謝宏星，譚援強

（1.湘潭大學機械工程學院;2.湖南華菱集團湘潭鋼鐵有限公司動力廠，湖南湘潭 411101）

湘鋼2#高爐TRT軸端密封失效問題的研究與實踐

謝宏星1.2，譚援強1

（1.湘潭大學機械工程學院;2.湖南華菱集團湘潭鋼鐵有限公司動力廠，湖南湘潭 411101）

以湘鋼2#TRT軸端密封功能失效的問題展開研究。運用目前國際上通行的透平機械內部流場研究的數(shù)值模擬辦法，建立三維迷宮密封與蜂窩密封結構并劃分網格，使用商業(yè)CFD計算軟件FLUENT對迷宮密封和蜂窩密封的內部流場進行數(shù)值模擬，深入分析工作介質在蜂窩密封中的流動本質。通過數(shù)值模擬并結合改造工程實踐，從理論和實踐兩方面驗證了TRT軸端密封結構改造后的良好效果。

透平機械；密封；能量耗散;密封失效

1 湘鋼原2#TRT軸端密封效果

湘鋼2#高爐TRT是2010年投入運行的干式除塵TRT機組，機組型號為MPG19.2-295.6/180，它的設計參數(shù)如下：

(1)高爐容積：2580 m3。

(2)高爐爐頂煤氣發(fā)生量：最大值為530000 m3/ h，正常情況下為：435000 m3/h。

(3)TRT入口煤氣壓力：設計點295.6 kPa。

(4)TRT入口煤氣溫度：180°C。

(5)TRT入口煤氣含塵量：小于10 mg/m3。

(6)TRT出口煤氣壓力：11 kPa。

(7)TRT入口煤氣體積成分（%）：CO為24%～26%、CO2為15%～21%、N2為56%～59%、H2為1%～2%、O2為0.8%。

(8)TRT密封N2壓力為：0.4～0.5 MPa。

該TRT軸端密封形式是拉別令密封+碳環(huán)密封+氮氣密封組合式密封。

該臺TRT投產不到半年，軸端密封就開始失效，密封N2用量增加，CO含量檢測值大大超過24 ppm?，F(xiàn)在密封N2用量達600 m3/h以上（設計值為80 m3/h），CO含量達60 ppm?，F(xiàn)場已設置了警戒線，同時TRT兩軸端加裝了抽風機將泄漏的煤氣抽出排到廠房外，即使如此，TRT現(xiàn)場軸端原CO檢測點CO含量仍高達50～60 ppm，嚴重超出國家工業(yè)企業(yè)安全生產管理規(guī)定（國家規(guī)定值是小于24 ppm）。TRT生產現(xiàn)場為保證安全，在TRT兩軸端臨時設置了抽風機，又設置了吹風機。

密封N2也是能源介質，按0.28元/m3計算，一年多消耗N2達（600-80）×0.28×24×365=1275456元，約120多萬元。

2 TRT密封失效原因分析

湘鋼2#高爐TRT軸端密封形式見圖1，其采用的方式是：內部為迷宮氣封（J形齒密封及梳齒密封的一種），外部為碳環(huán)密封。即采用拉別令密封+碳環(huán)密封+N2封堵技術。拉別令密封是labyrinth seal音譯，就是通稱的迷宮密封或梳齒密封。

圖1 湘鋼2#高爐TRT軸端密封型式示意圖

2.1 拉別令密封

拉別令密封，是最原始的靠節(jié)流膨脹方式的密封結構，雖然它具有許多優(yōu)點，但也有著不可克服的缺點：

（1)密封性差

由于當量齒數(shù)少，使得節(jié)流與膨脹次數(shù)少，產生嚴重的泄漏。

（2）齒易磨損密封失效

當機組處于過臨界轉速或產生非正常振動時，由于振幅過大，使得密封齒容易碰撞。如圖2、圖3所示。另外，轉子上鑲齒、更換齒較繁瑣，而且更換后必須重新做動平衡，此過程嚴重影響了TRT作業(yè)率，一臺TRT一天純利潤15萬元以上，經濟效益是相當可觀的。

