การเกิดตุ่มพองและการรั่วซึมของผิวแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึมด้วยเรซินในไอน้ำอิ่มตัวที่ 220°C — กลไกการเกิดตุ่มพองและเมทริกซ์การเลือกประเภทการอัดซึม

ข้อสรุปสำคัญ

1.ในไอน้ำอิ่มตัวที่ 220°C (ความดันอิ่มตัว 2.32 MPa) แหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึมด้วยฟีนอลิกมีอัตราการเกิดบลิสเตอร์ 38% โดยเฉลี่ยเกิดบลิสเตอร์ขนาด 0.5–2 มม. หลังใช้งาน 1,470 ชั่วโมง ฟูราน M140K ลดบลิสเตอร์เหลือ 4% ส่วนแอนติโมนี M106D ไม่พบบลิสเตอร์เลย

2.กลไกการเกิดบลิสเตอร์แบ่งเป็น 3 ขั้นตอนที่วัดได้: ① การดูดซึมน้ำ — ฟีนอลิกดูดซึมน้ำ 2.8% และขยายตัว 1.2% ในไอน้ำที่ 220°C หลัง 1,000 ชั่วโมง; ② ความดันไอ — ความดันไอน้ำในโพรงบลิสเตอร์สูงถึง 8.2 MPa (ซุปเปอร์ฮีต); ③ ความเครียดทางความร้อน — ความเข้มความเครียดที่ขอบบลิสเตอร์ K₁ = 2.3 MPa·m^0.5 ซึ่งเกินค่า KIC ที่ 1.8 MPa·m^0.5

3.การทดสอบเร่งความเร็ว 5,000 ชั่วโมงของกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยแอนติโมนี M106D ของ Huahao ในไอน้ำที่ 220°C พบว่าไม่มีบลิสเตอร์ขนาดใหญ่ รูพรุน SEM คงที่ที่ 0.25% การสึกหรอรายปี 0.021 มม. และการรั่วไหลต่ำกว่า 0.08 มล./ชม. ตลอดการทดสอบ

4.ตารางเลือกใช้การอัดซึม P-T สำหรับไอน้ำของ Huahao ปี 2024: ≤160°C (0.62 MPa) ใช้ฟีนอลิก M106F ได้; 160–200°C (1.55 MPa) แนะนำฟูราน M140K; 200–260°C (4.76 MPa) ต้องใช้แอนติโมนี M106D; >260°C ใช้ M106D ร่วมกับแหวนแข็ง WC

5.การปรับปรุงทั่วไป: ปั๊มน้ำป้อนที่ 220°C ที่อัพเกรดจากฟีนอลิก (อายุเฉลี่ย ~4.7 เดือน) เป็นแอนติโมนี M106D จะมีอายุการใช้งานของแหวนซีลถึงหนึ่งปีครึ่งหรือมากกว่า

6.การเตือนล่วงหน้าบลิสเตอร์: สัญญาณ AE RMS ที่เพิ่มขึ้นจากปกติ 0.03 V เป็น 0.11 V บ่งชี้ความน่าจะเป็น 68% ว่าจะเกิดการหลุดลอกบลิสเตอร์ภายใน 24 ชั่วโมง ระบบตรวจจับ AE ของ Huahao ให้การเตือนล่วงหน้าเฉลี่ย 12 ชั่วโมง

1. ปรากฏการณ์การรั่วไหลจากบลิสเตอร์ในงานไอน้ำ

โรงไฟฟ้าพลังความร้อน นิวเคลียร์ และชีวมวล ปั๊มในกระบวนการแตกไอน้ำปิโตรเคมี และการกู้คืนก๊าซออกจากโพลีซิลิคอน มักใช้งานปั๊มในไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 200–250°C การเกิดบลิสเตอร์บนผิวแหวนซีลนุ่มคาร์บอนกราไฟต์เป็นสาเหตุความล้มเหลวอันดับสองรองจากการทำงานแบบแห้ง

ฐานข้อมูลความล้มเหลวของ Huahao Sealing ระหว่างปี 2022–2024 รวบรวมความล้มเหลวของแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ในงานไอน้ำจำนวน 1,027 รายการ:

| รายการ | จำนวน | สัดส่วน |

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

| ความล้มเหลวทั้งหมด | 1,027 | 100% |

| เกี่ยวข้องกับบลิสเตอร์ (หลุดลอก, รั่ว, สั่นสะเทือน) | 387 | 37.7% |

| บลิสเตอร์ฟีนอลิก | 293 | 38.1% ของตัวอย่างฟีนอลิก |

| บลิสเตอร์ฟูราน | 24 | 4.1% ของตัวอย่างฟูราน |

| บลิสเตอร์แอนติโมนี | 0 | 0% ของตัวอย่างแอนติโมนี |

ความเสียหายโดยตรงจากบลิสเตอร์:

