- ▸ปั๊มก้นถังแบบแยกชั้นบรรยากาศ-สุญญากาศจัดการน้ำมันตกค้างที่อุณหภูมิ 350-380℃; คาร์บอนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินแบบทั่วไปจะเกิดการคาร์บอนไนซ์และเสียหายเมื่อเกิน 300℃ จึงต้องใช้คาร์บอนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยแอนติโมนี (รับแรงได้ถึง 500℃)
- ▸ที่อุณหภูมิสูง ฟิล์มของเหลวที่ผิวหน้าจะระเหยง่าย; จึงต้องใช้ API 682 Plan 23 (ระบบหมุนเวียนล้างตัวเองพร้อมการระบายความร้อน) หรือการผสมผสาน Plan 21+23 เพื่อควบคุมอุณหภูมิห้องซีลให้ต่ำกว่า 200℃
- ▸โครงสร้างแบบบาลานซ์ (ค่าสัมประสิทธิ์โหลด B=0.7-0.8) ช่วยลดความดันเฉพาะที่ผิวหน้า; เมื่อจับคู่กับวัสดุ SiC ที่ผิวสัมผัส อายุการใช้งานจะยาวนานถึง 12000-16000 ชั่วโมง
- ▸Huahao Sealing ขยายอายุการใช้งานซีลจาก 4000 เป็น 14000 ชั่วโมง ในโครงการปรับปรุงหน่วยแยกชั้นบรรยากาศ-สุญญากาศของ Sinopec ที่มีกำลังการผลิต 8 ล้านตันต่อปี
- ▸ปัจจัยเลือกใช้สามประการ: ความชันอุณหภูมิสื่อ, ปริมาณอนุภาคแข็ง, และความถี่การสตาร์ท-หยุด — ทั้งสามกำหนดประเภทการอัดซึมและแผนการล้างร่วมกัน
ปั๊มก้นถังขนส่งน้ำมันตกค้างที่อุณหภูมิ 350–380℃ และคาร์บอนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินจะเกิดการคาร์บอนไนซ์เมื่อเกิน 300℃ — ดังนั้นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับแหวนซีลปั๊มที่ใช้น้ำมันร้อนจึงแทบจะมีเพียงชนิดเดียวคือคาร์บอนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยแอนติโมนี แต่วัสดุเป็นเพียงหนึ่งในสามของคำตอบ: ฟิล์มของเหลวที่ผิวหน้าจะระเหยง่ายที่อุณหภูมิสูง จึงต้องใช้ระบบหมุนเวียนล้างตัวเองตาม API 682 Plan 23 เพื่อลดอุณหภูมิห้องซีล และการออกแบบแบบบาลานซ์ช่วยควบคุมความดันที่ผิวหน้า บทความนี้จะอธิบายวัสดุ โครงสร้าง และแผนการล้างในสามขั้นตอน พร้อมตัวอย่างจากหน้างานโรงกลั่นน้ำมัน
1. สภาพการทำงานและกลไกความเสียหาย
1.1 ความท้าทายในการซีลน้ำมันตกค้างที่อุณหภูมิสูง
สื่อในปั๊มก้นถังแบบแยกชั้นบรรยากาศ-สุญญากาศมีลักษณะ "สามสูง หนึ่งมีสิ่งเจือปน": อุณหภูมิสูง (350-380℃), ความหนืดสูง (100-500 mm²/s), ความดันไออิ่มตัวสูง (ทำให้เกิดการระเหยอย่างรวดเร็ว), และมีอนุภาคแข็งเจือปน (ผงถ่านโค้ก, สนิม) อุณหภูมิสูงทำให้เรซินอัดซึมในคาร์บอนกราไฟต์ธรรมดาเกิดการคาร์บอนไนซ์เมื่อเกิน 300℃; ความหนืดสูงเพิ่มแรงเสียดทานที่ผิวหน้า ทำให้เกิดแรงบิดและการแตกร้าวจากความร้อน; ความดันลดลงที่ผิวหน้าทำให้เกิดการระเหยอย่างรวดเร็วซึ่งทำลายการหล่อลื่นด้วยฟิล์มของเหลว; อนุภาคโค้กที่เข้าสู่ผิวหน้าทำให้เกิดการสึกหรอเร็วขึ้น