（3）易引起氣流激振

拉別令密封存在環(huán)形腔室于“J”形齒間，腔室內會產生旋轉氣流；轉子橢圓形運行軌跡各處受到的旋轉氣流的切向力差別較大，從而引起氣流的激振以及機組的振動。

圖2 磨損的拉別令密封齒

圖3 磨損的拉別令密封齒

2.2 碳環(huán)密封

原碳環(huán)密封的安裝要求較為嚴格，容易發(fā)生拉簧卡在碳環(huán)槽內或碳環(huán)碎裂的狀況，從而導致機組的振動以及密封的失效。如圖4、圖5所示為揭缸后發(fā)現(xiàn)碎裂的碳環(huán)。

圖4 原使用后碳環(huán)密封圖

圖5 碎裂的碳環(huán)

由于碳環(huán)后面具有拉簧，碳環(huán)與轉子始終保持零接觸，對轉子會產生作用力。在此力的作用下，使得轉子容易產生渦動，對機組的起動及安全運行有潛在的威脅。另一方面TRT運行中，碳環(huán)密封始終與轉子軸套摩擦，運行一年后，大多轉子軸套有很深溝痕，軸套外表面雖作耐磨處理也不頂事。若不更換軸套就影響密封效果，若更換軸套，檢修工期長，更換且不方便，排氣端轉子軸套更換時要拔對輪、拔盤車齒輪；更換了轉子軸套后還要做動平衡。這個檢修過程加上路途運輸，至少20天，發(fā)電效益直接損失高達400多萬元。

2.3 N2密封組合軸封技術

密封N2系統(tǒng)，位于迷宮密封和碳環(huán)密封中間的強制性密封。由于轉子的高速旋轉和氣體的粘性，密封處轉子的表面有強旋氣流，該處壓力實際上大于介質壓力并呈紊流狀態(tài)。在局部仍有大于密封氣壓的煤氣和氮氣混合氣泄漏于外。此種密封方式在TRT運行半年后N2用量達300 m3/h以上，有的機組高達500 m3/h。

3 TRT新型軸端密封技術的理論研究

透平機械密封技術近百年來，先后產生了梳齒密封、布萊登密封、刷式密封、蜂窩密封等技術。上世紀90年代初，美國航天飛機發(fā)動機成功采用了蜂窩密封技術；我國2004年開始已成功將蜂窩密封技術應用在電站汽輪機上。

蜂窩密封就是密封環(huán)的內表面由蜂窩孔（正六面體）形狀的規(guī)則排列的蜂窩帶組成，見圖6所示，材料為海斯特鎳基耐高溫抗腐蝕合金薄板。

圖6 蜂窩芯格

湘鋼2#TRT的拉別令密封能否用蜂窩密封替換？選用什么規(guī)格的蜂窩芯格會更好？這些問題需要用數(shù)值模擬辦法去找答案。我們運用目前國際上通行的透平機械內部流場研究的數(shù)值模擬辦法，以湘鋼2#TRT軸端密封結構為背景，建立三維迷宮密封與蜂窩密封結構并劃分網格，使用商業(yè)CFD計算軟件FLUENT對迷宮密封和蜂窩密封的內部流場進行數(shù)值模擬，在此基礎上進一步分析工質在蜂窩密封中的流動本質，為TRT新型軸端密封改造提供理論依據。

3.1 迷宮密封與蜂窩密封的數(shù)值模擬對比分析

3.1.1 幾何模型

運用Solidworks軟件建立迷宮密封和蜂窩密封模型，導入FLUENT前處理軟件GAMBIT，如圖7、圖8所示。針對密封的結構特點，考慮到密封結構為旋轉體，故在建立三維物理模型時，在迷宮密封和蜂窩密封旋轉周向選擇最小單元體作為計算模型，即采用計算一段弧段的方法，弧段的兩個斷面設置為周期性邊界。

