แทรกแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์แบบเขาวงกตสำหรับเครื่องอัดแรงเหวี่ยง: เครื่องอัดแก๊ส Cracker ที่ 120℃/2.5 MPa สำหรับแก๊สผสม H₂/CH₄/C₂H₄

เครื่องอัดแก๊สแบบแรงเหวี่ยงเป็นอุปกรณ์หมุนหลักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี การแปรสภาพก๊าซธรรมชาติ และอุตสาหกรรมอื่น ๆ แหวนซีลเขาวงกบ (หรือที่เรียกว่า ซีลแบบฟันหวี) เป็นซีลแบบไม่สัมผัสที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการใช้งานระหว่างขั้นและปลายเพลาในเครื่องอัดแก๊ส หลักการคือสร้างแรงดันลดแบบอัตราควบคุมผ่านช่องว่างขนาดเล็กระหว่างฟันเขาวงกบหลายขั้นกับโรเตอร์ เพื่อใช้พลังงานจลน์ของแก๊สทีละขั้น ลดการรั่วไหล อย่างไรก็ตาม ฟันเขาวงกบอลูมิเนียมและทองเหลืองแบบดั้งเดิมมักเกิดการเสียดสีอย่างรุนแรงเมื่อมีการสั่นสะเทือนของโรเตอร์และการจัดแนวผิดพลาด ส่งผลให้ฟันสึกหรออย่างรวดเร็ว ช่องว่างเขาวงกบขยายตัวอย่างรวดเร็ว และการรั่วไหลเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ บทความนี้อ้างอิงจากประสบการณ์การใช้งานของ Huahao Sealing ใน 霍邱县 Huoqiu County กับเครื่องอัดแก๊สแรงเหวี่ยงขนาดใหญ่หลายเครื่อง เช่น เครื่องอัดแก๊สแยกเอทิลีนและเครื่องอัดแก๊สฉีดก๊าซธรรมชาติ แนะนำจุดสำคัญในการเลือกใช้แหวนซีลเขาวงกบแทรกคาร์บอนกราไฟต์

1. ลักษณะการให้บริการ

1.1 พารามิเตอร์ทั่วไปของเครื่องอัดแก๊สแครกเกอร์

• ตัวกลาง: แก๊สแครกเกอร์ (H₂ 28-32%, CH₄ 18-22%, C₂H₄ 22-28%, C₃+ 10-15%, CO 2-4%, ร่องรอย H₂S และความชื้น)
• ช่วงความดัน: ระหว่างขั้นตอน 0.3-1.2 MPa, ทางออก 2.5 MPa
• ช่วงอุณหภูมิ: ทางเข้าขั้นตอนแรก 38-45℃, ทางออกขั้นตอนที่สี่ 110-125℃
• ความเร็ว: 6800-8500 รอบต่อนาที (ขับเคลื่อนด้วยเกียร์เพิ่มความเร็ว)
• การสั่นสะเทือนของเพลา: ปกติ 25-40 μm, เมื่อผ่านความเร็ววิกฤติ 60-85 μm (ค่าปลุกเตือน API 617 คือ 90 μm, ค่าตัดการทำงาน 120 μm)

1.2 การวิเคราะห์รูปแบบความเสียหาย

สถิติความเสียหายของฟันเขาวงกบอลูมิเนียม/ทองเหลืองแบบดั้งเดิม:

1.การสึกหรอจากการเสียดสี (65%): การสั่นสะเทือนของเพลาเพิ่มขึ้น (> 60 μm) เมื่อโรเตอร์ผ่านความเร็ววิกฤติหรือภายใต้ภาระกระทันหัน เกิดการเสียดสีอย่างรุนแรงระหว่างฟันกับปลอก ฟันอลูมิเนียม (HB 95) เสียดสีกับปลอกชุบโครม (HV 900) เหมือน "ไข่กระทบหิน" ความสูงของฟันสึกหรอ 0.1-0.2 มม. ในการผ่านความเร็ววิกฤติครั้งเดียว ระยะห่างในเขาวงกบเพิ่มเป็นสองเท่าทุก 3-4 เดือน

