Causation Analysis of Damage of Steam-turbine Shaft Seal
Abstract: By analysis of the loose cannula of the front axle about steam-turbine and the abrupt reduction of temperature of shaft-seal supply steam, the paper find out the main reason caused damage of shaft-seal, bring forward the specific requirements of safe operation about the shaft-seal system.
Key words: Steam-turbine shaft seal, Shaft-seal supply steam, Shaft seal cannula , Axial gap, collision and friction
轮机在运行过程中为阻止蒸汽在高压缸外漏以减小漏气损失，或为阻止空气漏入低压缸而影响机组真空，在汽轮机汽缸两端均安装有齿形轴封。齿形轴封分为高低齿轴封（又称曲径轴封）和平齿轴封（又称光轴轴封）两种，而轴封和与它相连的管道和附属设备组成轴封系统。
1 前轴封损坏情况
有两台南京汽轮机厂生产的N25—3.43—I型机组，其前后轴封均为高低齿轴封，轴封系统和高低齿轴封如图1、2所示，其前轴封由A、B、C、D四段共三个腔室构成，后轴封由E、F、G三段共二个腔室构成，其中前轴封A由6组轴封圈组成。在2005年9月#2机大修时，发现前轴封A、B高齿朝机头方向与轴封套凸肩有严重碰摩（简称前碰摩），其中轴封A6高齿朝机头方向已倒伏（简称前倒伏），并且A、B轴封圈在轴封槽中发生变形，都朝前倾，轴封损坏情况如图3所示。前碰摩（倒伏）意味着机组受热膨胀后转子轴封套凸肩相对轴封圈高齿前移，以至于两者间的轴向间隙消失，导致高齿因碰摩而变形弯曲[1]。
2 轴封系统工作原理
从图1可知，机组正常运行时轴封系统汽源来自二段抽汽，而机组启停或低负荷时由于二段抽汽压力太低，故用新蒸汽给轴封系统供汽，为了维持供汽压力稳定，通过均压箱上的压力调整器来实现，均压箱压力太高时，则压力调整器动作，减小进入均压箱的蒸汽量，若仍然太高，部分蒸汽将进入凝汽器；若均压箱压力较低，则进行相反的操作，使之维持均压箱压力稳定。而主蒸汽沿着主轴漏入轴封A与B之间的M腔室后，一部分漏入二段抽汽加热给水，另一部分可能通过轴封B漏入N腔室，虽然漏汽经过A轴封多次节流，压力有所降低，但温度仍然很高，如不采取措施，高温蒸汽具有的热量一方面将通过主轴传递到前轴承座，使油质恶化，不利于润滑，另一方面将使轴封B过度膨胀。因此，二段抽汽通过压力调整器进入N腔室，目的是用温度较低的蒸汽代替高温蒸汽，不但可以冷却转子，而且可阻止高温蒸汽进入B轴封。另外，从N、J腔室漏出的蒸汽以及从大气中漏入的空气进入L、K腔室后通过轴封回汽管进入轴封加热器被凝结水冷却凝结，工质和热量均得到回收，分离出来的空气和少量蒸汽被射汽抽气器抽出，在射汽抽气器抽的作用下，L、K腔室始终保持微负压。
作者：cheng
3 前轴封A、B损坏原因
