽出排到厂房外，即使如此，TRT现场轴端原CO检测点CO含量仍高达50～60 ppm，严重超出国家工业企业安全生产管理规定（国家规定值是小于24 ppm）。TRT生产现场为保证安全，在TRT两轴端临时设置了抽风机，又设置了吹风机。

密封N2也是能源介质，按0.28元/m3计算，一年多消耗N2达（600-80）×0.28×24×365=1275456元，约120多万元。

2 TRT密封失效原因分析

湘钢2#高炉TRT轴端密封形式见图1，其采用的方式是：内部为迷宫气封（J形齿密封及梳齿密封的一种），外部为碳环密封。即采用拉别令密封+碳环密封+N2封堵技术。拉别令密封是labyrinth seal音译，就是通称的迷宫密封或梳齿密封。

图1 湘钢2#高炉TRT轴端密封型式示意图

2.1 拉别令密封

拉别令密封，是最原始的靠节流膨胀方式的密封结构，虽然它具有许多优点，但也有着不可克服的缺点：

（1)密封性差

由于当量齿数少，使得节流与膨胀次数少，产生严重的泄漏。

（2）齿易磨损密封失效

当机组处于过临界转速或产生非正常振动时，由于振幅过大，使得密封齿容易碰撞。如图2、图3所示。另外，转子上镶齿、更换齿较繁琐，而且更换后必须重新做动平衡，此过程严重影响了TRT作业率，一台TRT一天纯利润15万元以上，经济效益是相当可观的。

（3）易引起气流激振

拉别令密封存在环形腔室于“J”形齿间，腔室内会产生旋转气流；转子椭圆形运行轨迹各处受到的旋转气流的切向力差别较大，从而引起气流的激振以及机组的振动。

图2 磨损的拉别令密封齿

图3 磨损的拉别令密封齿

2.2 碳环密封

原碳环密封的安装要求较为严格，容易发生拉簧卡在碳环槽内或碳环碎裂的状况，从而导致机组的振动以及密封的失效。如图4、图5所示为揭缸后发现碎裂的碳环。

图4 原使用后碳环密封图

图5 碎裂的碳环

由于碳环后面具有拉簧，碳环与转子始终保持零接触，对转子会产生作用力。在此力的作用下，使得转子容易产生涡动，对机组的起动及安全运行有潜在的威胁。另一方面TRT运行中，碳环密封始终与转子轴套摩擦，运行一年后，大多转子轴套有很深沟痕，轴套外表面虽作耐磨处理也不顶事。若不更换轴套就影响密封效果，若更换轴套，检修工期长，更换且不方便，排气端转子轴套更换时要拔对轮、拔盘车齿轮；更换了转子轴套后还要做动平衡。这个检修过程加上路途运输，至少20天，发电效益直接损失高达400多万元。

2.3 N2密封组合轴封技术

密封N2系统，位于迷宫密封和碳环密封中间的强制性密封。由于转子的高速旋转和气体的粘性，密封处转子的表面有强旋气流，该处压力实际上大于介质压力并呈紊流状态。在局部仍有大于密封气压的煤气和氮气混合气泄漏于外。此种密封方式在TRT运行半年后N2用量达300 m3/h以上，有的机组高达500 m3/h。

3 TRT新型轴端密封技术的理论研究

透平机械密封技术近百年来，先后产生了梳齿密封、布莱登密封、刷式密封、蜂窝密封等技术。上世纪90年代初，美国航天飞机发动机成功采用了蜂窝密封技术；我国2004年开始已成功将蜂窝密封技术应用在电站汽轮机上。

蜂窝密封就是密封环的内表面由蜂窝孔（正六面体）形状的规则排列的蜂窝带组成，见图6所示，材料为海斯特镍基耐高温抗腐蚀合金薄板。

图6 蜂窝芯格

湘钢2#TRT的拉别令密封能否用蜂窝密封替换？选用什么规格的蜂窝芯格会更好？这些问题需要用数值模拟办法去找答案。我们运用目前国际上通行的透平机械内部流场研究的数值模拟办法，以湘钢2#TRT轴端密封结构为背景，建立三维迷宫密封与蜂窝密封结构并划分网格，使用商业CFD计算软件FLUENT对迷宫密封和蜂窝密封的内部流场进行数值模拟，在此基础上进一步分析工质在蜂窝密封中的流动本质，为TRT新型轴端密封改造提供理论依据。