圖7 迷宮密封模型

圖8 蜂窩密封模型

如圖7、圖8所示為建立的迷宮密封和蜂窩密封的計算模型。蜂窩密封芯格尺寸對邊為3.2 mm，蜂窩深度3.2 mm，蜂窩個數(shù)8個，密封間隙0.3 mm，迷宮密封兩臺階高度分別為2.9 mm和5.1 mm，長度與迷宮密封相同，齒數(shù)4，密封間隙0.3 mm。流動介質為空氣，進口壓力為0.2956 MPa，進口溫度為180℃，轉速為3000 r/min。

3.1.2 網格生成

由于密封結構腔內部具有強烈的旋渦，需要在數(shù)值計算時運用湍流模型，并且劃分網格時采用密封間隙處網格加密。用GAMBIT軟件讀入.IGES格式的模型，采用非結構化網格劃分，如圖9、圖10。

圖9 迷宮密封網格劃分

圖10 蜂窩密封網格劃分

3.1.3 兩種密封的流場對比（見圖11）

通過三維數(shù)值模擬，得出如下結論：在相同的邊界條件下，蜂窩密封大大優(yōu)于迷宮密封。蜂窩密封擁有正六邊形的獨特結構且壁厚較薄，使其具有較好的熱力學耗散、漩渦、節(jié)流等效應，使得泄露流動被分成若干小漩渦，密封腔內流體壓力下降迅速，且泄露流的動能轉化為熱能，增大了能量耗散效應，減少了泄露量，從而具有更好的密封特性。

圖11 兩種密封的流場對比

4 湘鋼2#TRT軸端密封改造實踐

湘鋼2#TRT新型軸端密封改造工作由成都愛迪電力設備有限公司負責實施，見圖12。

圖12 湘鋼2#TRT實例改造相片

改造的方法：TRT原轉子上不做任何改動，密封N2系統(tǒng)不變；只將原碳環(huán)密封變?yōu)闅饽っ芊夥绞剑瓌e令密封變?yōu)榉涓C密封。

TRT軸端密封結構形式改造后帶來的效益如下：

(1)密封效果好，并能長久保持，設計使用壽命3年。CO檢測儀檢測到CO含量在10 ppm以下，遠遠低于國家工業(yè)企業(yè)安全生產管理規(guī)定24 ppm。

(2)密封N2用量80 m3/h，一年節(jié)約N2費用120萬元左右。

(3)TRT轉子開停機過一階臨界轉速時平穩(wěn)，增強了轉子運行的穩(wěn)定性。

(4)新型密封結構形式、選材合理，材質質地軟，即使發(fā)生磨碰，也不會使轉子表面遭受磨損，密封環(huán)自身也能退讓，其主動安全性好，使用壽命長。密封環(huán)安調時方便快捷。

(5)將高溫真空釬焊工藝用到蜂窩帶與氣封之間，這種工藝使蜂窩帶與氣封環(huán)之間的結合力很強，蜂窩帶永不脫落，這是密封性能長久保持關鍵因素。

(6)檢修維護方便，轉子無需返廠鑲拉別令密封齒，做動平衡等，大大縮短了檢修工期，提高TRT發(fā)電效益。

(7)氣膜密封裝置是非接觸式密封方式，在保證密封效果的前提下不僅延長了轉子軸端密封套及氣膜密封裝置的使用壽命，而且還消除了碳環(huán)對轉子的擾動力。

(8)TRT生產現(xiàn)場CO含量遠遠低于國家工業(yè)企業(yè)安全生產管理規(guī)定，不僅有利于崗位人員正常設備巡檢的需求，而且有益于崗位人員身心健康。

[1]王紹文,楊景玲等.冶金工業(yè)節(jié)能減排技術指南 [M].北京化學工業(yè)出版社.2009.

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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

謝宏星（1981-），男，2004年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學機械專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事設備管理工作。