- ▸Насосы карбамата и насосы жидкого аммиака в установках синтеза аммиака работают в тяжелых условиях: NH₃ + CO₂ + H₂O образуют жидкость Карбо, с pH 10-11, которая сильно корродирует медные сплавы и фторкаучук.
- ▸Уплотнительные кольца из углеродного графита должны использовать графит с пропиткой фурановой смолой (стойкий к коррозии NH₃); следует избегать графита с металлической пропиткой баббитом, содержащим медь.
- ▸Для работы под высоким давлением (15-25 МПа) требуются тандемные двойные торцевые уплотнения с давлением барьерной жидкости на 0,2-0,3 МПа выше давления среды.
- ▸В качестве барьерной жидкости используется гидравлическое масло ISO VG 46 с противоизносными свойствами, с подпиткой, стабилизируемой по давлению диафрагменным насосом, чтобы предотвратить утечку NH₃ в атмосферу.
- ▸Huahao Sealing увеличила срок службы уплотнений насосов карбамата с 2000 до 8000 часов при реконструкции завода по синтезу аммиака мощностью 300000 тонн в год.
Насосы карбамата и насосы жидкого аммиака в установках синтеза аммиака перекачивают среды, содержащие аммиак (NH₃), углекислый газ (CO₂) и воду, образующие сильно коррозионную жидкость Карбо (раствор карбамата аммония). Опираясь на опыт Huahao Sealing на удобрительных заводах Yuntianhua и Xinlianxin, в этой статье рассматривается выбор уплотнительных колец из углеродного графита для работы с NH₃.
1. Характеристики эксплуатации
Насосы карбамата перекачивают водный раствор карбамата аммония при 70-90℃, 15-25 МПа, pH 10-11, который сильно корродирует медные сплавы и фторкаучук. Насосы жидкого аммиака перекачивают жидкий аммиак при температуре от -33℃ до +40℃ и давлении 1,5-3,0 МПа; вязкость жидкого аммиака всего 0,25 мПа·с (четверть вязкости воды), что делает пленку на рабочих поверхностях очень легкоразрушаемой.
Статистика отказов: коррозионные потери пропитки (38%), разбухание уплотнительных колец (25%), коррозионная усталость пружин (18%), термические трещины на рабочих поверхностях (12%). Первые три причины напрямую связаны с выбором материалов.
2. Выбор материалов
2.1 Графит с пропиткой фурановой смолой
Для работы с NH₃ предпочтителен графит с пропиткой фурановой смолой M106K, обладающий отличной щелочестойкостью, стабильный при длительной эксплуатации в растворе карбамата с pH 10-11, температурный предел 200℃. Сравнительные испытания: графит с фурановой пропиткой, погруженный в раствор карбамата при 80℃ в течение 1000 часов, увеличил пористость лишь с 1,8% до 2,1%; графит с фенольной пропиткой увеличил пористость до 4,5%, что уже не соответствует требованиям к уплотнениям.
2.2 Запрещенные материалы
Следует избегать графита с металлической пропиткой сурьмой (сурьма подвергается комплексному растворению в NH₃, теряя 40% массы за 3 месяца) и графита с пропиткой баббитом, содержащим медь (медь быстро корродирует в аммиаке).
2.3 Материал сопряженной поверхности
Рекомендуется использовать спеченный карбид кремния (SSiC), обладающий лучшей коррозионной стойкостью по сравнению с реакционно-связанным SiC и теплопроводностью 120 Вт/(м·К). Следует избегать твердых сплавов с кобальтовым связующим, так как кобальт подвергается селективной коррозии в аммиаке.
3. Конструкция тандемного двойного уплотнения
Для работы насосов карбамата под высоким давлением применяются тандемные двойные торцевые уплотнения: внутреннее уплотнение выдерживает давление среды, внешнее — давление барьерной жидкости. Даже при выходе из строя внутреннего уплотнения внешнее препятствует утечке NH₃ в атмосферу.
Давление барьерной жидкости превышает давление среды на 0,2-0,3 МПа, обеспечивая обратный перепад давления на рабочей поверхности со стороны среды. В качестве барьерной жидкости используется гидравлическое масло ISO VG 46 с противоизносными свойствами, подпитка стабилизируется по давлению диафрагменным насосом, колебания давления не превышают ±0,05 МПа.
Уплотнительные кольца должны быть из Aflas или Kalrez, обладающих лучшей стойкостью к NH₃, чем FKM. FKM разбухает на 15% в жидком аммиаке за 500 часов; Aflas разбухает менее чем на 2% за 1000 часов.
4. Криогенное дополнение для насоса жидкого аммиака
Для насосов жидкого аммиака рекомендуется использовать полутвердые нержавеющие стальные сильфоны AM350, избегая Inconel 718 (из-за снижения модуля упругости при низких температурах). Сильфоны не требуют уплотнительных колец O-образного сечения, что исключает хрупкость при низких температурах. Давление на рабочей поверхности снижается до 0,3-0,4 МПа (стандарт 0,5-0,6 МПа), предотвращая выдавливание пленки низковязкого жидкого аммиака.
5. Кейсовое исследование Huahao Sealing
На аммиачном синтезном участке удобрительного завода с производительностью 300000 тонн в год насос карбамата (расход 12 м³/ч, давление 22 МПа, температура 85℃) изначально использовал импортное уплотнение со средним сроком службы 2000 часов. После перехода в 2020 году на решение Huahao Sealing с материалами M106K + SSiC + Aflas + тандемное двойное уплотнение + барьерная жидкость диафрагменного насоса средний срок службы увеличился до 8000 часов, что позволило сэкономить около 450000 CNY на запасных частях за 3 года и исключить опасность утечки NH₃.
Три фактора выбора: pH среды определяет тип пропитки (щелочная среда — фурановая пропитка), рабочее давление определяет конструкцию (высокое давление — тандемное двойное уплотнение), температурный диапазон определяет вспомогательное уплотнение (криогенное — Aflas/сильфоны).