• การรั่วไหล: การหลุดลอกของบลิสเตอร์สร้างหลุมและความไม่สมดุลของแรงกดบนผิวหน้า — การรั่วไหลเพิ่มขึ้นจาก <0.1 มล./ชม. เป็น 2–20 มล./ชม. (เพิ่มขึ้น 20–200 เท่าจากค่ามาตรฐาน)
• ความเสียหายต่อแหวนคู่: ฝุ่นคาร์บอนที่หลุดลอกขนาด 1–2 มม. ทำให้เกิดการสึกหรอแบบสามตัวกลาง ร่องวงแหวนแข็งลึก 0.12 มม.
• การปนเปื้อนในระบบ: ฝุ่นคาร์บอนในน้ำกลั่นไอน้ำตกตะกอนบนผิวความร้อนของหม้อไอน้ำ ลดประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน โรงงานแห่งหนึ่งพบว่าประสิทธิภาพหม้อไอน้ำลดลง 0.8% ส่งผลให้ต้องใช้ถ่านหินมาตรฐานเพิ่มขึ้น 3,400 ตันต่อปี
• การตัดการทำงานแบบอินเตอร์ล็อก: การรั่วไหลของปั๊มที่สำคัญทำให้ระบบ SIS ปิดเครื่องโดยอัตโนมัติ มีค่าใช้จ่าย 0.8–3 ล้านหยวนต่อครั้งในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และปิโตรเคมีขนาดใหญ่

2. กลไกฟองอากาศสามขั้นตอน (เชิงปริมาณ)

ในอุตสาหกรรมโดยทั่วไปมักอธิบายว่า "การดูดซึมน้ำของเรซิน → ฟองอากาศ" แต่ขาดข้อมูลเชิงปริมาณ งานวิจัยร่วมระหว่าง Huahao R&D กับคณะวัสดุศาสตร์ มหาวิทยาลัย Central South ปี 2024 (วารสาร Tribology):

กลไกที่ 1: การดูดซึมน้ำของเรซิน/กราไฟต์ก่อให้เกิดการพองตัวล่วงหน้า

วัสดุสี่ชนิดผ่านการทดสอบในหม้อนึ่งไอน้ำอิ่มตัวที่ 220°C เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง:

| วัสดุ | เกรด | การดูดซึมน้ำ (%) | การพองตัวปริมาตร (%) | การขยายตัวรัศมี (มม./100มม.) |

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

| ฟีนอลิก | M120K | 2.82 | 1.21 | +0.40 |

| ฟูราน | M140K | 0.93 | 0.38 | +0.13 |

| PTFE | กราไฟต์อัดซึม PTFE | 0.61 | 0.24 | +0.08 |

| แอนติโมนี | M106D | 0.08 | 0.03 | +0.01 |

กลุ่ม -OH/-CH₂OH ในฟีนอลิกสร้างพันธะไฮโดรเจนที่แข็งแรงกับน้ำ ทำให้เฟสเรซินพองตัว 15–20% แต่เม็ดคาร์บอนไม่พองตัว — รอยแตกเล็ก ๆ ที่ผิวเชื่อมต่อ (กว้าง 0.2–1 μm) กลายเป็นช่องทางให้ไอน้ำซึมผ่าน

กลไกที่ 2: การเปลี่ยนสถานะน้ำเป็นไอน้ำสร้างความดันสูง

รอยแตกเล็ก ๆ ขยายลึก 2–5 มม. ใต้ผิวหน้า ซึ่งความร้อนจากแรงเสียดทานทำให้น้ำร้อนเกินจุดเดือด 30–60°C เหนืออุณหภูมิปกติ (250–280°C) ความดันไออิ่มตัว: 3.97 MPa ที่ 250°C, 6.42 MPa ที่ 280°C, 8.59 MPa ที่จุดร้อน 300°C

การจำลองในหม้อนึ่ง: น้ำที่ 220°C → ร้อนเกินจุดเดือดถึง 300°C:

• ตัวอย่าง M120K ร้อยละ 72 พองตัวภายใน 100 ชั่วโมง วัดความดันภายในได้ 7.3–9.1 MPa
• เส้นผ่านศูนย์กลางฟองอากาศเทียบกับความดัน: 0.5 มม. ≈5 MPa; 2 มม. ≈8.5 MPa

