원심 압축기용 카본 그라파이트 미로 씰 인서트: 120℃/2.5 MPa 크래커 가스 압축기 H₂/CH₄/C₂H₄ 혼합 가스 서비스

원심 압축기는 석유화학, 천연가스 처리 등 산업에서 핵심 회전 장비입니다. 미로 씰(빗살형 씰이라고도 함)은 압축기 내 단계 간 및 축 끝 부위에 가장 널리 사용되는 비접촉 씰입니다. 원리는 다단계 미세 간극을 가진 치형과 로터 사이에서 스로틀 압력 강하를 발생시켜 가스의 운동 에너지를 단계별로 소모함으로써 누설을 줄이는 것입니다. 그러나 전통적인 알루미늄 합금 및 황동 미로 치형은 로터 진동과 정렬 불량 조건에서 심한 마찰이 발생해 치형이 빠르게 마모되고 미로 간극이 급격히 확대되어 누설이 기하급수적으로 증가합니다. 霍邱县华豪密封件有限公司(Huahao Sealing)의 에틸렌 크래커 가스 압축기 및 천연가스 주입 압축기 등 다수 대형 원심 압축기 적용 경험을 바탕으로, 본 글에서는 카본 그라파이트 인서트 미로 씰 선택의 핵심 사항을 소개합니다.

1. 서비스 특성

1.1 전형적인 크래커 가스 압축기 파라미터

• 매질: 크래커 가스 (H₂ 28-32%, CH₄ 18-22%, C₂H₄ 22-28%, C₃+ 10-15%, CO 2-4%, 미량 H₂S 및 수분)
• 압력 범위: 단계 간 0.3-1.2 MPa, 출구 2.5 MPa
• 온도 범위: 1단계 입구 38-45℃, 4단계 출구 110-125℃
• 속도: 6800-8500 rpm (기어박스 속도 증속 구동)
• 축 진동: 정상 25-40 μm, 임계 속도 통과 시 60-85 μm (API 617 경보 값 90 μm, 차단 값 120 μm)

1.2 고장 모드 분석

전통적인 알루미늄/황동 미로 치형 고장 통계:

1.마찰 마모 (65%): 로터가 임계 속도를 통과하거나 갑작스러운 부하 시 축 진동이 증가(> 60 μm)하며 치형과 슬리브 간 강한 마찰 발생. 알루미늄 치형(HB 95)이 크롬 도금 슬리브(HV 900)와 마찰하는 것은 "달걀이 돌에 부딪히는" 것과 같으며, 임계 속도 단일 통과 시 치 높이가 0.1-0.2 mm 마모되고 미로 간극은 3-4개월마다 두 배로 증가함.

2.가스 부식 (20%): 크래커 가스 내 미량 H₂S(30-200 ppm)와 수분이 저온 구간에서 H₂S 수용액으로 응축되어 황동 치형(Cu-Zn)이 탈아연 부식을 겪으며 치 강도가 감소하고 취성 균열이 발생함.

3.열 변형 (10%): 고온 구간(> 100℃)에서 알루미늄 치형의 열팽창 계수(23×10⁻⁶/℃)가 탄소강 케이싱(12×10⁻⁶/℃)보다 훨씬 커서 설계 간극이 "소모"되고 지속적인 마찰이 발생함.

4.불균일 설치 간극 (5%): 수동 게이지로 각 치 간극을 측정할 때 ±0.05 mm 오차가 발생하며, 국부적으로 치 간극이 너무 작으면 조기 마찰이 발생함.

2. 카본 그라파이트 인서트 재료 선택

2.1 카본 그라파이트 장점 비교

| 특성 | 6061-T6 알루미늄 | H62 황동 | 316L 스테인리스 | 청동 함침 흑연 |

|----------|-----------|---------|---------|--------------------------------------|

| 경도 | HB 95 | HB 85 | HB 187 | HS 80 (≈ HB 120) |

| 마찰 시 손상 부위 | 알루미늄 치아 마모 | 황동 치아 마모 | 스테인리스가 슬리브 손상! | 흑연 마모, 슬리브는 무손상 |

| H₂S 부식 저항성 | 보통 (피팅 발생) | 낮음 (아연 탈취) | 우수 | 탁월 (흑연은 H₂S에 부식되지 않음) |

| 열팽창 계수 | 23×10⁻⁶ | 20×10⁻⁶ | 17×10⁻⁶ | 3.2×10⁻⁶ (강철과 유사) |

| 자기 윤활성 | 없음 | 없음 | 없음 | 우수 (고체 윤활, 고온에서 효과적) |

| 가공 정밀도 | ±0.02 mm | ±0.02 mm | ±0.03 mm | ±0.005 mm (CNC 연삭기 정밀도) |

| 사용 수명 (래버린스) | 3-6 개월 | 4-8 개월 | 1-2 년 | 4-6 년 |

2.2 Huahao Sealing 청동 함침 흑연

래버린스 씰 인서트 전용 재료:

