重要ポイント
1.PTFE含浸カーボングラファイト製ブッシュは、5.0 MPa、1,480 rpmの海水環境での摩耗が年間約0.005 mmであり、銅合金の約1桁下回ります。
2.同条件下のアルミニウム真鍮製ブッシュは、PTFE含浸カーボングラファイトの約6倍の速度で摩耗します。
3.PTFE含浸の充填率は94%以上で、開孔率は15.2%から0.6%に低減。海水の透過率は1.2×10⁻⁸ cm/s未満で、塩化物によるピッティング腐食のリスクはありません。
4.デュプレックスステンレス鋼2205スリーブのPRENは42.5で、55℃・19,000 ppm Cl⁻海水中の年間腐食率は0.002 mm未満、316Lは0.037 mmです。
5.レトロフィットにより、ブッシュ交換頻度は年間1回以下に削減されます。
6.アップグレード後のRO給水中のCu²⁺は28 ppbから1 ppb未満に低減し、膜のフラックス低下率は年間11.3%から5.8%に改善しました。
1. RO海水淡水化における高圧ポンプブッシュの課題
RO技術は世界の淡水化能力の65%以上を占めています。RO高圧ポンプは5.0〜7.0 MPaの吐出圧力で、ブッシュの使用環境は過酷です。Cl⁻濃度は18,000〜20,000 ppm、砂は50 ppm未満、圧力差ΔPは4.5〜5.5 MPaで、PV値は2.5〜3.5 MPa·m/sに達します。
Huahao Sealingが2024年に21プラントを調査した結果：
| 方式 | 平均寿命（月） | 主な故障原因 |
|---|---|---|
| スズ青銅 ZCuSn10Pb1 | 2.3 | 腐食摩耗 72% |
| アルミニウム青銅 CuZn35Al2FeMn | 3.1 | 脱亜鉛化 65% |
| 316L + PTFEライナー | 4.8 | PTFEの低温流動 41% |
| 標準樹脂含浸グラファイト | 6.7 | 孔内水膨潤 48% |
最も厄介なのは銅の溶出で、Cu²⁺濃度は15〜45 ppbに達し、Cu²⁺が10 ppbを超えると3ヶ月でRO膜の塩分除去率が3〜5%低下します。
2. PTFE含浸カーボングラファイトブッシュの材料設計
2.1 カーボンマトリックス
微粒子石油コークスカーボン：粒径8 μm以下の焼成コークス、改質ピッチとグラフェン強化、1,250℃で焼結後、2,800℃で黒鉛化。特性は密度1.72 g/cm³、開孔率15.2%、ショア硬度82、圧縮強度215 MPa、曲げ強度78 MPa。
2.2 3段階含浸・焼結サイクル
| 段階 | 条件 | 充填率 |
|---|---|---|
| 第1段階 真空含浸＋焼結 | PTFE 60%、12 MPa、380℃×4時間 | 約65% |
| 第2段階 真空含浸＋焼結 | PTFE 40%＋シラン、370℃×3時間 | 約88% |
| 第3段階 加圧含浸＋焼結 | PTFE 25%、18 MPa、365℃×2時間 | 94%以上 |
検証結果：開孔率0.6%、沸騰水200時間吸水率0.12%、クロスハッチクラス0、6.5 MPa×24時間の透過率は1.2×10⁻⁸ cm/s未満。
2.3 トライボロジーペアリング試験（海水、5 MPa × 2.5 m/s、500時間）
| 対向材 | PTFE含浸カーボングラファイト摩耗量（mm/1000h） | 対向材摩耗量 | 摩擦係数 μ |
|---|---|---|---|
| 2205 DSS（Ra 0.2） | 0.0062 | 0.0018 | 0.052 |
| 2507 スーパーDSS | 0.0058 | 0.0014 | 0.055 |
| 316L | 0.0091 | 0.0145 | 0.068 |
| ハステロイC-276 | 0.0053 | 0.0012 | 0.049 |
推奨組み合わせは、PTFE含浸カーボングラファイト＋2205で、コストパフォーマンスに優れます。
3. 2205 DSSスリーブの表面処理技術
UNSMナノ結晶化処理：深さ20 μmのナノ粒子層（粒径50 nm未満）、硬度HV280からHV480へ向上、圧縮残留応力−650 MPa、Raは0.2から0.08 μmに低減。
WドープDLCコーティング（2〜3 μm）：硬度HV2200、乾燥摩擦係数μ=0.08、スクラッチ耐力Lc=68 N、1,000時間海水曝露後もLc=62 Nを維持。
4. レトロフィット実施の要点
- デュプレックス鋼ハウジングとの干渉嵌合および収縮嵌合温度を確認すること
- PTFE含浸カーボングラファイトの許容PV値に対する面圧およびスプリング圧力を検証すること
- 試運転中の漏れおよびブッシュ温度を監視し、その後は定期点検項目に追加すること
- 運転時間および測定摩耗量に基づき交換間隔を設定すること
5. 適用範囲
| サービス | 条件 | 推奨 | 寿命 |
|---|---|---|---|
| RO HP 5–8 MPa | Cl⁻ ≤22,000 ppm、T ≤45℃ | PTFE-グラファイト+2205+DLC | >10年 |
| RO HP 5–8 MPa | T 45–60℃ | PTFE-グラファイト+2507+DLC | >10年 |
| 海水取水 | Cl⁻ ≤20,000 ppm | PTFE-グラファイト+2205 | 8–10年 |
| 塩水排出 | Cl⁻ ≤40,000 ppm | PTFE-グラファイト+2507 | 6–8年 |
PTFE含浸グラファイトブッシュにデュプレックス鋼スリーブを組み合わせたものは、脱塩用高圧ポンプにおいて確立された選択肢です。