封损坏的机理来看，造成前轴封A，B损坏的主要原因是轴封套凸肩与轴封圈上汽封高齿之间的轴向间隙消失，造成它们之间的碰摩，而影响轴封套与轴封圈汽封高齿之间间隙的因素较多，如前轴封套松动，轴封供汽温度，负胀差，轴向位移，检修安装质量等，通过分析#2机运行记录和检修记录，可排除由于安装质量不好或负胀差及轴向位移超标造成轴封损坏的可能。
3.1 前轴封套松动
修时发现转子上的前轴封套有松动的现象，通过实测，发现前轴封套前移（朝机头方向）了1mm，如图4所示。而此类型机组前轴封套松动是一个普遍现象，文献[2]曾对此进行了详细的分析，并认为造成前轴封套松动的主要原因是套装过盈量偏小、轴封供汽温度较高、轴封体材料抗蠕变性差等。此厂#1机曾出现过前轴封套松动的现象，前轴封套前移导致轴封圈汽封高齿与轴封套凸肩之间的轴向间隙减小，而机组启动时用新蒸汽给轴封供汽，温度较高，当轴封套与转子之间的温差为64.13时，其套装处过盈值即消失[2]，从而导致前轴封套在转子上松动前移，同时轴封套及转子和轴封圈汽封受热迅速膨胀，由于轴封圈汽封固定在缸体上，根据热膨胀原理，缸体此时膨胀较慢，导致轴封套凸肩与轴封圈汽封高齿之间的间隙进一步减小，为碰擦创造了更好的条件。
3.2 轴封供汽温度
文献[1]曾对轴封供汽温度对轴封轴向间隙的影响进行了详细的分析，实际上，机组正常运行时，轴封供汽温度较为稳定，汽轮机各设备热膨胀均达到一稳定值，动静之间间隙相对进入稳定状态，而在机组运行工况发生剧变，特别是在机组启停时，动静间隙变化较大。机组启停和低负荷运行时，轴封供汽由新蒸汽供给，为了控制供汽温度，运行人员往往会开大减温水门，轴封系统减温水来源于凝结泵出口，而此时由于凝结泵运行不稳定，凝结水压力忽高忽低，导致减温水量忽大忽小，由于减温水不稳定，曾出现均压箱温度由220℃降低到90℃的情况。当轴封供汽温度降低时，大量湿蒸汽通过供汽管进入N腔室，使得N腔室和M腔室之间的转子急剧朝机头方向收缩，同时湿蒸汽使得轴封B上的汽封圈同样急剧收缩，瞬间轴向间隙消失，从而出现B轴封圈汽封高齿与轴封套凸肩的前碰擦，而A轴封由于轴封套松动，动静间隙已经减小，在腔室N和M之间转子急剧收缩前移时，同样使得动静间隙瞬间消失而出现前碰擦。这时，部分湿蒸汽会通过轴封B进入M腔室，同A轴封漏入的高温蒸汽迅速混合，使得M腔室的温度同样迅速降低，而M腔室温度对A6轴封圈影响最为严重，因而在蒸汽温度迅速降低时，轴封A6急剧收缩，从而出现轴封A6动静碰擦前倒伏最为严重的情况。
4 结论及建意
（1）通过以上分析可知，轴封供汽温度瞬间降低是导致前轴封A、B损坏的主要原因，而前轴封套松动前移，加剧了这一过程。
（2）轴封系统的稳定运行对机组安全经济运行至关重要，特别是在机组启停和变工况运行时，为了轴封和轴封套的安全运行，一定要加强对轴封系统温度的监视。由于轴封供汽温度的原因导致机组振动及转子弯曲的恶性事故时有发生。
（3）根据实际情况，对轴封系统温度测点进行改造，引入集控室，以便于运行人员监视和调整。
（4）在此次查找轴封损坏原因时发现厂家规定轴封供汽压力为0.101~0.128MPa，而实际上轴封供汽压力控制在0.04~0.05MPa。轴封供汽压力太低，导致大量高温蒸汽从前汽封漏出，不但加热转子影响机组润滑，而且在轴封供汽带水时更容易加剧轴封汽封圈的收缩造成轴封损坏，因而建意恢复供汽压力，以保证机组正常运行。
参 考 文 献
[1]丁建良.汽轮机轴封供汽参数对轴封轴向间隙的影响[J].江苏电机工程,2004,23(4):34~35.
[2]徐奇焕.汽轮机前汽封体套装处松动的分析与处理[J].汽轮机技术,1998,(2):59~62.
