แหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์สำหรับปั๊มสลurry FGD ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน: การใช้งานสึกหรอที่ 60℃ กับสลurry หินปูน-ยิปซัมที่มีฟลูออไรด์

ปั๊มหมุนเวียนสารละลายปูนขาว-ยิปซัมของระบบกำจัดกำมะถันจากก๊าซไอเสียแบบเปียก (FGD) ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนเป็นอุปกรณ์หลักของระบบกำจัดกำมะถัน และความน่าเชื่อถือของการซีลส่งผลโดยตรงต่อความพร้อมใช้งานของหน่วยกำลัง สารละลาย FGD ประกอบด้วย CaSO₄·2H₂O (ยิปซัมไดไฮเดรต ความแข็ง 3 โมห์ส), CaCO₃ ที่ไม่ทำปฏิกิริยา (ความแข็ง 3 โมห์ส), ฝุ่น SiO₂ (ความแข็ง 7 โมห์ส) และ HF เล็กน้อย (กรดไฮโดรฟลูออริก จากปฏิกิริยาของ CaF₂ ในถ่านหินกับ H₂SO₄) ที่ถูกพัดพามากับก๊าซไอเสียจากถ่านหิน สร้างสภาพการใช้งานแบบผสมผสานของการสึกกร่อนรุนแรงและการกัดกร่อนเฉพาะของฟลูออไรด์ และซีลซิลิกอนคาร์ไบด์แบบดั้งเดิมล้มเหลวอย่างรวดเร็ว บทความนี้อิงจากประสบการณ์การใช้งานของ Huahao Sealing ในหน่วยกำลังไฟฟ้าพลังความร้อนขนาด 300 MW, 600 MW และ 1000 MW หลายแห่ง แนะนำการเลือกใช้ซีลคาร์บอนกราไฟต์สำหรับงาน FGD

1. ลักษณะการใช้งาน

1.1 พารามิเตอร์สารละลายทั่วไป

• ปริมาณของแข็ง: 5-15% (ผลึกยิปซัม + อนุภาคปูนขาว ขนาดอนุภาค 10-200 μm)
• ไอออนฟลูออไรด์ (F⁻): 50-200 มก./ลิตร, pH 4.5-6.0 (กรดอ่อน, HF อยู่ร่วมในรูปแบบ HF, F⁻, (HF)₂⁻ ที่รวมตัวกัน)
• ไอออนคลอไรด์ (Cl⁻): 10000-50000 มก./ลิตร (ความเข้มข้นสะสมในสารละลายหมุนเวียน)
• อุณหภูมิการทำงาน: 50-65℃ (อุณหภูมิอิ่มตัวบรรยากาศ)
• ความเร็วปั๊ม: 590-740 รอบ/นาที (ปั๊มแรงเหวี่ยงความเร็วต่ำขนาดใหญ่)

1.2 การวิเคราะห์รูปแบบความล้มเหลว

สถิติความล้มเหลวของซีลซิลิกอนคาร์ไบด์ในงาน FGD:

1.การกัดกร่อนตามแนวรอยต่อผลึกจากไอออนฟลูออไรด์ (60%): เฟสรอยต่อผลึก SiO₂ และซิลิกอนอิสระใน SSiC ทำปฏิกิริยากับ HF:

• SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O (กรดฟลูออโรซิลิกิก, ละลายน้ำได้)
• Si (ซิลิกอนอิสระ) + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂↑

ผลลัพธ์: ผิวซิลิกอนคาร์ไบด์เกิดการกัดกร่อนเป็นหลุม → การแยกตัวตามแนวรอยต่อผลึก → การแตกหักโดยรวม

2.การสึกกร่อนแบบสามตัวกลางจากอนุภาค (25%): ผลึกยิปซัมเข้าสู่ผิวซีล เกิดการสึกกร่อนแบบสามตัวกลาง มีร่องรูปตัววีบนผิวซีล ทำให้การรั่วซึมเพิ่มขึ้น