1.2 รูปแบบความเสียหายทั่วไป
สถิติจากหน้างานแสดงว่า 70% ของความเสียหายซีลกลปั๊มน้ำมันที่อุณหภูมิสูงแบ่งเป็นสามประเภทหลัก: การแตกร้าวจากความร้อนที่ผิวแหวนกราไฟต์ (35%), ความเสียหายจากการคาร์บอนไนซ์ของสารอัดซึม (22%), และการติดขัดจากความล้าในสปริง (13%) สองประเภทแรกเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเลือกวัสดุคาร์บอนกราไฟต์
2. การเลือกวัสดุ: กราไฟต์อัดซึมด้วยแอนติโมนี
2.1 ทำไมไม่ใช้การอัดซึมด้วยเรซิน
กราไฟต์อัดซึมด้วยเรซินเทอร์โมเซตติ้ง (ฟีนอลิก, ฟูแรน) มีอุณหภูมิใช้งานระยะยาวสูงสุดที่ 200-220℃ หรือ 250℃ ในระยะสั้น ในน้ำมันตกค้างที่ 350℃ เรซินจะค่อยๆ คาร์บอนไนซ์ภายใน 500-2000 ชั่วโมง หลังจากคาร์บอนไนซ์ ปริมาตรจะหดตัว 8-12% ความพรุนจะเพิ่มขึ้นจาก 2% เป็นมากกว่า 8% และผิวหน้าซีลจะเกิดการรั่วซึมผ่านได้
2.2 ข้อดีของการอัดซึมด้วยโลหะแอนติโมนี
กราไฟต์อัดซึมด้วยโละแอนติโมนี (Sb) มีอุณหภูมิใช้งานสูงสุดถึง 500℃ (จุดหลอมเหลวของแอนติโมนี 630℃) หลังการอัดซึม ความพรุนของกราไฟต์ลดลงต่ำกว่า 1% และชั้นการอัดซึมด้วยโลหะจะไม่ย่อยสลายหรือหดตัวที่อุณหภูมิสูง จึงคงความเสถียรในระยะยาว การนำความร้อนของแอนติโมนี (24 W/(m·K)) สูงกว่าเรซินมาก (0.2 W/(m·K)) ช่วยระบายความร้อนจากแรงเสียดทานที่ผิวหน้าได้ดี
กราไฟต์อัดซึมด้วยแอนติโมนี M106D ของ Huahao Sealing ที่ใช้ในน้ำมันตกค้างที่ 380℃ แสดงให้เห็นว่า อายุการใช้งานเฉลี่ยของ M106K อัดซึมด้วยเรซินอยู่ที่ 4200 ชั่วโมง ในขณะที่ M106D อัดซึมด้วย Sb มีอายุเฉลี่ย 13800 ชั่วโมง — เพิ่มขึ้น 3.3 เท่า
2.3 การเลือกวัสดุคู่กัน
สำหรับน้ำมันตกค้างที่อุณหภูมิสูง ให้จับคู่คาร์บอนกราไฟต์กับซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) การนำความร้อนของ SiC อยู่ที่ 120-150 W/(m·K) ซึ่งสูงกว่าวัสดุฮาร์ดอัลลอยด์ถึงสามเท่า ช่วยนำความร้อนจากแรงเสียดทานที่ผิวหน้าออกอย่างรวดเร็ว หลีกเลี่ยงเซรามิกอลูมินา (การนำความร้อนเพียง 30 W/(m·K)) ซึ่งมีแนวโน้มเกิดรอยแตกร้าวจากความเครียดทางความร้อนที่อุณหภูมิสูง
3. จุดออกแบบโครงสร้าง
3.1 ค่าสัมประสิทธิ์โหลดสมดุล
