蒸汽轮机轴端汽封泄漏原因分析及处理

侯中文

（中海石油化学股份有限公司，海南东方 572600）

1 引言

蒸汽轮机按热力特性通常可以分为背压式和凝汽式。为了减少蒸汽的外泄漏和防止外界空气漏入缸体内，蒸汽轮机轴端设置轴端汽封，又称轴封，轴封及附属设备组成密闭的轴封系统，该系统工作性能直接影响设备的正常运行。如背压式蒸汽轮机进、排汽压力高于大气压力，轴封系统工作效率不足将会造成大量蒸汽通过轴端末级汽封外漏，直接影响机组做功效率，泄漏的高温蒸汽流能导致气缸外的轴径温度升高或顺着轴进入两侧的轴承箱直接加热轴承，同时使润滑油中混入水分，油质乳化变质，破坏其润滑性能，严重者会造成轴承温度过高，巴氏合金层融化，导致严重的设备故障。凝汽式蒸汽轮机排汽侧压力低于大气压，轴封泄漏会造成外界空气漏入气缸，引起凝汽器真空度降低和凝结水水质不良，严重影响机组的稳定运行。

中海石油化学股份有限公司化肥二期氨冷冻压缩机蒸汽轮机由日本三菱重工株式会社广岛机器制作所设计制造，型号为5BH-3，背压式。其缸体为水平剖分式，转子为整体锻造结构，共3级喷嘴，入口引入的压力11.87 MPa、温度505 ℃的高压蒸汽经过3级喷嘴做功后降低为压力4.6 MPa、温度383 ℃的中压蒸汽，然后由出口排汽管线排入中压蒸汽管网。根据进、排汽两侧蒸汽压力不同，两轴端各设置不同型式的梳齿迷宫密封。

2 轴封系统及工作原理

5BH-3型蒸汽轮机轴封系统由轴端汽封、排汽腔室、轴封蒸汽冷凝器、抽气喷射器及附属管件等组成。

轴端汽封为梳齿型迷宫密封，每级汽封环由6块扇形密封块组成，每个密封块背面各有一片不锈钢弹簧片作为缓冲补偿，当轴与密封齿碰擦时，密封块自行弹开，避免轴与密封齿过度摩擦。根据进、排汽两侧蒸汽温度、压力不同，两侧弹簧片耐热性和刚度不同。进汽侧轴封共8级，第1～5级为高低齿斜齿密封，第6～7级为高低齿直齿密封，第8级为平齿密封。其间分布3个排汽腔室（又称膨胀室），腔室分别与中压蒸汽管网、低压蒸汽管网、轴封蒸汽冷凝器相连。排汽侧汽封共6级，第1～5级为高低齿直齿密封，第6级为平齿密封。其间分布2个排汽腔室，腔室分别与低压蒸汽管网、轴封蒸汽冷凝器相连，如图1。

汽封通过“迷宫效应”对泄漏蒸汽逐级降压，降压后的部分蒸汽先后通过排汽腔室排至中、低压蒸汽管网，剩余少量的泄漏蒸汽进入两侧轴封的末级排汽腔室，最终全部抽入轴封蒸汽冷凝器，从而实现蒸汽零外漏。

轴封蒸汽冷凝器与抽汽喷射器及附件组成轴封抽汽系统，如图2。

轴封蒸汽冷凝器为固定管板式结构，泄漏至末级排汽腔室的轴封蒸汽被抽入冷凝器壳程，管程为冷却水。在冷凝器内蒸汽与冷却水换热，一部分冷凝成水通过底部的疏水器排放，未冷凝的蒸汽通过抽汽喷射器抽出，高空排放。

抽汽喷射器由喷嘴、吸入室、混合室、扩压室4部分组成。压力0.34 MPa，温度197 ℃的低压蒸汽作为动力汽进入喷射器，经过喷嘴后压力能转化为动能，形成高速汽流，吸入室内的蒸汽由于与动力汽之间极强的剪切作用而被卷吸入混合室。汽流边界层的紊流扩散作用使得两股流体发生能量交换，动力汽速度不断减少，而被抽蒸汽的速度不断增大并在混合室形成均匀的混合汽流。在扩压室中流道横截面积突然增大，混合蒸汽减速增压形成一定的背压[1]，最后通过与大气连通的管路高空排放。随着冷凝器壳程内的蒸汽冷凝、抽出、排放，壳程与轴封末级排汽腔室内的压力形成相对负压，排汽腔室内的蒸汽被源源不断地抽入冷凝器。