2.การกัดกร่อนจากแก๊ส (20%): ร่องรอย H₂S (30-200 ppm) + ความชื้นในแก๊สแครกเกอร์ เกิดการควบแน่นเป็นสารละลาย H₂S ในส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำ ฟันทองเหลือง (Cu-Zn) เกิดการกัดกร่อนแบบลดสังกะสี ความแข็งแรงของฟันลดลงและเกิดรอยร้าวเปราะ

3.การเสียรูปจากความร้อน (10%): ในส่วนที่มีอุณหภูมิสูง (> 100℃) ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของฟันอลูมิเนียม (23×10⁻⁶/℃) มากกว่าของเปลือกเหล็กกล้าคาร์บอน (12×10⁻⁶/℃) อย่างมาก ระยะห่างที่ออกแบบไว้ถูก "ใช้ไป" และเกิดการเสียดสีอย่างต่อเนื่อง

4.ระยะห่างการติดตั้งไม่สม่ำเสมอ (5%): การวัดระยะห่างของฟันแต่ละซี่ด้วยเกจวัดแบบแมนนวลมีค่าคลาดเคลื่อน ±0.05 มม. ระยะห่างฟันในบางตำแหน่งเล็กเกินไปทำให้เกิดการเสียดสีเร็วเกินไป

2. การเลือกวัสดุแทรกคาร์บอนกราไฟต์

2.1 การเปรียบเทียบข้อได้เปรียบของคาร์บอนกราไฟต์

| คุณสมบัติ | อะลูมิเนียม 6061-T6 | ทองเหลือง H62 | สแตนเลส 316L | กราไฟต์อัดซึมบรอนซ์ |

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

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

| ส่วนที่เสียหายจากการเสียดสี | ฟันอะลูมิเนียมสึกหรอ | ฟันทองเหลืองสึกหรอ | สแตนเลสทำลายปลอก! | กราไฟต์สึกหรอ ปลอกยังสมบูรณ์ |

| ความต้านทานการกัดกร่อน H₂S | ปานกลาง (เกิดหลุม) | ต่ำ (เกิดการสลายสังกะสี) | ดี | ยอดเยี่ยม (กราไฟต์ไม่ถูกกัดกร่อนโดย H₂S) |

| ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน | 23×10⁻⁶ | 20×10⁻⁶ | 17×10⁻⁶ | 3.2×10⁻⁶ (ใกล้เคียงกับเหล็ก) |

| การหล่อลื่นตัวเอง | ไม่มี | ไม่มี | ไม่มี | ยอดเยี่ยม (หล่อลื่นตัวเองอย่างแข็งแรง มีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง) |

| ความแม่นยำในการกลึง | ±0.02 มม. | ±0.02 มม. | ±0.03 มม. | ±0.005 มม. (ความแม่นยำเครื่องเจียร CNC) |

| อายุการใช้งาน (แหวนเขาวงกต) | 3-6 เดือน | 4-8 เดือน | 1-2 ปี | 4-6 ปี |

2.2 คาร์บอนกราไฟต์อัดซึมบรอนซ์ของ Huahao Sealing

วัสดุเฉพาะสำหรับแทรกแหวนซีลเขาวงกต:

• วัสดุฐาน: กราไฟต์ไอโซสแตติกเม็ดละเอียด (ขนาดเม็ด 8 μm, ความหนาแน่น 1.82 ก./ซม.³)
• สารอัดซึม: บรอนซ์ดีบุก CuSn10 (การอัดซึมแบบสุญญากาศและแรงดัน, อัตราการอัดซึม ≥ 95%, รูพรุนคงเหลือ < 1%)
• คุณสมบัติสำคัญ:
• ความต้านแรงอัด 260 MPa, ความต้านแรงดัด 72 MPa, ความแข็ง Shore HS 80
• การนำความร้อน 85 W/m·K (ความร้อนจากการเสียดสีถูกนำออกอย่างรวดเร็ว ป้องกันการเกิดออกซิเดชันของกราไฟต์)
• ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน 3.2×10⁻⁶/℃ (จับคู่กับเหล็กกล้าคาร์บอน 12×10⁻⁶, ช่องว่างเพิ่มขึ้นแทนที่จะลดลงที่อุณหภูมิสูง)
• อุณหภูมิออกซิเดชัน: ≤ 450℃ ในอากาศ (สูงกว่าการใช้งานในก๊าซแตกตัวที่ 125℃ อย่างมาก)
• ความต้านทานสารเคมี: เสถียรเต็มที่ใน H₂S, CO, อัลคีน, อัลเคน; สารอัดซึมบรอนซ์ทนต่อการกัดกร่อน H₂S เล็กน้อย (ไม่มีผลกระทบที่ความเข้มข้น H₂S < 500 ppm)