3.การอุดตันห้องสปริง (10%): อนุภาคสารละลายตกตะกอนในห้องสปริงและบริเวณเส้นผ่านศูนย์กลางด้านนอกของผิวซีล ทำให้สปริงเสียความยืดหยุ่น → ผิวซีลจับไม่แน่น

4.การบวมของโอริง (5%): โอริง FKM บวมเกิน 15% ในสารละลายที่มีคลอรีนสูง ทำให้การชดเชยซีลล้มเหลว

2. การเลือกวัสดุ

2.1 คาร์บอนกราไฟต์ทนทานต่อฟลูออไรด์

การกัดกร่อนจากไอออนฟลูออไรด์เป็นความท้าทายหลักในงานบริการ FGD ซีลกล Huahao Sealing รุ่น M230F-Furan คาร์บอนกราไฟต์ทนฟลูออไรด์:

• วัสดุฐาน: กราไฟต์โครงสร้างเม็ดกลาง (ขนาดเม็ด 30 μm ทนแรงกระแทก)
• ตัวอัดซึม: เรซินฟูรานจากฟูร์ฟิวริลแอลกอฮอล์ (คาร์บอน 70% ไม่มีพันธะคู่ C=C หลังการบ่ม ทนต่อกรดที่ไม่ใช้ออกซิไดซ์ เช่น HF, HCl, H₂SO₄)
• ประสิทธิภาพทน HF: แช่ในสารละลาย HF 20% ที่ 60℃ เป็นเวลา 30 วัน อัตราการสูญเสียน้ำหนัก <0.05% (เมื่อเทียบกับกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินธรรมดาซึ่งสูญเสียน้ำหนัก 3.8%)
• ความแข็งแรงเชิงกล: ความต้านแรงอัด 280 MPa ความต้านแรงดัด 65 MPa (สูงกว่ากราไฟต์เรซินธรรมดา 50%)
• ความแข็ง Shore: HS 85 (เทียบเท่าระดับความต้านทานการสึกหรอของซิลิกอนคาร์ไบด์)

2.2 วัสดุคู่ประกบ (การปรับปรุงสำคัญ!)

ห้ามใช้วัสดุที่มีส่วนประกอบของซิลิคอนทุกชนิด (SSiC, RBSiC, Si₃N₄) — การกัดกร่อนจากไอออนฟลูออไรด์ไม่สามารถย้อนกลับได้ การเลือกแหวนคู่ประกบ:

• คาร์ไบด์ซีเมนต์ WC-Ni (ชนิด YG8, เฟสผสม Ni 8%, WC 92%)
• ทน HF: WC ไม่ทำปฏิกิริยากับ HF เฟสผสม Ni มีความเสถียรมากในสภาพแวดล้อมกรดอ่อนที่อุณหภูมิต่ำกว่า 50℃
• ความแข็ง: HRA 91 ความต้านทานการสึกหรอของอนุภาคมากกว่าซิลิกอนคาร์ไบด์
• หมายเหตุ: หลีกเลี่ยงกรดเข้มที่อุณหภูมิสูง (>200℃) เพราะเฟสผสม Ni อาจถูกกัดกร่อน ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ในงานบริการ FGD ที่ 60℃

2.3 ซีลเสริม

• O-ring: EPDM (เอทิลีน โพรพิลีน ไดอีน โพลิเมอร์ ทน HF + คลอรีนสูง + กรดอ่อน แนะนำ DuPont Vamac GLS) หรือ FFKM (Kalrez 4079 ทนสารเคมีรุนแรง)
• ชิ้นส่วนโลหะ: เหล็กกล้า duplex 2205 (UNS S31803 ทนการกัดกร่อนรูพรุนจากคลอรีน 50000 มก./ลิตร) หรือ Hastelloy C276
• สปริง: Hastelloy C276 (316L ธรรมดาจะเกิดรอยแตกร้าวจากความเครียดในสภาพสารละลายคลอรีนสูงภายใน 3 เดือน)

