- ▸대기-진공 증류 바텀 펌프는 350-380℃의 잔류유를 처리하며, 기존 수지 함침 카본 그라파이트는 300℃ 이상에서 탄화되어 고장 발생, 이에 따라 500℃까지 견디는 안티몬 함침 그라파이트가 필요함
- ▸고온에서는 씰 링 면의 액체막이 쉽게 기화되므로, API 682 플랜 23(냉각을 동반한 자체 순환) 또는 플랜 21+23 조합을 통해 씰 챔버 온도를 200℃ 이하로 유지해야 함
- ▸밸런스드 타입 구조(하중 계수 B=0.7-0.8)는 면 압력을 낮추며, SiC 상대재와 조합 시 서비스 수명이 12,000-16,000시간에 달함
- ▸Huahao Sealing은 시노펙 연간 800만 톤 대기-진공 유닛 개조 프로젝트에서 씰 수명을 4,000시간에서 14,000시간으로 연장함
- ▸선택 시 고려할 세 가지 요소는 매체 온도 구배, 고형 입자 함유량, 그리고 시동-정지 빈도로, 이들이 함침 유형과 플러시 플랜 조합을 결정함
바텀 펌프는 350–380℃의 잔류물을 이송하며, 수지 함침 카본 그라파이트는 300℃ 이상에서 탄화되므로 고온 오일 펌프 씰 재료는 거의 유일하게 안티몬 함침 그라파이트가 답이다. 그러나 재료는 해답의 3분의 1에 불과하다. 씰 링 면의 액체막은 고온에서 쉽게 플래싱되므로 API 682 플랜 23 자체 순환이 필요해 씰 챔버 온도를 낮추고, 밸런스드 타입 설계가 면 압력을 제어한다. 본 글은 정유 현장 사례를 바탕으로 재료, 구조, 플러시 플랜을 세 단계로 설명한다.
1. 운전 조건 및 고장 메커니즘
1.1 고온 잔류물 씰링 과제
대기-진공 바텀 펌프 매체는 "세 가지 고온 특성과 한 가지 함유" 특성을 보인다: 고온(350-380℃), 고점도(100-500 mm²/s), 고포화 증기압(플래싱 발생 용이), 그리고 고형 입자 함유(코크스 분말, 녹). 고온은 일반 카본 그라파이트의 함침 수지를 300℃ 이상에서 탄화시키며, 고점도는 면 마찰 토크를 증가시켜 열균열을 유발한다. 면에서의 압력 강하는 플래싱을 일으켜 막 윤활을 파괴하며, 코크스 입자가 씰 면에 침투해 마모를 가속화한다.
1.2 전형적인 고장 유형
현장 통계에 따르면 고온 오일 펌프 메커니컬 씰 고장의 70%는 세 가지 유형에 속한다: 그라파이트 링 표면 열균열(35%), 함침재 탄화 고장(22%), 스프링 피로 걸림(13%). 이 중 첫 두 가지는 카본 그라파이트 재료 선택과 직접 관련된다.
2. 재료 선택: 안티몬 함침 흑연
2.1 수지 함침을 사용하지 않는 이유
열경화성 수지 함침 흑연(페놀릭, 퓨란)은 장기 사용 온도 한계가 200-220℃이며, 단기적으로는 250℃까지 견딥니다. 350℃ 잔류유 환경에서는 수지 탄소화가 500-2000시간 내에 점진적으로 진행됩니다. 탄소화 후 부피가 8-12% 수축하고, 다공도는 2%에서 8% 이상으로 증가하며, 씰 면에서 침투 누설이 발생합니다.
2.2 안티몬 금속 함침의 장점
안티몬(Sb) 금속 함침 흑연은 온도 한계가 500℃(안티몬 융점 630℃)입니다. 함침 후 흑연의 다공도는 1% 미만으로 감소하며, 금속 함침층은 고온에서 분해되거나 수축하지 않아 장기적으로 안정적입니다. 안티몬의 열전도율(24 W/(m·K))은 수지(0.2 W/(m·K))보다 훨씬 높아 마찰열 방출에 도움을 줍니다.
Huahao Sealing의 M106D 안티몬 함침 흑연은 380℃ 잔류유 환경에서 수지 함침 M106K의 평균 수명이 4200시간인 반면, Sb 함침 M106D는 평균 13800시간으로 3.3배 수명이 향상되었습니다.
2.3 상대 재료 선택
고온 잔류유 환경에서는 카본 그라파이트와 실리콘 카바이드(SiC)를 조합합니다. SiC의 열전도율은 120-150 W/(m·K)로 경합금의 3배에 달하며, 마찰열을 신속히 전달합니다. 알루미나 세라믹(열전도율 30 W/(m·K)만 해당)은 고온에서 열응력 균열이 발생하기 쉬우므로 피해야 합니다.
3. 구조 설계 포인트
3.1 균형 하중 계수
고온 환경에서는 하중 계수 B가 0.7-0.8인 균형형 구조를 사용해야 합니다. 비균형형(B≥1)은 350℃ 잔류유에서 씰 면의 국부 압력이 과도하게 증가하여 고온에서 얇아진 윤활막을 밀어내고 건식 마찰을 유발합니다.
3.2 스프링 대신 금속 벨로우즈
고온 유체 펌프에는 기존의 원통형 나선 스프링 대신 Inconel 718 금속 벨로우즈를 권장합니다. 벨로우즈는 탄성 요소이자 보조 씰 역할을 하여 O-링(FKM O-링은 350℃에서 2000-3000시간만 견딤)을 제거하고, 전체 온도 저항성을 400℃ 이상으로 향상시킵니다.
4. 플러시 계획: API 682 Plan 23
4.1 Plan 23 자체 순환 냉각
Plan 23은 고온 유체 펌프에 적합한 솔루션으로, 매체를 씰 챔버에서 끌어내어 냉각기에서 200℃ 이하로 냉각한 후 다시 씰 챔버로 되돌려 닫힌 루프를 형성합니다. 냉각수 소비량은 약 0.5-1.0 m³/h이며, 챔버 온도를 350℃에서 180-200℃로 낮춰 증발 위험을 근본적으로 제거합니다.
4.2 Plan 21+23 조합
입자 함량이 높은 진공 잔류유의 경우, Plan 21(펌프 토출구에서 깨끗한 왁스 오일을 오리피스를 통해 감압 후 씰 챔버에 주입)과 Plan 23을 병렬로 운용하는 이중 플러시 계획으로 냉각과 입자 차단을 동시에 수행합니다.
5. Huahao Sealing 사례 연구
시노펙 연간 800만 톤 대기-진공 유닛 하부 펌프(유량 450 m³/h, 온도 365℃, 코크스 분말 함유 매체)는 원래 수명이 평균 4000시간인 수입 브랜드 메커니컬 씰을 사용했으며, 연간 3회 누출로 인한 가동 중단이 발생했습니다. 2019년 Huahao Sealing의 M106D + SiC + 인코넬 벨로우즈 + Plan 23 솔루션으로 교체한 후 평균 수명이 14000시간에 도달했습니다. 4년간 누적 56000시간 동안 단 4세트의 씰만 교체되어 약 80만 위안의 예비 부품 비용을 절감했습니다.
선택 시 세 가지 요소를 고려해야 합니다: 매체 온도 구배, 입자 함량, 그리고 시동-정지 빈도입니다. 큰 온도 변화에는 벨로우즈가 유리하며, 입자 함량이 높을 경우 Plan 21+23이 적합합니다. 빈번한 시동과 정지 시에는 접촉면의 단위 압력을 0.3-0.4 MPa로 낮추는 것이 좋습니다.