2.3 ข้อกำหนดปลอกโรเตอร์

โซลูชันแทรกคาร์บอนกราไฟต์ต้องจับคู่กับปลอกที่มีความแข็งสูง:

• พื้นผิวปลอก: ชุบโครเมียมแข็งหนา 0.10-0.15 มม., ความแข็งชุบ HV 850-950, ความหยาบผิว R_a ≤ 0.20 μm
• ข้อกำหนดการชุบ: แรงยึดเกาะระหว่างชั้นชุบโครเมียมกับวัสดุฐาน ≥ 60 MPa, ไม่มีรอยแตกร้าวเล็กๆ (ตรวจสอบด้วยการกัดกร่อนไฟฟ้าไม่มีรอยแตก)
• ทางเลือกอื่น: เคลือบ HVOF WC-Co-Cr, HV 1100-1200 (ทนการสึกหรอมากกว่าแต่มีต้นทุนสูงกว่า 3-4 เท่า)

3. การออกแบบโครงสร้างแหวนซีลแบบเขาวงกต

3.1 การเลือกประเภทแหวนซีล

การเปรียบเทียบโครงสร้างแหวนซีลแบบเขาวงกตสองแบบหลัก:

| ประเภทโครงสร้าง | แผนภาพ | การรั่วไหล (สัมพัทธ์) | ความต้านทานการเสียดสี | ต้นทุน | การใช้งาน |

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

| แบบตรงผ่าน | ฟันทั้งหมดอยู่บนสเตเตอร์หรือโรเตอร์ทั้งหมด ปลายฟันชี้ไปยังพื้นผิวทรงกระบอกเรียบตรงข้าม | 100% (ฐานเปรียบเทียบ) | ปานกลาง | ต่ำ | ขั้นตอนความดันต่ำ (< 0.5 MPa), แกนหมุนสั่นสะเทือนต่ำ |

| แบบสลับฟัน | ฟันจัดเรียงสลับกันบนสเตเตอร์และโรเตอร์ สร้างเส้นทางการไหลรูปตัว "Z" ทิศทางการไหลของก๊าซเปลี่ยนหลายครั้ง | 50-60% | ดีเยี่ยม (สัมผัสเพียงขั้นตอนเดียวในขณะเสียดสี พลังงานกระจาย) | ปานกลาง | แนะนำ! ขั้นตอนความดันปานกลางถึงสูง (> 0.5 MPa), เหมาะกับเครื่องจักรขนาดใหญ่ |

สำหรับเครื่องอัดก๊าซ Cracker GB201 ความดันระหว่างขั้นตอน 0.3-1.2 MPa, แนะนำให้ขั้นตอนที่ 2, 3, 4 ใช้แบบสลับฟัน และขั้นตอนที่ 1 ใช้แบบตรงผ่าน

3.2 การออกแบบรูปฟันและช่องว่าง

การออกแบบรูปฟัน (กำหนดผลการอุดกั้น):

• มุมปลายฟัน: ฟันสามเหลี่ยมหน้าจั่ว 60° รัศมีปลายฟัน R ≤ 0.03 mm (มีผลขอบคมชัดเจน ให้ผลการอุดกั้นที่ดีที่สุด)
• ความสูงฟัน H: H = 8-12 mm (รับประกันความแข็งแรงทางกลของปลายฟัน ป้องกันการแตกหักขณะติดตั้ง)
• ระยะห่างฟัน P: P = 10-15 mm, อัตราส่วนความสูงฟัน H ต่อระยะห่าง P ≈ 0.6-0.8 (สัดส่วน "โซนวนซ้ำ" ในช่องทางไหลเหมาะสม)
• จำนวนฟัน Z: 4-6 ฟันต่อขั้นตอน; เมื่อความดันตกคร่อมขั้นตอนรวม > 0.2 MPa ต้องใช้ฟัน 8 ตัวขึ้นไป