3. การออกแบบโครงสร้างและแผนการล้าง

3.1 โครงสร้างแหวนซีลแบบหน้าคู่ในตลับ

ห้ามใช้แหวนซีลแบบหน้าคู่เดี่ยวสำหรับงานสารละลาย FGD อย่างเด็ดขาด (เนื่องจากอนุภาคจะเข้าสู่ผิวแหวนซีลโดยตรงและสึกหรอภายใน 2 สัปดาห์) ทางออกมาตรฐาน: แหวนซีลแบบหน้าคู่ในตลับ (รุ่น Tandem series):

• ด้านใน (ด้านบรรยากาศ): คาร์บอนกราไฟต์ M230F × WC-Ni สัมผัสน้ำล้าง (น้ำสะอาดไม่มีอนุภาค)
• ด้านนอก (ด้านสารตัวกลาง): คาร์บอนกราไฟต์ M230F × WC-Ni สัมผัสสารละลายกระบวนการ
• สปริงแบบบูรณาการ: สปริงขนาดใหญ่ภายนอก (สปริงภายในตลับง่ายต่อการอุดตัน สปริงภายนอกไม่สัมผัสสารตัวกลาง)
• การติดตั้งแบบตลับรวมเป็นชิ้นเดียว สามารถเปลี่ยนแหวนซีลโดยไม่ต้องถอดปั๊ม ลดเวลาบำรุงรักษาจาก 24 ชั่วโมงเหลือ 4 ชั่วโมง

3.2 แผนการล้าง API PLAN 32 + PLAN 64

PLAN 32 (การล้างภายนอก) — กุญแจสำคัญในการป้องกันไม่ให้อนุภาคเข้าสู่ห้องแหวนซีล:

• แหล่งน้ำล้าง: น้ำเติมกระบวนการ FGD (ผ่านการกรอง, SS <1 mg/L, ขนาดอนุภาค <5 μm)
• ความดันน้ำล้าง: 0.1-0.2 MPa สูงกว่าความดันในห้องแหวนซีล (โดยปกติ 0.5-0.7 MPa)
• อัตราการไหลน้ำล้าง: 1.5-3.0 m³/h (ปั๊มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 80-150 มม.)
• วิธีล้าง: ฉีดน้ำล้างแบบเฉียงเข้าห้องแหวนซีล สร้างกระแสหมุนวนเพื่อชะล้างอนุภาค ป้องกันการตกตะกอน

PLAN 64 (การตรวจสอบการรั่วไหล + การล้างฉุกเฉิน):

• ช่องรั่วไหลภายในแหวนซีลเชื่อมต่อกับสวิตช์ความดัน เมื่อความดันรั่ว >0.1 MPa หรืออัตราการไหล >20 L/h ระบบ DCS จะส่งสัญญาณเตือน
• ช่องรั่วไหลสามารถสลับไปยังพอร์ตล้างฉุกเฉิน (เชื่อมต่อกับน้ำกระบวนการความดันสูง) ฉีดน้ำล้างฉุกเฉินเมื่อแหวนซีลภายในล้มเหลว ป้องกันสารละลายเข้าสู่กล่องแบริ่ง

3.3 การออกแบบป้องกันการตกตะกอนของอนุภาค

• ห้องแหวนซีลติดตั้งแผ่นกันตกเอียง (45°) ให้อนุภาคไหลลงตามแนวลาดชัน ไม่สะสมที่เส้นผ่านศูนย์กลางด้านนอกของผิวแหวนซีล
• ด้านเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของผิวแหวนซีลติดตั้ง "ริมกันทราย" (แผ่นบาง PTFE + ตัวรองรับ EPDM) ป้องกันอนุภาคขนาดใหญ่ (>20 μm) ไม่ให้กระแทกผิวแหวนซีลโดยตรง
• ฐานสปริงติดตั้ง "รูทำความสะอาดตัวเอง" (รู φ8 จำนวน 4 รู) ให้น้ำล้างไหลผ่านช่องฐานสปริง ช่วยชะล้างอนุภาคที่ตกตะกอนออก