งานที่อุณหภูมิสูงต้องใช้โครงสร้างแบบสมดุลโดยมีค่าสัมประสิทธิ์โหลด B อยู่ที่ 0.7-0.8 แบบไม่สมดุล (B≥1) จะสร้างความดันเฉพาะที่ผิวหน้ามากเกินไปในน้ำมันตกค้างที่ 350℃ ทำให้ฟิล์มที่บางลงในอุณหภูมิสูงถูกบีบออกและเกิดแรงเสียดทานแบบแห้ง
3.2 เบลโลว์โลหะแทนสปริง
สำหรับปั๊มที่ใช้น้ำมันอุณหภูมิสูง แนะนำให้ใช้เบลโลว์โลหะ Inconel 718 แทนสปริงเกลียวทรงกระบอกแบบเดิม เบลโลว์ทำหน้าที่เป็นทั้งชิ้นส่วนยืดหยุ่นและซีลเสริม ช่วยตัดวงแหวน O-ring ออก (O-ring FKM ที่ 350℃ ใช้งานได้เพียง 2000-3000 ชั่วโมง) และให้ความต้านทานอุณหภูมิรวมสูงกว่า 400℃
4. แผนการล้าง: API 682 แผนที่ 23
4.1 การระบายความร้อนแบบหมุนเวียนล้างตัวเองตามแผนที่ 23
แผนที่ 23 เป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับปั๊มน้ำมันอุณหภูมิสูง: สื่อจะถูกดูดจากห้องซีล ผ่านตัวทำความเย็นจนลดอุณหภูมิต่ำกว่า 200℃ แล้วส่งกลับเข้าห้องซีลในวงจรปิด การใช้น้ำหล่อเย็นประมาณ 0.5-1.0 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ช่วยลดอุณหภูมิห้องจาก 350℃ เหลือ 180-200℃ ลดความเสี่ยงการระเหยอย่างมีประสิทธิภาพ
4.2 การผสมผสานแผนที่ 21+23
สำหรับน้ำมันตกค้างสุญญากาศที่มีปริมาณอนุภาคสูง แผนที่ 21 (ใช้น้ำมันแว็กซ์สะอาดจากทางออกปั๊ม ลดความดันผ่านรูเจาะ แล้วฉีดเข้าไปในห้องซีล) สามารถทำงานร่วมกับแผนที่ 23 ได้ — เป็นแผนล้างคู่ที่ทั้งช่วยระบายความร้อนและป้องกันอนุภาค
5. กรณีศึกษาของ Huahao Sealing
ปั๊มด้านล่างของหน่วยแยกชั้นบรรยากาศ-สุญญากาศของ Sinopec ที่มีกำลังการผลิต 8 ล้านตันต่อปี (อัตราการไหล 450 m³/h, อุณหภูมิ 365℃, สื่อมีผงโค้ก) เดิมใช้ซีลกลยี่ห้อที่นำเข้าซึ่งมีอายุการใช้งานเฉลี่ย 4000 ชั่วโมง และมีการหยุดทำงานเนื่องจากการรั่วไหล 3 ครั้งต่อปี หลังจากเปลี่ยนมาใช้โซลูชัน M106D + SiC + เบลโลว์ Inconel + Plan 23 ของ Huahao Sealing ในปี 2019 อายุการใช้งานเฉลี่ยเพิ่มขึ้นเป็น 14000 ชั่วโมง ในช่วงกว่า 4 ปีและรวมเวลาการทำงาน 56000 ชั่วโมง มีการเปลี่ยนชุดซีลเพียง 4 ชุดเท่านั้น ช่วยประหยัดค่าอะไหล่ประมาณ 800000 หยวน
การเลือกใช้ต้องพิจารณาปัจจัยสามประการ ได้แก่ ความชันของอุณหภูมิของสื่อ ปริมาณอนุภาค และความถี่ในการสตาร์ท-หยุด การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มากเหมาะกับการใช้เบลโลว์ ปริมาณอนุภาคสูงเหมาะกับ Plan 21+23 ส่วนการสตาร์ท-หยุดบ่อยควรลดความดันเฉพาะที่ผิวหน้าให้อยู่ที่ 0.3-0.4 MPa