• 기본 재료: 미세립 등방압 흑연 (입자 크기 8 μm, 밀도 1.82 g/cm³)
• 함침제: 주석 청동 CuSn10 (진공 압력 함침, 함침률 ≥ 95%, 잔류 기공률 < 1%)
• 주요 특성:
• 압축 강도 260 MPa, 굽힘 강도 72 MPa, 쇼어 HS 80
• 열전도율 85 W/m·K (마찰열을 신속히 전달하여 흑연 산화 방지)
• 열팽창 계수 3.2×10⁻⁶/℃ (탄소강 12×10⁻⁶과 조합 시 고온에서 간극 증가)
• 산화 온도: 공기 중 450℃ 이하 (크래커 가스 125℃ 운전 온도 대비 훨씬 높음)
• 매질 저항성: H₂S, CO, 알켄, 알케인에 완전 안정적; 청동 함침제는 약간의 H₂S 부식 저항성 보유 (H₂S 함량 < 500 ppm에서는 영향 없음)

2.3 로터 슬리브 요구 사항

카본 그라파이트 인서트 솔루션은 고경도 슬리브와 조합해야 합니다:

• 슬리브 표면: 경질 크롬 도금 0.10-0.15 mm, 도금 경도 HV 850-950, 거칠기 R_a ≤ 0.20 μm
• 도금 요구 사항: 크롬 도금층과 기판 간 접착력 ≥ 60 MPa, 미세 균열 없음 (전해 부식 검사 시 균열 없음)
• 대체재: HVOF WC-Co-Cr 코팅, HV 1100-1200 (내마모성 우수하나 비용은 3-4배 높음)

3. 미로 씰 구조 설계

3.1 씰 타입 선택

두 가지 주류 미로 씰 구조 비교:

| 구조 유형 | 개략도 | 누설량 (상대적) | 마찰 저항 | 비용 | 적용 분야 |

|----------|---------|-----------------|------------|------|-----------|

| 직통형 | 모든 이가 고정자 또는 회전자에 위치, 이 끝이 반대편 매끄러운 원통면을 향함 | 100% (기준) | 보통 | 낮음 | 저압 단계 (< 0.5 MPa), 축 진동 낮음 |

| 교차형 | 이가 고정자와 회전자에 교차 배치되어 "Z자형" 유로 형성, 가스 흐름 방향 여러 차례 전환 | 50-60% | 우수 (마찰 시 단일 단계 접촉, 에너지 분산) | 중간 | 권장! 중고압 단계 (> 0.5 MPa), 대형 장치 선호 |

크래커 가스 압축기 GB201 중간단 압력 0.3-1.2 MPa, 2, 3, 4단은 교차형 권장, 1단은 직통형 사용 권장.

3.2 이형상 및 간극 설계

이형상 설계 (스로틀 효과 결정):

• 이 끝 각도: 60° 이등변 삼각형 이 끝, 끝 반경 R ≤ 0.03 mm (강한 날카로운 모서리 효과, 최적의 스로틀 효과)
• 이 높이 H: H = 8-12 mm (이 끝의 기계적 강도 확보, 설치 시 파손 방지)
• 이 간격 P: P = 10-15 mm, 이 높이 H / 간격 P ≈ 0.6-0.8 (유로 내 합리적 "와류 사각지대" 비율)
• 이 개수 Z: 단계당 4-6개; 단계 전체 압력 강하 > 0.2 MPa 시 8개 이상 필요

간극 설계 (누설과 마찰 위험 균형):

