浅析TK602蒸汽透平碳环汽封泄漏原因

陈莉

摘 要：本文介绍了碳环汽封的工作原理和特点，分析了其泄漏的原因，并针对引进的一台蒸汽透平的碳环汽封对碳环间隙及弹簧力进行计算，从而确定了该汽封的材质及安装数据，为修理工作提供了相应的理论数据。

关键词：蒸汽透平；碳环；密封；泄漏

1 碳环汽封的工作原理

碳环汽封从结构上讲属于往复动密封中的硬填料。其是依靠阻塞和节流作用进行工作的自紧式接触型密封。为了解决磨损后的补偿问题，碳环汽封往往采用分瓣式结构。在分瓣密封环的外圆周上，用拉伸弹簧箍紧，对轴颈表面进一步压紧贴合，建立密封状态。

2 TK602蒸汽透平碳环汽封的结构特点及性能

南化公司30万吨/年合成氨装置一级氨冷冻压缩机组是由单缸背压式汽轮机驱动（备用压缩机为电机驱动），该蒸汽透平为美国HOWDEN公司提供。其设计参数为：正常功率：1726kW；最大功率：2709kW；进汽温度：405℃；排汽温度：296℃；正常运行蒸汽压力：38.25bar；减速箱输出端最大转速：2206rpm；最小转速：1504rpm；正常转速：2005rpm；齿轮比：5.26。该蒸汽透平的汽封采用碳环汽封结构，如图l所示。

该汽封碳环的主要材料为石墨，石墨有自润滑作用，因此碳石墨环可与轴或轴套直接接触，两者只产生微量磨损。碳环汽封一般为多瓣式，借助于弹性元件或气体的压力差使汽封环贴附在转轴或活塞杆上，并产生预紧作用，以获得自紧密封。但是由于碳环汽封结构复杂，运行中需要定期更换碳环和弹簧，故一般只用于两端压差较小（10MPa以下）以及轴的圆周速度不大的条件下。碳环汽封的应用参数为温度：

-120℃

本文通过对TK602蒸汽透平汽封结构特点，分析其泄漏的原因。

十组碳环是装在汽封座内，为了防止碳环旋转，在汽封座上装有防转销钉。每个碳环汽封由3个弧段和外圈的箍紧弹簧两部分组成。十组碳环结构如图2所示，密封类型属于标准型三瓣密封环，其特点是工艺性好，所有剖分面均可研磨，密封性能好。根据碳环汽封耐压性、耐热性和耐久性都很好，普遍应用于汽轮机、风机、发电机、压缩机、透平机等设备，广泛应用于石油、化工、石化、冶金等领域。

3 汽封泄漏原因分析

TK602修前存在的主要缺陷一是减速箱与透平接触面漏油；二是透平汽封漏汽。在缺乏图纸、资料及相关的修理数据情况下，完成了TK602的首次大修。在修理过程中发现：汽封在长期运行中磨损严重，径向间隙超标；弹簧不同程度发生疲劳失效状况，碳环开口间隙已无法保证。遂将十组碳环全部予以更换，目前运行情况良好。回装时还需注意碳环需借助假轴将碳环固定，平滑地将汽封安装在主轴上。

现根据TK602汽封结构，分析碳环汽封存在的几种泄漏原因。

3.1 碳环磨损加剧，工作间隙超标

在缺乏原始数据的情况下，我们对旧碳环及随机备件内径进行了测绘，测绘数据如下：

旧碳环（10组）：最大Φ90.5mm，最小Φ90.2mm。

新碳环（10组）：Φ90.02mm；

由此可见，旧碳环在使用过程中，已明显磨损，是造成汽封漏汽的原因之一。

3.2 碳环安装间隙不符合要求

为了使碳环汽封达到最佳密封效果，在安装时需确定汽封环与汽封座间的径向间隙及三瓣环间的开口间隙大小。若安装时径向间隙及开口间隙过大，无法发挥汽封的阻流及节流作用，造成汽封环泄漏。径向间隙或开口间隙过小，由于碳环及轴膨胀，造成汽封环与轴抱死，极易造成汽封环烧毁。因此需通过计算，得出两种间隙的最佳数值，在实际修理时通过测量加以调整或更换。

