煙氣輪機軸端密封蜂窩帶脫落失效分析

喬金銘，李雙虎，曾瑜

（中國石油渤海石油裝備蘭州石油化工裝備公司， 甘肅 蘭州 730060）

煙氣輪機是廣泛應(yīng)用于煉油化工裝置中的能量回收設(shè)備。煙氣輪機的動靜部件之間離不開密封裝置。軸系密封的形式多種多樣，目前密封效果最好的仍然是蜂窩密封。蜂窩密封的材質(zhì)為可磨損鎳基材料，主要作用是阻止煙氣輪機的高溫煙氣和蒸汽進入煙氣輪機膨脹輸出軸功的泄漏，軸系密封將動靜部件間隙設(shè)計到最小值，不僅可以提高煙氣輪機的工作效率和節(jié)約能源，還可提高轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)設(shè)備安全穩(wěn)定地運行。蜂窩密封是一項關(guān)鍵技術(shù)，因此，對蜂窩密封的工作機制及性能研究尤為重要。

1 蜂窩密封的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 結(jié)構(gòu)

蜂窩密封材質(zhì)選用進口的Hastelly-X高溫合金箔片，制成正六邊形的蜂窩狀，對應(yīng)國內(nèi)牌號為GH3536，釬料材質(zhì)選用進口的BNi71CrSi，壁厚為0.05～0.10mm，晶格寬度有1.6、2.4、3.2mm等尺寸，可依據(jù)介質(zhì)工況選擇。蜂窩密封能夠在最小的材料質(zhì)量下保證密封具有最大的強度，允許在高壓降下應(yīng)用且不增加密封的尺寸，具有更好的轉(zhuǎn)子動力學特性。蜂窩密封具有耐磨損、不傷軸、壽命長、泄漏量少、密封效果好等優(yōu)點。

圖1 蜂窩密封

1.2 原理

密封原理是軸系高速運轉(zhuǎn)時，氣流成螺旋方式向前流動，蜂窩狀結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生很強的渦流和屏障，在煙氣介質(zhì)高溫氣流流經(jīng)蜂窩帶時，會被蜂窩帶上無數(shù)個六邊形網(wǎng)格所分解，分解的氣流在網(wǎng)格微小空間形成無數(shù)小氣旋，產(chǎn)生很大阻尼，可以高效地阻止沿軸向流動的工質(zhì)泄漏而達到密封效果。另外，蜂窩狀結(jié)構(gòu)還具有良好的能量耗散功能，有效地提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性和減少氣體的泄漏，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和節(jié)能環(huán)保的目的。

2 蜂窩密封加工的工藝流程

蜂窩環(huán)體毛坯鍛造→一次熱處理→機械粗加工→二次熱處理→機械精加工→真空釬焊→變形校正→細加工整環(huán)→切割→包裝。

蜂窩帶與母體金屬環(huán)是通過真空釬焊工藝焊接在一起的。真空釬焊工藝的設(shè)備是真空釬焊爐。密封環(huán)體與蜂窩帶經(jīng)過精密嚴格的工藝加工，緊密、均勻地融合在一起，由專用工具放入釬焊爐中，按照事先編制好的焊接工藝程序，由計算機控制進行抽真空。當爐內(nèi)真空度達到要求后，均勻緩慢升溫達到1050℃，在此溫度下，保持規(guī)定的時間后再緩慢均勻降溫到工藝規(guī)定的溫度再開爐門，最后將已釬焊好的蜂窩密封取出。

圖2 煙氣輪機用蜂窩密封

2.1 蜂窩密封的故障特征

蜂窩密封運行介質(zhì)是空氣，實際工況中為含有少量催化劑顆粒的煙氣和夾雜了少量輪盤冷卻蒸汽的固、液、氣的混合體，具有強的酸、堿腐蝕特性。

催化劑種類繁多，不同單位的機組在運行過程中使用的催化劑各不相同。如果蜂窩密封長周期運行在強腐蝕性煙氣過量的硫及硫化物介質(zhì)當中，鎳基釬料與高溫混合介質(zhì)及空氣作用下極易發(fā)生硫化反應(yīng)，導(dǎo)致釬料被快速腐蝕，直接造成鎳基釬粉中的鎳流失，導(dǎo)致蜂窩帶的脫落。蘭州石化重油催化裂化裝置的煙氣輪機，在停車檢修時發(fā)現(xiàn)蜂窩帶芯腐蝕性脫落。現(xiàn)場查驗受損零件，發(fā)現(xiàn)蜂窩芯和密封環(huán)件上殘留的釬料都非常少，而釬焊焊縫被嚴重腐蝕，判定為鎳基釬料被腐蝕是導(dǎo)致蜂窩芯結(jié)構(gòu)脫落的主要原因。

2.2 避免蜂窩密封脫落的方法

為了解決設(shè)備運行中存在的問題，達到理想的密封效果，主要從以下幾個方面解決問題。

方法一：在無法改變裝置催化劑種類的前提下，針對原來蜂窩帶鎳基材質(zhì)釬料更換為鈷基材質(zhì)釬料。鈷基合金在高于980℃時具有較高的強度、良好的抗熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能，且有較好的焊接性。鈷的硫化物熔點（如Co-Co4S3共晶，877℃）比鎳的硫化物熔點（如Ni-Ni3S2共晶，645℃）要高，且硫在鈷中的擴散率比在鎳中低得多。一般認為，鈷基合金在這方面的性能優(yōu)于鎳基合金。

方法二：修改蜂窩密封加工工藝，對蜂窩帶鈷基材質(zhì)釬料焊接后的釬焊面進行二次燒結(jié)層保護，保證蜂窩帶與鈷基材質(zhì)的焊接性能更加理想穩(wěn)定。

方法三：建議使用單位對工況介質(zhì)進行優(yōu)化，有效控制催化劑顆粒度的大小、數(shù)量和冷卻蒸汽的含量，減少介質(zhì)對蜂窩帶造成的沖擊和腐蝕。

3 結(jié)語

經(jīng)過對蜂窩帶材質(zhì)的更換和加工工藝的調(diào)整，消除影響蜂窩帶脫落的主要因素，同時控制和優(yōu)化工況介質(zhì)，很好地解決了蘭州石化重油催化裂化裝置煙氣輪機軸端密封蜂窩帶脫落的問題，徹底杜絕了此類問題的再次發(fā)生。目前，所有用戶蜂窩密封運行效果良好，質(zhì)量可靠，各項指標滿足工藝要求，有效地提高了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性和減少了氣體的泄漏量，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的密封。