3.1 迷宫密封与蜂窝密封的数值模拟对比分析

3.1.1 几何模型

运用Solidworks软件建立迷宫密封和蜂窝密封模型，导入FLUENT前处理软件GAMBIT，如图7、图8所示。针对密封的结构特点，考虑到密封结构为旋转体，故在建立三维物理模型时，在迷宫密封和蜂窝密封旋转周向选择最小单元体作为计算模型，即采用计算一段弧段的方法，弧段的两个断面设置为周期性边界。

图7 迷宫密封模型

图8 蜂窝密封模型

如图7、图8所示为建立的迷宫密封和蜂窝密封的计算模型。蜂窝密封芯格尺寸对边为3.2 mm，蜂窝深度3.2 mm，蜂窝个数8个，密封间隙0.3 mm，迷宫密封两台阶高度分别为2.9 mm和5.1 mm，长度与迷宫密封相同，齿数4，密封间隙0.3 mm。流动介质为空气，进口压力为0.2956 MPa，进口温度为180℃，转速为3000 r/min。

3.1.2 网格生成

由于密封结构腔内部具有强烈的旋涡，需要在数值计算时运用湍流模型，并且划分网格时采用密封间隙处网格加密。用GAMBIT软件读入.IGES格式的模型，采用非结构化网格划分，如图9、图10。

图9 迷宫密封网格划分

图10 蜂窝密封网格划分

3.1.3 两种密封的流场对比（见图11）

通过三维数值模拟，得出如下结论：在相同的边界条件下，蜂窝密封大大优于迷宫密封。蜂窝密封拥有正六边形的独特结构且壁厚较薄，使其具有较好的热力学耗散、漩涡、节流等效应，使得泄露流动被分成若干小漩涡，密封腔内流体压力下降迅速，且泄露流的动能转化为热能，增大了能量耗散效应，减少了泄露量，从而具有更好的密封特性。

图11 两种密封的流场对比

4 湘钢2#TRT轴端密封改造实践

湘钢2#TRT新型轴端密封改造工作由成都爱迪电力设备有限公司负责实施，见图12。

图12 湘钢2#TRT实例改造相片

改造的方法：TRT原转子上不做任何改动，密封N2系统不变；只将原碳环密封变为气膜密封方式，拉别令密封变为蜂窝密封。

TRT轴端密封结构形式改造后带来的效益如下：

(1)密封效果好，并能长久保持，设计使用寿命3年。CO检测仪检测到CO含量在10 ppm以下，远远低于国家工业企业安全生产管理规定24 ppm。

(2)密封N2用量80 m3/h，一年节约N2费用120万元左右。

(3)TRT转子开停机过一阶临界转速时平稳，增强了转子运行的稳定性。

(4)新型密封结构形式、选材合理，材质质地软，即使发生磨碰，也不会使转子表面遭受磨损，密封环自身也能退让，其主动安全性好，使用寿命长。密封环安调时方便快捷。

(5)将高温真空钎焊工艺用到蜂窝带与气封之间，这种工艺使蜂窝带与气封环之间的结合力很强，蜂窝带永不脱落，这是密封性能长久保持关键因素。

(6)检修维护方便，转子无需返厂镶拉别令密封齿，做动平衡等，大大缩短了检修工期，提高TRT发电效益。

(7)气膜密封装置是非接触式密封方式，在保证密封效果的前提下不仅延长了转子轴端密封套及气膜密封装置的使用寿命，而且还消除了碳环对转子的扰动力。

(8)TRT生产现场CO含量远远低于国家工业企业安全生产管理规定，不仅有利于岗位人员正常设备巡检的需求，而且有益于岗位人员身心健康。

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A Study on the Sealing Failure of TRT Shaft End on the No.2 Blast Furnace of Xiangtan Steel

XIE Hongxing1、2,TAN Yuanqiang1
(1.The Machinery and Engineering College of Xiangtan University, 2.the Power Plant of Valin Xiangtan Iron and Steel Co.,Ltd.,Xiangtan,Hunan 411101,China)

The sealing failure of the No.2 TRT shaft end was investigated.The flow nature of operation media in the honeycomb seal was analyzed in depth by using numerical simulation method worldly popular in studying internal flow field of turbine to establish 3D labyrinth seal and honeycomb seal and divide grid.CFD calculation software FLUENT was used to numerically simulate the internal flow field of labyrinth seal and honeycomb seal. The good result of the structural transformation of the TRT shaft end seal is demonstrated theoretically and practically through numerical simulation as well as the practical result of the transformation project.

turbine machinery;sealing;energy dissipation;sealing failure

TK229

B

1006-6764（2014）03-0043-04

2013-11-12

谢宏星（1981-），男，2004年毕业于安徽工业大学机械专业，工程师，现从事设备管理工作。