蒸汽輪機(jī)軸端汽封泄漏原因分析及處理

侯中文

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

1 引言

蒸汽輪機(jī)按熱力特性通?？梢苑譃楸硥菏胶湍?。為了減少蒸汽的外泄漏和防止外界空氣漏入缸體內(nèi)，蒸汽輪機(jī)軸端設(shè)置軸端汽封，又稱軸封，軸封及附屬設(shè)備組成密閉的軸封系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作性能直接影響設(shè)備的正常運(yùn)行。如背壓式蒸汽輪機(jī)進(jìn)、排汽壓力高于大氣壓力，軸封系統(tǒng)工作效率不足將會造成大量蒸汽通過軸端末級汽封外漏，直接影響機(jī)組做功效率，泄漏的高溫蒸汽流能導(dǎo)致氣缸外的軸徑溫度升高或順著軸進(jìn)入兩側(cè)的軸承箱直接加熱軸承，同時使?jié)櫥椭谢烊胨?，油質(zhì)乳化變質(zhì)，破壞其潤滑性能，嚴(yán)重者會造成軸承溫度過高，巴氏合金層融化，導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備故障。凝汽式蒸汽輪機(jī)排汽側(cè)壓力低于大氣壓，軸封泄漏會造成外界空氣漏入氣缸，引起凝汽器真空度降低和凝結(jié)水水質(zhì)不良，嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

中海石油化學(xué)股份有限公司化肥二期氨冷凍壓縮機(jī)蒸汽輪機(jī)由日本三菱重工株式會社廣島機(jī)器制作所設(shè)計制造，型號為5BH-3，背壓式。其缸體為水平剖分式，轉(zhuǎn)子為整體鍛造結(jié)構(gòu)，共3級噴嘴，入口引入的壓力11.87 MPa、溫度505 ℃的高壓蒸汽經(jīng)過3級噴嘴做功后降低為壓力4.6 MPa、溫度383 ℃的中壓蒸汽，然后由出口排汽管線排入中壓蒸汽管網(wǎng)。根據(jù)進(jìn)、排汽兩側(cè)蒸汽壓力不同，兩軸端各設(shè)置不同型式的梳齒迷宮密封。

2 軸封系統(tǒng)及工作原理

5BH-3型蒸汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)由軸端汽封、排汽腔室、軸封蒸汽冷凝器、抽氣噴射器及附屬管件等組成。

軸端汽封為梳齒型迷宮密封，每級汽封環(huán)由6塊扇形密封塊組成，每個密封塊背面各有一片不銹鋼彈簧片作為緩沖補(bǔ)償，當(dāng)軸與密封齒碰擦?xí)r，密封塊自行彈開，避免軸與密封齒過度摩擦。根據(jù)進(jìn)、排汽兩側(cè)蒸汽溫度、壓力不同，兩側(cè)彈簧片耐熱性和剛度不同。進(jìn)汽側(cè)軸封共8級，第1～5級為高低齒斜齒密封，第6～7級為高低齒直齒密封，第8級為平齒密封。其間分布3個排汽腔室（又稱膨脹室），腔室分別與中壓蒸汽管網(wǎng)、低壓蒸汽管網(wǎng)、軸封蒸汽冷凝器相連。排汽側(cè)汽封共6級，第1～5級為高低齒直齒密封，第6級為平齒密封。其間分布2個排汽腔室，腔室分別與低壓蒸汽管網(wǎng)、軸封蒸汽冷凝器相連，如圖1。

汽封通過“迷宮效應(yīng)”對泄漏蒸汽逐級降壓，降壓后的部分蒸汽先后通過排汽腔室排至中、低壓蒸汽管網(wǎng)，剩余少量的泄漏蒸汽進(jìn)入兩側(cè)軸封的末級排汽腔室，最終全部抽入軸封蒸汽冷凝器，從而實現(xiàn)蒸汽零外漏。

軸封蒸汽冷凝器與抽汽噴射器及附件組成軸封抽汽系統(tǒng)，如圖2。

軸封蒸汽冷凝器為固定管板式結(jié)構(gòu)，泄漏至末級排汽腔室的軸封蒸汽被抽入冷凝器殼程，管程為冷卻水。在冷凝器內(nèi)蒸汽與冷卻水換熱，一部分冷凝成水通過底部的疏水器排放，未冷凝的蒸汽通過抽汽噴射器抽出，高空排放。

抽汽噴射器由噴嘴、吸入室、混合室、擴(kuò)壓室4部分組成。壓力0.34 MPa，溫度197 ℃的低壓蒸汽作為動力汽進(jìn)入噴射器，經(jīng)過噴嘴后壓力能轉(zhuǎn)化為動能，形成高速汽流，吸入室內(nèi)的蒸汽由于與動力汽之間極強(qiáng)的剪切作用而被卷吸入混合室。汽流邊界層的紊流擴(kuò)散作用使得兩股流體發(fā)生能量交換，動力汽速度不斷減少，而被抽蒸汽的速度不斷增大并在混合室形成均勻的混合汽流。在擴(kuò)壓室中流道橫截面積突然增大，混合蒸汽減速增壓形成一定的背壓[1]，最后通過與大氣連通的管路高空排放。隨著冷凝器殼程內(nèi)的蒸汽冷凝、抽出、排放，殼程與軸封末級排汽腔室內(nèi)的壓力形成相對負(fù)壓，排汽腔室內(nèi)的蒸汽被源源不斷地抽入冷凝器。