กลไกที่ 3: การเปลี่ยนอุณหภูมิซ้ำทำให้รอยแตกที่โคนฟองอากาศ

แต่ละรอบการเริ่ม/หยุด (ΔT ≈200°C) ก่อให้เกิดความเค้นความร้อนซ้ำที่โคนฟองอากาศ:

• การวิเคราะห์ด้วย ANSYS FEA: ความเค้นดึงสูงสุดที่โคนฟองอากาศขนาด 2 มม. เท่ากับ 127 MPa, ความเข้มความเค้น K₁ = 2.3 MPa·m^0.5
• ค่าความเหนียว KIC ของคาร์บอนกราไฟต์ = 1.8 MPa·m^0.5 → ปัจจัยความปลอดภัย <1: รอยแตกเกิดขึ้นแน่นอน

สถิติรอบการเริ่ม/หยุด:

• M120K ที่มีฟองอากาศ: ร้อยละ 94 เกิดการหลุดลอกภายใน 300 รอบความร้อน
• M140K ที่มีฟองอากาศ: ร้อยละ 38 เกิดการหลุดลอก (ความเหนียวของฟูรานสูงกว่า)
• M106D (ไม่มีฟองอากาศ): ไม่มีความเสี่ยงการหลุดลอก

3. การเปรียบเทียบประสิทธิภาพไอน้ำของวัสดุอัดซึมสี่ชนิด

Huahao R&D ทดสอบเร่งความเร็ว 5,000 ชั่วโมง บนเครื่องทดสอบไอน้ำอิ่มตัวที่ 220°C / 2.32 MPa (มาตรฐาน JIS B 2005) ใช้แหวนคู่ SSIC, PV = 4.2 MPa·m/s:

| วัสดุอัดซึม | เกรด | จำนวนฟองอากาศ/5000 ชม. | อัตราฟองอากาศ (%) | การสึกหรอ 5000 ชม. (มม.) | การรั่วสูงสุด (มล./ชม.) | คำแนะนำ |

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

| ฟีนอลิก | M120K | 3.2 | 38 | 0.152 | 18.7 | ❌ ไม่แนะนำ |

| ฟูราน | M140K | 0.2 | 4 | 0.078 | 0.52 | ⚠️ เงื่อนไขเฉพาะ |

| PTFE | กราไฟต์อัดซึม PTFE | 0.6 | 11 | 0.095 | 1.83 | ⚠️ ใช้ได้เฉพาะ <200°C |

| แอนติโมนี | M106D | 0 | 0 | 0.021 | 0.06 | ✅ แนะนำอย่างยิ่ง |

เหตุผลสำคัญที่แอนติโมนีไม่เกิดฟองอากาศ: โลหะ Sb เติมเต็มรูพรุนจนกลายเป็นคอมโพสิตโลหะ/คาร์บอนที่ไม่ดูดซึมน้ำเลย (การดูดซึมน้ำ 0.08%) กลไกที่ 1 ถูกตัดออกตั้งแต่ต้นทาง

ข้อมูลเสริม SEM/TEM:

• M120K: ความหนาแน่นรอยแตกที่ผิวเชื่อมต่อเรซิน-คาร์บอน 76 รอยแตก/มม.², ความกว้างสูงสุด 3.2 μm
• M140K: 14 รอยแตก/มม.², ความกว้างสูงสุด 0.8 μm
• M106D: ไม่มีรอยแตกเล็ก ๆ, ชั้นการแพร่กระจาย Sb-C หนา 40–60 นาโนเมตร, ความแข็งแรงพันธะเคมี ≥180 MPa

4. ตารางเลือกการอัดซึมด้วยไอน้ำ P-T

ฝ่ายเทคนิค Huahao 2024 "ข้อกำหนดการเลือกแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์สำหรับไอน้ำอิ่มตัว/ไอน้ำร้อนเกิน":

| สภาพไอน้ำ | ช่วงอุณหภูมิ | ความดันอิ่มตัว | ตัวอัดซึมที่แนะนำ | เกรด Huahao | MTBF (ชั่วโมง) |

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

| น้ำร้อน / อุณหภูมิต่ำ | ≤140°C | ≤0.36 MPa | ฟีนอลิก | M120K | 16,000–24,000 |

| ไอน้ำอิ่มตัวความดันต่ำ | 140–170°C | 0.36–0.79 MPa | ฟูราน | M140K | 12,000–18,000 |

| ไอน้ำอิ่มตัวความดันกลาง | 170–210°C | 0.79–1.91 MPa | ฟูราน หรือ แอนติโมนี | M140K หรือ M106D | 10–16K / 20–30K |

| ไอน้ำอิ่มตัวความดันสูง | 210–260°C | 1.91–4.76 MPa | ต้องใช้แอนติโมนี | M106D | 18,000–26,000 |

| ไอน้ำร้อนเกินเล็กน้อย | 260–320°C | 4.76–11.2 MPa | แอนติโมนี + แหวนแข็ง WC | M106D+WC | 12,000–20,000 |

| ไอน้ำร้อนเกินสูง | 320–420°C | 11.2–44.8 MPa | กราไฟต์บริสุทธิ์ + โลหะสัมผัส | กำหนดเอง | 6,000–12,000 |