การออกแบบช่องว่าง (สมดุลระหว่างการรั่วไหลและความเสี่ยงการเสียดสี):

• ช่องว่างเส้นผ่านศูนย์กลาง 2c (สภาพเย็น):
• ขั้นตอนความเร็วสูง (> 6000 รอบ/นาที, เส้นผ่านศูนย์กลางแกน 150-200 mm): 2c = 0.40-0.50 mm
• ขั้นตอนความเร็วกลาง (4000-6000 รอบ/นาที, เส้นผ่านศูนย์กลางแกน 200-300 mm): 2c = 0.50-0.65 mm
• การตรวจสอบช่องว่างสภาพร้อน: ที่อุณหภูมิทำงาน 120℃ การขยายตัวของปลอก (เหล็ก, 12×10⁻⁶) เทียบกับการขยายตัวของแทรกกราไฟต์ (3.2×10⁻⁶) ช่องว่างสภาพร้อนเปลี่ยนเพียง -0.02 mm (ช่องว่างแทบไม่เปลี่ยนแปลง ไม่มีปัญหา "ติดขัด")
• ระยะปลอดภัยจากการเสียดสี: ช่องว่างสภาพเย็น ≥ 2.5 เท่าของการสั่นสะเทือนแกนปกติ, ≥ 1.3 เท่าของการสั่นสะเทือนแกนที่ความเร็ววิกฤติ (2c ≥ 1.3 × 85 μm ≈ 110 μm, ค่าจริง 400+ μm ปลอดภัยมาก)

3.3 วิธีการยึดแทรก

คาร์บอนกราไฟต์เปราะ ไม่สามารถทำเกลียวได้ (แตกง่าย) จึงใช้ การยึดแบบร่องหางนกอินทรีแบบรัดแน่น:

• ผนังด้านในของแหวนสเตเตอร์กลึงร่องหางนกอินทรี 60° (ความกว้างร่องเล็กกว่าความกว้างฐานร่องหางนกอินทรีของแทรกกราไฟต์เล็กน้อย มีการรัดแน่น 0.02-0.03 mm)
• แทรกกราไฟต์ถูกกดเข้าไปในร่องหางนกอินทรีอย่างช้าๆ ที่อุณหภูมิห้อง (แรงกด 15 MPa ความเร็ว 1 mm/s หลีกเลี่ยงแรงกระแทก)
• ทั้งสองปลายยึดด้วยแหวนรองแรงดันเชื่อมจุด (จุดเชื่อมห่างจากกราไฟต์เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบความร้อน)
• สุดท้ายใช้เครื่องเจียร CNC ปรับแต่งความคลาดเคลื่อนรัศมีปลายฟัน ≤ 0.01 mm ความแตกต่างความสูงฟันแต่ละตัว ≤ 0.005 mm

4. กรณีศึกษาของ Huahao Sealing

โรงงานเอทิลีนขนาด 800,000 ตันต่อปี ภายใต้กลุ่มปิโตรเคมี เครื่องอัดแก๊สของเครื่องแตกตัว (หนึ่งใน "เครื่องอัดสามเครื่อง") (GB201 ผลิตโดย Shengu, แบบแรงเหวี่ยง 6 ขั้นตอน, การอัด 4 ขั้นตอน, กำลัง 15,000 กิโลวัตต์, ความเร็ว 8,200 รอบต่อนาที, แหวนซีลแบบเขาวงกบ 48 ขั้นตอนระหว่างชั้น, ความดันกลางสูงสุด 2.5 MPa, อุณหภูมิทางออก 122℃) เดิมใช้ฟันเขาวงกบอลูมิเนียมอัลลอย 6061 แต่พบปัญหาหนัก:

1.ฟันสึกหรออย่างรวดเร็ว: ทุกครั้งที่ผ่านความเร็ววิกฤตอันดับ 1 (ประมาณ 4,200 รอบต่อนาที) เพลาสั่นสะเทือน 75-80 μm ฟันอลูมิเนียมเสียดสีกับปลอกโครเมียมแข็ง หลังจาก เริ่ม-หยุด 15-20 ครั้ง ความสูงฟันสึกหรอลงครึ่งหนึ่ง ระยะห่างเขาวงกบขยายจากออกแบบ 0.28 มม. เป็น 0.7-0.9 มม.