圖1 進(jìn)排汽側(cè)軸封分布圖

3 問題的提出及原因分析

該蒸汽透平在2015年和2018年先后2次出現(xiàn)軸封泄漏量大的故障。具體表現(xiàn)為汽輪機(jī)兩軸端有明顯的氣流噪聲，用手靠近缸體與軸承箱之間的縫隙能明顯感覺到高溫氣流阻力，同時兩側(cè)軸承箱體靠近軸端最末級汽封部位局部溫度偏高，其中進(jìn)汽側(cè)溫度高達(dá)110 ℃。排汽側(cè)盤車電機(jī)及電纜線溫度高達(dá)93 ℃，監(jiān)測探頭處溫度86 ℃。為了在大修中徹底解決該故障，我們對造成該故障的原因進(jìn)行了全面分析，如下：

（1） 軸端汽封與軸配合間隙超差或彈簧作用失效。蒸汽泄漏量與密封齒與軸的徑向間隙大小成正比。間隙過大，汽封“迷宮效應(yīng)”降低，會造成過量蒸汽外漏。雖然間隙越小，蒸汽泄漏量越少，但是間隙過小會引起密封齒與轉(zhuǎn)子碰擦，導(dǎo)致密封齒磨損間隙變大或密封齒直接斷裂，同樣會引起密封性能降低。另外，彈簧彈力不足、疲勞斷裂造成補(bǔ)償能力下降或消失也會引起軸封泄漏量大。過量的蒸汽泄漏超出軸封蒸汽冷凝器的工作能力就會導(dǎo)致蒸汽從軸端泄漏出來。

（2） 與各級排汽腔室相連通的管路不通暢。軸封間分布的排汽腔室及其連接管路主要作用是將大部分降壓后的泄漏蒸汽引出并回收利用，減少泄漏蒸汽量，保證后幾級軸封的密封效果。任何一個排汽腔室及排汽管路不通暢，無法及時排出的蒸汽只能通過后幾級汽封和排汽腔室泄漏，這樣勢必會造成后幾級軸封和排汽腔室的負(fù)荷增加，最終超出軸封蒸汽冷凝器的工作能力，導(dǎo)致蒸汽外漏。末級排汽腔室與冷凝器間的管路堵塞將直接導(dǎo)致蒸汽抽出受阻，多余的蒸汽只能通過末級汽封外漏。

（3） 軸封抽汽系統(tǒng)工作能力下降。冷凝器的作用就是把兩側(cè)軸封末級排汽腔室的蒸汽全部抽出冷凝和高空排放，它的正常運(yùn)行對軸封能否實現(xiàn)零外漏起著至關(guān)重要的作用。造成其工作能力下降的原因主要有：

（a） 冷卻水進(jìn)出口管路、閥門不通暢或泄漏造成的冷卻水量不足，冷凝器管程結(jié)垢、堵塞及冷卻水入口溫度過高等都會造成冷凝器換熱效率降低，未冷凝的蒸汽量超出抽汽噴射器的工作能力，蒸汽不能及時排出造成冷凝器相對真空度不足，末級腔室蒸汽不能及時抽出，造成外漏。

（b） 冷凝器管程沖刷腐蝕造成內(nèi)漏、折流板腐蝕沖刷或冷卻水出現(xiàn)短路等，造成冷凝器換熱面積減小，換熱效率降低。

（c） 冷凝液排放管路不暢通或疏水閥故障，導(dǎo)致凝結(jié)水不能及時排出，大量的凝結(jié)水聚集在冷凝器殼程，造成冷凝器換熱效率降低進(jìn)而影響抽汽效果。

（d） 抽汽噴射器動力汽管路、閥門、入口過濾器不通暢或泄漏，造成動力汽不足以及噴射器噴嘴堵塞、沖刷變大，這些都會造成抽汽噴射器抽汽能力不足，導(dǎo)致蒸汽外漏。

圖2 軸封抽汽系統(tǒng)簡圖

圖3

4 檢查情況及處理措施

根據(jù)以上原因分析，在大修中我們對軸封系統(tǒng)做了全面檢查，發(fā)現(xiàn)了以下問題并對其進(jìn)行了妥善處理：

（1）對軸端汽封間隙進(jìn)行檢查測量，發(fā)現(xiàn)間隙值在設(shè)計范圍內(nèi)，但部分密封齒出現(xiàn)斷齒、缺口現(xiàn)象；部分彈簧片出現(xiàn)疲勞斷裂，如圖3。

（2）對各排汽腔室及連通管路進(jìn)行吹掃疏通。

（3）拆卸檢查冷凝器兩端封頭及冷卻水管。發(fā)現(xiàn)管程內(nèi)壁附著較厚的水垢，冷卻水入口有雜物堵塞，如圖4。我們對雜物進(jìn)行清理，同時對管程進(jìn)行高壓水射流清理管壁水垢。

（4）對抽汽噴射器及管件進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)動力汽入口球閥被帶壓堵漏時壓入的過量密封膠完全堵塞；噴嘴噴射口處有堅硬的鈣化物堵塞，如圖5。對球閥內(nèi)的密封膠及噴嘴鈣化物進(jìn)行清理，管線進(jìn)行吹掃疏通。

5 處理效果

經(jīng)過本次大修的檢查處理，該機(jī)組一次開車成功，兩軸端汽封泄漏跡象消除，進(jìn)、排汽側(cè)軸承箱體、盤車電機(jī)及附屬儀表、電纜等處溫度恢復(fù)正常，驗證了針對該故障所作出的原因分析及處理措施是正確的。