ประเด็นสำคัญ
- ฟันห้องคดเคี้ยวอลูมิเนียมอัลลอยด์ (6061-T6) แบบดั้งเดิมในคอมเพรสเซอร์เหวี่ยงก๊าซแคร็กเกอร์เอทิลีน ภายใต้การสั่นสะเทือนของโรเตอร์ (การสั่นสะเทือนของเพลา 30-80 ไมครอน) และการขัดถูกชั่วคราว มีความแข็งต่ำ (HB 95) และสึกหรอได้อย่างรวดเร็ว — ช่องว่างของห้องคดเคี้ยวขยายจาก 0.25 มม. เป็น 0.8 มม. ภายใน 3 เดือน อัตราการรั่วเกินมาตรฐาน 2.5 เท่า
- โซลูชัน: ฟันสเตเตอร์ของห้องคดเคี้ยวแต่ละระดับใช้แผ่นเสริมคาร์บอนกราไฟต์ (กราไฟต์ความแข็งแรงสูงเม็ดละเอียด + อิมเพรกเนตบรอนซ์) ความแข็งชอร์ HS 80, บูชของโรเตอร์ชุบโครเมียม (HV 900) กราฟิต์จะสึกหรอเมื่อขัดถูกแทนที่จะทำลายบูช มีการหล่อลื่นด้วยตัวเองและไม่ทำร้ายเพลา
- โครงสร้างเลือกประเภทห้องคดเคี้ยวสลับกัน, ฟัน 3-4 ระดับ แต่ละระดับช่องว่าง 0.20-0.25 มม. การรั่วลดลง 40-50% เมื่อเทียบกับประเภทตรง
- Huahao Sealing ดำเนินการปรับปรุงห้องคดเคี้ยว 48 ระดับบนคอมเพรสเซอร์ก๊าซแคร็กเกอร์ 3 ตัว (GB201) ของโรงงานเอทิลีน 800000 ตัน/ปี; อัตราการรั่วลดจาก 2.8% เป็น 0.9% ประหยัดค่าสูญเสียวัสดุเอทิลีนต่อปีประมาณ 12 ล้าน CNY
คอมเพรสเซอร์เหวี่ยงเป็นอุปกรณ์หมุนหมุนหลักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี การประมวลผลก๊าซธรรมชาติ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ซีลห้องคดเคี้ยว (หรือที่เรียกว่าซีลประเภหวี) เป็นซีลแบบไม่สัมผัสที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับส่วนระหว่างขั้วและปลายเพลาในคอมเพรสเซอร์ หลักการคือการสร้างแรงดันหยุดโดยท่อร้อยสายผ่านช่องว่างขนาดเล็กระหว่างฟันท่อร้อยหลายระดับกับโรเตอร์ ซึ่งใช้พลังงานจลน์ของก๊าซไปตามแต่ละระดับ จึงลดการรั่วซึมลง อย่างไรก็ตาม ฟันห้องคดเคี้ยวอลูมิเนียมอัลลอยด์และบรอนซ์แบบดั้งเดิมมีแนวโน้มที่จะเกิดการขัดถูกแบบแข็งภายใต้สภาวะการสั่นสะเทือนของโรเตอร์และการไม่ตรงกึ่งกลาง ซึ่งนำไปสู่การสึกหรอของฟันที่รวดเร็ว ช่องว่างห้องคดเคี้ยวขยายอย่างรวดเร็ว และอัตราการรั่วซึมเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ จากประสบการณ์การใช้งานของบริษัท Huahao Sealing จังหวัด Huoqiu บนคอมเพรสเซอร์เหวี่ยงขนาดใหญ่หลายตัว เช่น คอมเพรสเซอร์ก๊าซแคร็กเกอร์เอทิลีน และคอมเพรสเซอร์ฉีดก๊าซธรรมชาติ บทความนี้แนะนำประเด็นสำคัญในการเลือกซีลห้องคดเคี้ยวแผ่นเสริมคาร์บอนกราไฟต์
1. ลักษณะสภาวะการทำงาน
1.1 พารามิเตอร์คอมเพรสเซอร์ก๊าซแคร็กเกอร์ทั่วไป
- สื่อกลาง: ก๊าซแคร็กเกอร์ (H₂ 28-32%, CH₄ 18-22%, C₂H₄ 22-28%, C₃+ 10-15%, CO 2-4%, มีส่วนผสมของ H₂S และความชื้นในปริมาณเล็กน้อย)
- ช่วงแรงดัน: ระหว่างระดับ 0.3-1.2 MPa, ที่ออก 2.5 MPa
- ช่วงอุณหภูมิ: ที่เข้าระดับ 1 38-45℃, ที่ออกระดับ 4 110-125℃
- ความเร็ว: 6800-8500 รอบ/นาที (ขับเคลื่อนด้วยเกียร์เพิ่มความเร็ว)
- การสั่นสะเทือนของเพลา: ปกติ 25-40 ไมครอน เมื่อผ่านความเร็ววิกฤต 60-85 ไมครอน (ค่าเตือน API 617 90 ไมครอน ค่าทริป 120 ไมครอน)
1.2 การวิเคราะห์รูปแบบความเสียหาย
สถิติความเสียหายของฟันห้องคดเคี้ยวอลูมิเนียม/บรอนซ์แบบดั้งเดิม:
