주요 내용 요약
1.PTFE 함침 카본 그라파이트 부싱은 5.0 MPa, 1,480 r/min 해수 환경에서 연간 약 0.005 mm 마모되며, 이는 구리 합금 대비 10분의 1 수준입니다.
2.동일 조건에서 알루미늄 황동 부싱은 PTFE 함침 카본 그라파이트보다 약 6배 빠르게 마모됩니다.
3.PTFE 함침 충진 비율이 94% 이상이며, 개방 기공률은 15.2%에서 0.6%로 감소했습니다. 해수 투과율은 1.2×10⁻⁸ cm/s 미만으로 염소 이온에 의한 부식 위험이 없습니다.
4.듀플렉스 스테인리스강 2205 슬리브의 PREN 값은 42.5이며, 55℃, 19,000 ppm Cl⁻ 해수에서 연간 부식률은 0.002 mm 미만으로 316L의 0.037 mm에 비해 매우 낮습니다.
5.개조 후 부싱 교체 주기가 보통 연 1회 이하로 줄어듭니다.
6.업그레이드 후 RO 공급수 내 Cu²⁺ 농도는 28 ppb에서 1 ppb 미만으로 감소했으며, 멤브레인 플럭스 감소율도 연 11.3%에서 5.8%로 개선되었습니다.
1. RO 담수화용 고압 펌프 부싱의 문제점
RO 기술은 전 세계 담수화 용량의 65% 이상을 차지합니다. RO 고압 펌프는 5.0–7.0 MPa의 토출 압력을 가지며, 부싱이 작동하는 환경은 매우 가혹합니다: Cl⁻ 농도 18,000–20,000 ppm, 모래 입자 <50 ppm, 압력 차 ΔP 4.5–5.5 MPa로 PV 값이 2.5–3.5 MPa·m/s에 달합니다.
Huahao Sealing이 2024년에 21개 플랜트를 대상으로 조사한 결과:
| 재질 | 평균 수명(개월) | 주요 고장 원인 |
|---|---|---|
| 주석 청동 ZCuSn10Pb1 | 2.3 | 부식-마모 72% |
| 알루미늄 황동 CuZn35Al2FeMn | 3.1 | 아연 탈취 65% |
| 316L + PTFE 라이너 | 4.8 | PTFE 냉유동 41% |
| 표준 수지 함침 카본 그라파이트 | 6.7 | 기공 내 수분 팽창 48% |
가장 심각한 문제는 구리 용출로, Cu²⁺ 농도가 15–45 ppb에 이르며, Cu²⁺가 10 ppb 이상일 때 3개월 내 RO 멤브레인의 염분 차단율이 3–5% 감소합니다.
2. PTFE 함침 카본 그라파이트 부싱의 재료 설계
2.1 카본 매트릭스
미세 입자 석유 코크스 카본: 집합체는 8 μm 이하의 소결 코크스, 개질된 피치와 그래핀 보강재 포함, 1,250℃ 소결 후 2,800℃ 흑연화 처리. 물성: 밀도 1.72 g/cm³, 개방 기공률 15.2%, 쇼어 경도 82, 압축 강도 215 MPa, 굽힘 강도 78 MPa.
2.2 3단계 함침-소결 공정
| 단계 | 공정 조건 | 충진율 |
|---|---|---|
| 1단계 진공 함침 + 소결 | PTFE 60%, 12 MPa, 380℃ × 4시간 | 약 65% |
| 2단계 진공 함침 + 소결 | PTFE 40% + 실란, 370℃ × 3시간 | 약 88% |
| 3단계 압력 함침 + 소결 | PTFE 25%, 18 MPa, 365℃ × 2시간 | 94% 이상 |
검증 결과: 개방 기공률 0.6%, 끓는 물 200시간 흡수율 0.12%, 크로스해치 등급 0, 6.5 MPa × 24시간 투과율 <1.2×10⁻⁸ cm/s.
2.3 마찰학 페어링 시험 (해수, 5 MPa × 2.5 m/s, 500시간)
| 상대 재료 | PTFE 함침 카본 그라파이트 마모 (mm/1000h) | 상대 재료 마모 | 마찰 계수 μ |
|---|---|---|---|
| 2205 DSS (Ra 0.2) | 0.0062 | 0.0018 | 0.052 |
| 2507 슈퍼 DSS | 0.0058 | 0.0014 | 0.055 |
| 316L | 0.0091 | 0.0145 | 0.068 |
| Hastelloy C-276 | 0.0053 | 0.0012 | 0.049 |
추천 조합: PTFE 함침 카본 그라파이트 + 2205 DSS가 비용 대비 성능이 가장 우수합니다.
3. 2205 DSS 슬리브 표면 공학
UNSM 나노결정화 처리: 깊이 20 μm, 나노 입자 크기 <50 nm, 경도 HV280에서 HV480으로 증가, 압축 잔류 응력 -650 MPa, 표면 거칠기 Ra 0.2에서 0.08 μm로 개선.
텅스텐 도핑 DLC 코팅 (두께 2–3 μm): 경도 HV2200, 건식 마찰 계수 μ=0.08, 스크래치 내력 Lc=68 N, 1,000시간 해수 노출 후 Lc=62 N 유지.
4. 개조 시 필수 점검 사항
- 듀플렉스 스틸 하우징과의 간섭 맞춤 및 수축 맞춤 온도 확인
- PTFE 함침 카본 그라파이트의 허용 PV 값에 따른 면 압축력 및 스프링 압력 검증
- 시운전 중 누수 및 부싱 온도 모니터링 후 정기 점검 항목에 포함
- 운전 시간 및 측정된 마모량을 기준으로 교체 주기 설정
5. 적용 범위
| 서비스 | 조건 | 권장 사항 | 수명 |
|---|---|---|---|
| RO HP 5–8 MPa | Cl⁻ ≤22,000 ppm, T ≤45°C | PTFE-카본 그라파이트+2205+DLC | >10년 |
| RO HP 5–8 MPa | T 45–60°C | PTFE-카본 그라파이트+2507+DLC | >10년 |
| 해수 취수 | Cl⁻ ≤20,000 ppm | PTFE-카본 그라파이트+2205 | 8–10년 |
| 염수 배출 | Cl⁻ ≤40,000 ppm | PTFE-카본 그라파이트+2507 | 6–8년 |
PTFE 함침 카본 그라파이트 부싱과 듀플렉스 스틸 슬리브 조합은 담수화 고압 펌프에 널리 사용되는 선택입니다.