3.2.1 碳环材质的确定

想要计算出径向间隙及开口间隙大小，首先需确定汽封环所属材质。从外表观察，汽封环属碳石墨的一种。

各种等级碳石墨可用于广泛的抗磨力磨损场合，但它同样也有硬有软，根据肖氏硬度的大小，将它大致分为软、中硬和硬的各种等级碳石墨：

软石墨（HS=50～70）配合面材料较软时选用；

中硬石墨（Hs=70～90）配合面材料较硬时选用；

硬碳石墨（Hs>90）配合面材料很硬、介质有固体颗粒时选用。

根据蒸汽透平的工艺参数并查阅有关资料，最后选定的碳环材质选择软石墨中牌號为M272的纯碳类石墨。其性能参数为抗压强度95MPa，肖氏硬度60HS，热膨胀系数3.0×10-6/℃，使用温度不高于450℃。

3.2.2 安装缝隙的确定

根据查阅相关书籍，确定了以下参数：碳环热膨胀系数α1=3.0×10-6/℃[1]，

主轴的热胀系数α2=12.9×10-6/℃，每瓣碳环圆弧长度和对应轴的圆弧长度

L= =94.2mm（D=90mm），工作与安装温度差Δt=380℃，R1=45mm，R2=61mm。

①径向间隙a1的确定

碳环与汽封座间的径向间隙：

a1=（α2-α1）ΔtR1+α1ΔtR2

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

②开口间隙a2的确定

开口间隙a2的确定需计算出碳环及轴的膨胀量：

每瓣碳环膨胀量：

△L1=Lα1Δt= 0.107mm

对应轴的膨胀量：

△L2= Lα2Δt = 0.46mm

开口间隙：

a2=△L1+△L2=0.57mm

总开口间隙为1.71m

若安装时碳环间隙超过上述间隙规定值，也会造成汽封漏汽。同样，用于箍紧三瓣碳环的外圈弹簧发生失效，也会直接影响到三瓣环间的开口间隙。

3.3 弹簧失效

拉伸弹簧的作用一是保证碳环与轴有一定的预紧作用，二是补偿碳环内圈表面的磨损。弹簧疲劳失效，影响到汽封环的开口间隙及径向间隙，同样也会造成汽封环漏气。

3.3.1 弹簧材质的确定

为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有较高弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性能。几种常用弹簧材料性能见表1。

根据表1，TK602透平工艺参数，其所用箍紧拉伸弹簧可选用4Cr13。

3.3.2 弹簧力的确定

弹簧力应有一定的要求，若太大。则增加二者间的磨损，影响其寿命；若太小，则汽封环的追随性差，使得密封件不能追随接触面动态跳动。汽封环与轴间的压力P（N/cm2）。应符合下列关系式：

得到：P=F/r

式中：r-碳环内半径；F-弹簧在工作长度时的拉力。

而文献[2]推荐的一般数值为（0.4609～1.314）N/cm2。

4 结束语

根据碳环汽封的工作原理及结构特点，分析TK602蒸汽透平碳环汽封产生泄漏的三种原因，参照该机使用工况从理论上计算出汽封安装运转规定的径向、开口间隙，经试运行后工作状态良好，解决TK602蒸汽透平碳环汽封修理难题。

碳环汽封作为国外一种新开发的气体密封技术，其性能及使用寿命皆是其它形式的汽封无法比拟的，通过对碳环汽封应用于汽轮机、离心式压缩机进行可行性研究与试验的推广，提高关键机组运转率。

参考文献：

[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社， 2001.

[2]顾永泉，流体动密封[M].东营：石油大学出版杜，1990.