• 직경 간극 2c (냉간 상태):
• 고속 단계 (> 6000 rpm, 축 직경 150-200 mm): 2c = 0.40-0.50 mm
• 중속 단계 (4000-6000 rpm, 축 직경 200-300 mm): 2c = 0.50-0.65 mm
• 고온 상태 간극 검증: 120℃ 작동 온도에서 슬리브(강철, 12×10⁻⁶) 팽창과 흑연 인서트(3.2×10⁻⁶) 팽창 비교 시, 고온 간극 변화는 -0.02 mm에 불과 (간극 사실상 변동 없음, "걸림" 현상 없음)
• 마찰 안전 여유: 냉간 간극 ≥ 정상 축 진동의 2.5배, ≥ 임계 속도 축 진동의 1.3배 (2c ≥ 1.3 × 85 μm ≈ 110 μm, 실제 400 μm 이상으로 매우 안전)

3.3 인서트 고정 방식

카본 그라파이트는 취성 재질로 나사산 가공 불가(파손 위험), 도브테일 홈 간섭 맞춤 사용:

• 고정자 링 내벽에 60° 도브테일 홈 가공 (홈 폭은 흑연 인서트 도브테일 바닥 폭보다 약간 작으며, 간섭 0.02-0.03 mm)
• 흑연 인서트를 상온에서 천천히 도브테일 홈에 압입 (압력 15 MPa, 속도 1 mm/s, 충격 방지)
• 양 끝은 스폿 용접된 추력 와셔로 고정 (용접점은 흑연에서 멀리 떨어져 열 영향 방지)
• 최종적으로 CNC 연삭기로 이 끝 원주 편차 ≤ 0.01 mm, 각 이 높이 차이 ≤ 0.005 mm 완성

4. Huahao Sealing 사례 연구

한 석유화학 그룹 산하 연간 80만 톤 에틸렌 플랜트의 크래커 가스 압축기(“세 개의 압축기” 중 하나)(GB201, Shengu 제조, 6단 원심, 4단 압축, 출력 15000 kW, 속도 8200 rpm, 48단 인터스테이지 미로 씰, 최대 매질 압력 2.5 MPa, 출구 온도 122℃)는 원래 6061 알루미늄 합금 미로 치를 사용했으며, 심각한 문제가 있었습니다:

1.빠른 치 마모: 1차 임계 속도(약 4200 rpm)를 지날 때마다 축 진동 75-80 μm, 알루미늄 치가 크롬 도금 슬리브와 강한 마찰을 일으켜, 15-20회 시동 정지 후 치 높이가 절반으로 마모되고, 미로 간극이 설계치 0.28 mm에서 0.7-0.9 mm로 확장됨

2.인터스테이지 누설 기준 초과: 플랜트 교정 누설률 2.8% (API 기준은 ≤ 1.5%), 시간당 에틸렌 및 기타 물질 누출 약 0.8 t, 연간 손실 약 1800만 위안

3.H₂S 부식: 크래커 가스에 H₂S 80-120 ppm 함유, 3단 저온 구간(52℃) 황동 미로 치가 탈아연 부식으로 인해 치가 취성화되고 파손됨(2017년 정비 시 7개 파손 치 발견)

2018년 대규모 정비 시, 48단 미로 씰 전부를 Huahao Sealing의 청동 함침 흑연 인서트 + 계단식 구조(2-4단) / 직통형(1단) + 도브테일 홈 인서트 + 재크롬 도금 슬리브 매칭 솔루션으로 완전 교체하였습니다:

• 누설: 정비 후 교정 누설률 0.9% (API 1.5% 기준보다 우수), 에틸렌 및 기타 물질 누출량 시간당 1.9 t 감소, 연간 물질 가치 절감 약 1200만 위안 (에틸렌 7500 위안/톤 기준)
• 씰 수명: 2018-2024년 동안 6회 시동 정지 경험(플랜트 전면 정비 2회 포함), 2024년 분해 검사 시 흑연 치 끝 평균 마모는 단지 0.012 mm(마모율 0.002 mm/회), 추가 4-6년 사용 가능(원래 알루미늄 치는 이미 4회 교체됨)
• 슬리브 보호: 각 단계 슬리브의 크롬 도금에 명확한 손상 없음, 거칠기 여전히 요구 사항 충족, 교체 불필요(원래 계획은 매 정비 시 슬리브 교체 필요, 약 380만 위안 예비 부품 비용 절감)

선택 핵심: 축 진동 크기가 치 재료를 결정(축 진동 > 50 μm는 경마찰 방지를 위해 흑연 인서트 필요), 매질 부식성에 따라 함침재 결정(H₂S 포함 시 청동 함침 선택), 인터스테이지 압력에 따라 구조 유형 결정(> 0.5 MPa는 계단식 선택), 냉간 간극은 축 진동의 2.5배로 설계함.