4. กรณีศึกษาของ Huahao Sealing

กลุ่มพลังงานระดับจังหวัดที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 2×660 เมกะวัตต์แบบอัลตร้าซูเปอร์คริติคอล ระบบ FGD แต่ละเครื่องติดตั้งปั๊มหมุนเวียนสลurry 6 ตัว (อัตราการไหล 8800 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง, แรงดันศีรษะ 22 เมตร, ความเร็ว 590 รอบต่อนาที, เส้นผ่านศูนย์กลางซีล 160 มม.) เดิมมีปัญหากับซีลหน้าเดี่ยวสปริงในตัวยี่ห้อที่นำเข้าแบบ SSiC × SSiC:

1.แหวนจับคู่ SSiC เกิดการกัดกร่อนจากฟลูออไรด์ อายุการใช้งานเฉลี่ย 42 วัน (ต่ำสุด 23 วัน) การตรวจสอบหลังรื้อพบผิวหน้าแหวนซีลเต็มไปด้วยรูพรุนและรอยแตกเฉพาะที่

2.มีการเปลี่ยนซีลประมาณ 8 ครั้งต่อปั๊มต่อปี ค่าอะไหล่และค่าบำรุงรักษาของปั๊ม 12 ตัวประมาณ 7.8 ล้านหยวน

3.การรั่วของซีลทำให้สลurry กระเด็นไปยังขดลวดมอเตอร์ เกิดอุบัติเหตุมอเตอร์ไหม้ 2 ครั้งในปี 2019 (ความเสียหายประมาณ 1.8 ล้านหยวน)

หลังจากเปลี่ยนมาใช้โซลูชันของ Huahao Sealing M230F คาร์บอนกราไฟต์ฟูราน × WC-Ni คาร์ไบด์ซีเมนต์ + แคร์ทริดจ์หน้าแหวนคู่ + PLAN 32 (น้ำกระบวนการ 0.6 MPa, 2 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง) + PLAN 64 + ชิ้นส่วนโลหะสแตนเลส 2205 ดูเพล็กซ์ + O-ring EPDM ในปี 2020:

• เครื่องแรกทำงานต่อเนื่อง 26 เดือน (มีนาคม 2020 - พฤษภาคม 2022) โดยไม่มีการรั่วซึม รื้อบำรุงรักษาตามแผน พบการสึกหรอผิวหน้าแหวนซีล 0.12 มม. (อัตราการสึกหรอ 0.00046 มม./100 ชม.)
• อายุการใช้งานเฉลี่ยของซีล 22 เดือน (+1471%) พัฒนาจาก 42 วัน
• ค่าอะไหล่และค่าบำรุงรักษาประจำปีลดลงจาก 7.8 ล้านเหลือประมาณ 0.8 ล้านหยวน ประหยัดสะสมกว่า 20 ล้านหยวน
• อุบัติเหตุมอเตอร์ไหม้เป็นศูนย์ ความพร้อมใช้งานของเครื่องเพิ่มจาก 92.3% เป็น 98.7%

แกนกลางของการเลือกใช้: ความเข้มข้นของไอออนฟลูออไรด์กำหนดวัสดุจับคู่ (F⁻ >50 มก./ล. ห้ามใช้วัสดุซิลิคอน เปลี่ยนเป็น WC), ปริมาณอนุภาคแข็งกำหนดแผนการล้าง (>10% ต้องใช้ PLAN 32 ล้างภายนอก), ความเข้มข้นของคลอรีนกำหนดเกรดวัสดุโลหะ (>30000 มก./ล. เลือกใช้สแตนเลส 2205 ดูเพล็กซ์หรือ C276)