2.การรั่วไหลระหว่างชั้นเกินมาตรฐาน: การสอบเทียบโรงงานรั่วไหล 2.8% (มาตรฐาน API ต้องไม่เกิน 1.5%) การรั่วไหลเอทิลีนและวัสดุอื่นประมาณ 0.8 ตันต่อชั่วโมง ขาดทุนประจำปีประมาณ 18 ล้านหยวน

3.การกัดกร่อนจาก H₂S: แก๊สแตกตัวมี H₂S 80-120 ppm ฟันเขาวงกบทองเหลืองในส่วนอุณหภูมิต่ำขั้นที่ 3 (52℃) เกิดการกัดกร่อนแบบดีซิงค์ฟิเคชัน ฟันเปราะและแตก (พบฟันแตก 7 ชิ้นในระหว่างซ่อมใหญ่ปี 2017)

ในระหว่างการซ่อมใหญ่ปี 2018 แหวนซีลเขาวงกบทั้ง 48 ขั้นตอนถูกเปลี่ยนใหม่ทั้งหมดด้วยโซลูชันของ Huahao Sealing คือ แทรกกราไฟต์อัดซึมด้วยบรอนซ์ + โครงสร้างแบบสลับชั้น (ขั้นที่ 2-4) / แบบตรงผ่าน (ขั้นที่ 1) + แทรกแบบร่องหางนก + ปลอกโครเมียมที่เข้าคู่กัน:

• การรั่วไหล: หลังซ่อมใหญ่สอบเทียบได้ 0.9% (ดีกว่ามาตรฐาน API 1.5%) การรั่วไหลเอทิลีนและวัสดุอื่นลดลง 1.9 ตันต่อชั่วโมง มูลค่าวัสดุประหยัดได้ประมาณ 12 ล้านหยวนต่อปี (เอทิลีนราคา 7,500 หยวน/ตัน)
• อายุการใช้งานของซีล: ช่วงปี 2018-2024 ผ่านการเริ่ม-หยุด 6 ครั้ง (รวมการซ่อมใหญ่โรงงาน 2 ครั้ง) การตรวจสอบหลังรื้อในปี 2024 พบการสึกหรอเฉลี่ยที่ปลายฟันกราไฟต์เพียง 0.012 มม. (อัตราสึกหรอ 0.002 มม./ครั้ง) ใช้งานได้อีก 4-6 ปีดี (ฟันอลูมิเนียมเดิมเปลี่ยนไปแล้ว 4 รอบ)
• การปกป้องปลอก: การชุบโครเมียมบนปลอกแต่ละขั้นตอนไม่มีความเสียหายชัดเจน ความหยาบยังคงเป็นไปตามข้อกำหนด ไม่ต้องเปลี่ยน (แผนเดิมทุกซ่อมใหญ่ต้องเปลี่ยนปลอก ประหยัดค่าอะไหล่ประมาณ 3.8 ล้านหยวน)

แกนการเลือก: ขนาดการสั่นสะเทือนของเพลากำหนดวัสดุฟัน (เพลาสั่น > 50 μm ต้องใช้แทรกกราไฟต์เพื่อหลีกเลี่ยงการเสียดสีแข็ง), ความกัดกร่อนของตัวกลางกำหนดการอัดซึม (มี H₂S เลือกการอัดซึมด้วยบรอนซ์), ความดันระหว่างชั้นกำหนดชนิดโครงสร้าง (> 0.5 MPa เลือกแบบสลับชั้น), ระยะห่างเย็นออกแบบเป็น 2.5 เท่าของการสั่นสะเทือนเพลา.