图1 进排汽侧轴封分布图

3 问题的提出及原因分析

该蒸汽透平在2015年和2018年先后2次出现轴封泄漏量大的故障。具体表现为汽轮机两轴端有明显的气流噪声，用手靠近缸体与轴承箱之间的缝隙能明显感觉到高温气流阻力，同时两侧轴承箱体靠近轴端最末级汽封部位局部温度偏高，其中进汽侧温度高达110 ℃。排汽侧盘车电机及电缆线温度高达93 ℃，监测探头处温度86 ℃。为了在大修中彻底解决该故障，我们对造成该故障的原因进行了全面分析，如下：

（1） 轴端汽封与轴配合间隙超差或弹簧作用失效。蒸汽泄漏量与密封齿与轴的径向间隙大小成正比。间隙过大，汽封“迷宫效应”降低，会造成过量蒸汽外漏。虽然间隙越小，蒸汽泄漏量越少，但是间隙过小会引起密封齿与转子碰擦，导致密封齿磨损间隙变大或密封齿直接断裂，同样会引起密封性能降低。另外，弹簧弹力不足、疲劳断裂造成补偿能力下降或消失也会引起轴封泄漏量大。过量的蒸汽泄漏超出轴封蒸汽冷凝器的工作能力就会导致蒸汽从轴端泄漏出来。

（2） 与各级排汽腔室相连通的管路不通畅。轴封间分布的排汽腔室及其连接管路主要作用是将大部分降压后的泄漏蒸汽引出并回收利用，减少泄漏蒸汽量，保证后几级轴封的密封效果。任何一个排汽腔室及排汽管路不通畅，无法及时排出的蒸汽只能通过后几级汽封和排汽腔室泄漏，这样势必会造成后几级轴封和排汽腔室的负荷增加，最终超出轴封蒸汽冷凝器的工作能力，导致蒸汽外漏。末级排汽腔室与冷凝器间的管路堵塞将直接导致蒸汽抽出受阻，多余的蒸汽只能通过末级汽封外漏。

（3） 轴封抽汽系统工作能力下降。冷凝器的作用就是把两侧轴封末级排汽腔室的蒸汽全部抽出冷凝和高空排放，它的正常运行对轴封能否实现零外漏起着至关重要的作用。造成其工作能力下降的原因主要有：

（a） 冷却水进出口管路、阀门不通畅或泄漏造成的冷却水量不足，冷凝器管程结垢、堵塞及冷却水入口温度过高等都会造成冷凝器换热效率降低，未冷凝的蒸汽量超出抽汽喷射器的工作能力，蒸汽不能及时排出造成冷凝器相对真空度不足，末级腔室蒸汽不能及时抽出，造成外漏。

（b） 冷凝器管程冲刷腐蚀造成内漏、折流板腐蚀冲刷或冷却水出现短路等，造成冷凝器换热面积减小，换热效率降低。

（c） 冷凝液排放管路不畅通或疏水阀故障，导致凝结水不能及时排出，大量的凝结水聚集在冷凝器壳程，造成冷凝器换热效率降低进而影响抽汽效果。

（d） 抽汽喷射器动力汽管路、阀门、入口过滤器不通畅或泄漏，造成动力汽不足以及喷射器喷嘴堵塞、冲刷变大，这些都会造成抽汽喷射器抽汽能力不足，导致蒸汽外漏。

图2 轴封抽汽系统简图

图3

4 检查情况及处理措施

根据以上原因分析，在大修中我们对轴封系统做了全面检查，发现了以下问题并对其进行了妥善处理：

（1）对轴端汽封间隙进行检查测量，发现间隙值在设计范围内，但部分密封齿出现断齿、缺口现象；部分弹簧片出现疲劳断裂，如图3。

（2）对各排汽腔室及连通管路进行吹扫疏通。

（3）拆卸检查冷凝器两端封头及冷却水管。发现管程内壁附着较厚的水垢，冷却水入口有杂物堵塞，如图4。我们对杂物进行清理，同时对管程进行高压水射流清理管壁水垢。

（4）对抽汽喷射器及管件进行全面检查，发现动力汽入口球阀被带压堵漏时压入的过量密封胶完全堵塞；喷嘴喷射口处有坚硬的钙化物堵塞，如图5。对球阀内的密封胶及喷嘴钙化物进行清理，管线进行吹扫疏通。

5 处理效果

经过本次大修的检查处理，该机组一次开车成功，两轴端汽封泄漏迹象消除，进、排汽侧轴承箱体、盘车电机及附属仪表、电缆等处温度恢复正常，验证了针对该故障所作出的原因分析及处理措施是正确的。