กฎเสริมที่บังคับใช้:

1.เริ่ม/หยุด >4 ครั้งต่อวัน → เลื่อนเกรดขึ้นหนึ่งระดับ (การเปลี่ยนอุณหภูมิเร่งการหลุดลอกของบลิสเตอร์)

2.ขาดเครื่องลดอากาศในห้องซีล (O₂ ละลาย >80 ppb) → การเกิดออกซิเดชันและบลิสเตอร์ซ้ำสองครั้ง, ต้องเลื่อนเกรด

3.เหล็กไอออน Fe³⁺ ในน้ำกลั่น >0.5 ppm (ผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนหม้อไอน้ำ) → การสึกหรอแบบสามตัวกลาง + บลิสเตอร์, ต้องเลื่อนเกรด

4.อุปกรณ์ชั้นความปลอดภัยนิวเคลียร์ → ใช้แอนติโมนี M106D โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิ — เน้นความน่าเชื่อถือเป็นหลัก

5. จุดที่ต้องพิจารณาในการติดตั้งปรับปรุง

• ตรวจสอบความดันในห้องซีลเทียบกับอุณหภูมิอิ่มตัวก่อนเลือกวัสดุ
• เปลี่ยนแหวนฟีนอลิกทั้งหมดทันทีเมื่อพบการเกิดบลิสเตอร์และการหลุดลอก
• หลังจากเลื่อนเกรดเป็น M106D ให้ตรวจสอบผิวหน้าทุกไตรมาสเพื่อหาบลิสเตอร์และรอยแตกร้าวเล็กๆ
• คำนึงถึงเศรษฐศาสตร์จากความถี่การเปลี่ยน, ค่าแรง และเวลาหยุดทำงาน

6. การเตือนล่วงหน้าบลิสเตอร์ & คำแนะนำภาคสนาม

หลักการเตือน AE:

การขยายรอยแตกร้าวเล็กของบลิสเตอร์ปล่อยคลื่นยืดหยุ่นความถี่ 100–300 kHz:

• ปกติ: AE RMS 0.02–0.04 V, สเปกตรัมเสถียร
• ระยะฟักตัว (72–24 ชม. ก่อนบลิสเตอร์): AE RMS 0.06–0.10 V, มีจุดสูงสุดที่ 150 kHz
• ระยะวิกฤติ (24–0 ชม.): AE RMS >0.11 V, >20 ครั้งระเบิดต่อนาที → ความน่าจะเป็นหลุดลอก 68%

Huahao HH-AE-SealGuard:

• ระยะเวลาการเตือนเฉลี่ย: 15.6 ชั่วโมง
• อัตราการเตือนผิดพลาด: <3%
• ต้นทุนต่อปั๊ม ~¥8,500, คืนทุนได้จากการป้องกันการหยุดฉุกเฉินเพียงครั้งเดียว (¥42,000 เทียบกับ ¥8,500)

คำแนะนำการบำรุงรักษาและปฏิบัติการภาคสนาม:

1.จำกัดอัตราการเพิ่มอุณหภูมิ: ≤2°C/นาที ในการเริ่ม/หยุด (ลดแรงกระแทกความร้อน)

2.วางแผนให้อัตราการไหลล้าง 23 ขั้นต่ำ ≥6 ลิตร/นาที เพื่อให้แน่ใจว่าผิวหน้าซีลเย็นลง

3.ตรวจสอบการถอดประกอบทุก 6 เดือน (3 เดือนสำหรับฟีนอลิก), ตรวจสอบรูพรุนด้วย SEM

4.โครงการลงทุนใหม่ที่ใช้ไอน้ำ >220°C: ต้องระบุในข้อกำหนดทางเทคนิคให้ใช้คาร์บอนกราไฟต์อัดซึมแอนติโมนี M106D เป็นข้อบังคับ

Huahao Sealing ให้บริการวิเคราะห์ความล้มเหลวจากบลิสเตอร์ในงานไอน้ำและประเมินการเลือกวัสดุฟรี มีเอกสาร "ข้อกำหนดการเลือกแหวนซีลสำหรับงานไอน้ำ" ฉบับสมบูรณ์ให้ตามคำขอ