- ▸암모니아 합성 장치의 카바메이트 펌프와 액체 암모니아 펌프는 NH₃ + CO₂ + H₂O가 결합하여 pH 10-11의 카바우 액체를 형성하며, 이는 구리 합금과 플루오로고무에 강한 부식을 일으킴
- ▸카본 그라파이트 씰은 퓨란 수지 함침 그래파이트(NH₃ 부식 저항성)를 사용해야 하며, 구리를 포함한 배빗 금속 함침 그래파이트는 피해야 함
- ▸고압 서비스(15-25 MPa)에는 매체 압력보다 0.2-0.3 MPa 높은 배리어 유체 압력을 가진 탠덤 더블 메커니컬 씰이 필요함
- ▸배리어 유체는 ISO VG 46 내마모성 유압유를 사용하며, 다이어프램 펌프로 압력을 안정화하여 NH₃ 대기 누출을 방지함
- ▸Huahao Sealing은 30만 톤/년 암모니아 합성 플랜트 개조에서 카바메이트 펌프 씰 수명을 2000시간에서 8000시간으로 연장함
암모니아 합성 장치의 카바메이트 펌프와 액체 암모니아 펌프는 암모니아(NH₃), 이산화탄소(CO₂), 물을 포함하는 매체를 이송하며, 강한 부식을 일으키는 카바우 액체(암모늄 카바메이트 용액)를 형성합니다. Huahao Sealing이 윤톈화(Yuntianhua)와 신롄신(Xinlianxin) 비료 공장에서 쌓은 서비스 경험을 바탕으로, 본 글에서는 NH₃ 매체 서비스용 카본 그라파이트 씰 선택에 대해 소개합니다.
1. 서비스 특성
카바메이트 펌프는 70-90℃, 15-25 MPa, pH 10-11의 암모늄 카바메이트 수용액을 이송하며, 구리 합금과 플루오로고무에 강한 부식을 일으킵니다. 액체 암모니아 펌프는 -33℃에서 +40℃ 범위의 액체 암모니아를 1.5-3.0 MPa 압력으로 이송하며, 액체 암모니아 점도는 0.25 mPa·s로(물의 4분의 1 수준) 페이스 필름이 매우 쉽게 파괴됩니다.
고장 통계: 함침재 부식 손실 38%, O-링 팽창 25%, 스프링 부식 피로 18%, 페이스 열균열 12%. 이 중 처음 세 가지는 재료 선택과 직접 관련이 있습니다.
2. 재료 선택
2.1 퓨란 수지 함침 그래파이트
NH₃ 매체에는 퓨란 수지 함침 그래파이트 M106K를 권장하며, 우수한 알칼리 저항성을 갖고 pH 10-11 카바메이트 용액에서 장기간 안정적이며, 허용 온도는 200℃입니다. 비교 시험 결과, 퓨란 함침 그래파이트를 80℃ 카바메이트 용액에 1000시간 담근 후 기공률은 1.8%에서 2.1%로 소폭 상승한 반면, 페놀 수지 함침 그래파이트는 4.5%까지 상승하여 씰 요구 조건을 충족하지 못했습니다.
2.2 금지 재료
안티몬 금속 함침 그래파이트는 NH₃에서 착물 용해가 발생하여 3개월 내 40% 손실되므로 피해야 하며, 구리를 포함한 배빗 금속 함침 그래파이트도 암모니아에서 구리가 빠르게 부식되므로 사용하지 않아야 합니다.
2.3 상대 재료
소결 실리콘 카바이드(SSiC)를 권장하며, 반응 결합 SiC보다 부식 저항성이 우수하고 열전도율은 120 W/(m·K)입니다. 경질 금속(코발트 바인더)은 암모니아에서 선택적 부식이 발생하므로 피해야 합니다.
3. 탠덤 더블 씰 구조
카바메이트 펌프의 고압 서비스에는 탠덤 더블 메커니컬 씰을 사용합니다. 내부 씰은 매체 압력을 견디고, 외부 씰은 배리어 유체 압력을 견뎌 내부 씰이 고장 나더라도 외부 씰이 NH₃ 대기 누출을 차단합니다.
배리어 유체 압력은 매체 압력보다 0.2-0.3 MPa 높아 매체 측 페이스에 역압 차를 보장합니다. 배리어 유체는 ISO VG 46 내마모성 유압유를 사용하며, 다이어프램 펌프로 압력을 안정화하여 ±0.05 MPa 이내로 유지합니다.
O-링은 NH₃ 저항성이 뛰어난 Aflas 또는 Kalrez를 사용해야 하며, FKM보다 우수합니다. FKM은 액체 암모니아에서 500시간 내 15% 팽창하는 반면, Aflas는 1000시간 내 2% 미만으로 팽창합니다.
4. 액체 암모니아 펌프 극저온 보완
액체 암모니아 펌프에는 AM350 반경화 스테인리스강 벨로우즈를 권장하며, 인코넬 718은 저온에서 탄성 계수 저하로 인해 피해야 합니다. 벨로우즈는 O-링이 필요 없으므로 저온 취성 문제를 방지합니다. 접촉면의 특정 압력은 0.3-0.4 MPa(표준 0.5-0.6 MPa)로 낮춰 저점도 액체 암모니아 필름의 압출을 방지합니다.
5. Huahao Sealing 사례 연구
연간 30만 톤 암모니아 합성 설비의 카바메이트 펌프(유량 12 m³/h, 압력 22 MPa, 온도 85℃)는 원래 수입 브랜드 씰을 사용하여 평균 수명이 2000시간이었습니다. 2020년 Huahao Sealing의 M106K + SSiC + Aflas + 텐덤 분할 링 + 다이어프램 펌프 배리어 유체 솔루션으로 교체한 후 평균 수명이 8000시간으로 연장되어 3년간 약 45만 위안의 예비 부품 비용을 절감하고 NH₃ 누출 위험을 제거하였습니다.
세 가지 선택 요인: 매체의 pH는 함침제를 결정하며(알칼리성은 퓨란 사용), 압력 등급은 구조를 결정하고(고압은 텐덤 분할 링 사용), 온도 범위는 보조 씰을 결정합니다(극저온은 Aflas/벨로우즈 사용).