1.การสึกหรอจากการขัดถูก (65%): การสั่นสะเทือนของเพลาเพิ่มขึ้น (> 60 ไมครอน) เมื่อโรเตอร์ผ่านความเร็ววิกฤตหรือภายใต้ภาระกะทันหัน ฟันและบูชจะขัดถูกกันแบบแข็ง ฟันอลูมิเนียม (HB 95) ขัดกับบูชชุบโครเมียม (HV 900) เหมือนกับ "ไข่ตกหิน" ความสูงของฟันจะสึกหรอ 0.1-0.2 มม. หลังจากผ่านความเร็ววิกฤตเพียงครั้งเดียว และช่องว่างของห้องคดเคี้ยวจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 3-4 เดือน
2.การกัดกร่อนจากก๊าซ (20%): H₂S ในปริมาณเล็กน้อย (30-200 ppm) + ความชื้นในก๊าซแคร็กเกอร์จะกลั่นตัวเป็นสารละลายน้ำ H₂S ในส่วนอุณหภูมิต่ำ ฟันบรอนซ์ (Cu-Zn) จะเกิดการกัดกร่อนถอดสังกะสี ซึ่งทำให้ความแข็งแรงของฟันลดลงและแตกหักได้ง่าย
3.การเปลี่ยนรูปจากความร้อน (10%): ในส่วนอุณหภูมิสูง (> 100℃) สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนของฟันอลูมิเนียม (23×10⁻⁶/℃) มากกว่าของเปลือกสเตนลีย์คาร์บอน (12×10⁻⁶/℃) อย่างมาก ช่องว่างจากการออกแบบจะถูก "ใช้ไป" และเกิดการขัดถูกอย่างต่อเนื่อง
4.ช่องว่างจากการติดตั้งไม่สม่ำเสมอ (5%): การวัดช่องว่างของแต่ละฟันด้วยฟีลเลอร์เกจจะมีข้อผิดพลาด ±0.05 มม. ซึ่งช่องว่างของฟันในบางพื้นที่อาจเล็กเกินไป นำไปสู่การขัดถูกในช่วงแรก
2. การเลือกวัสดุแผ่นเสริมคาร์บอนกราไฟต์
2.1 การเปรียบเทียบข้อได้เปรียบของคาร์บอนกราไฟต์
| คุณสมบัติ | อลูมิเนียม 6061-T6 | บรอนซ์ H62 | สเตนเลส 316L | กราไฟต์อิมเพรกเนตบรอนซ์ M150Cu |
|----------|-----------------|------------|-------------|----------------------------------|
| ความแข็ง | HB 95 | HB 85 | HB 187 | HS 80 (≈ HB 120) |
| ส่วนที่เสียหายเมื่อขัดถูก | ฟันอลูมิเนียมสึกหรอ | ฟันบรอนซ์สึกหรอ | สเตนเลสทำลายบูช! | กราไฟต์สึกหรอ บูชไม่เสียหาย |
| ต้านทานการกัดกร่อน H₂S | ปานกลาง (กัดกร่อนเป็นรู) | ไม่ดี (ถอดสังกะสี) | ดี | ดีเยี่ยม (กราไฟต์ไม่ถูก H₂S กัดกร่อน) |
| สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน | 23×10⁻⁶ | 20×10⁻⁶ | 17×10⁻⁶ | 3.2×10⁻⁶ (ใกล้เคียงกับสเตนลีย์) |
| การหล่อลื่นด้วยตัวเอง | ไม่มี | ไม่มี | ไม่มี | ดีเยี่ยม (การหล่อลื่นของแข็ง มีประสิทธิภาพแม้ในอุณหภูมิสูง) |
| ความแม่นยำในการขัดเงิน | ±0.02 มม. | ±0.02 มม. | ±0.03 มม. | ±0.005 มม. (ความแม่นยำของเครื่องเจียร์ CNC) |
| อายุการใช้งาน (ห้องคดเคี้ยว) | 3-6 เดือน | 4-8 เดือน | 1-2 ปี | 4-6 ปี |
2.2 กราไฟต์อิมเพรกเนตบรอนซ์ M150Cu ของ Huahao Sealing
วัสดุเฉพาะสำหรับแผ่นเสริมซีลห้องคดเคี้ยว:
- วัสดุฐาน: กราไฟต์ไอโซสเตติกเม็ดละเอียด (เม็ด 8 ไมครอน, ความหนาแน่น 1.82 กร./ลบ.ซม.)
- สารอิมเพรกเนต: บรอนซ์ดีบุก CuSn10 (อิมเพรกเนตความดันสุญญากาศ อัตราการอิมเพรกเนต ≥ 95%, ความรูพรุนคงเหลือ < 1%)
- คุณสมบัติหลัก:
- ความแข็งแรงต่อการอัด 260 MPa, ความแข็งแรงต่อการหัก 72 MPa, ชอร์ HS 80
- ค่านำความร้อน 85 W/m·K (ความร้อนจากการขัดถูกจะถูกนำออกอย่างรวดเร็ว หลีกเลี่ยงการออกซิเดชันของกราไฟต์)
- สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน 3.2×10⁻⁶/℃ (จับคู่กับสเตนลีย์คาร์บอน 12×10⁻⁶ ช่องว่างจะขยายขึ้นแทนที่จะเล็กลงเมื่ออุณหภูมิสูง)
- อุณหภูมิการออกซิเดชัน: ≤ 450℃ ในอากาศ (สูงกว่าสภาวะก๊าซแคร็กเกอร์ที่ 125℃ อย่างมาก)
- ต้านทานต่อสื่อกลาง: เสถียรอย่างสมบูรณ์ใน H₂S, CO, อัลเคน, อัลเคน; สารอิมเพรกเนตบรอนซ์มีการต้านทานการกัดกร่อน H₂S ในระดับเล็กน้อย (ไม่มีผลกระทบเมื่อความเข้มข้นของ H₂S < 500 ppm)
2.3 ข้อกำหนดของบูชโรเตอร์
โซลูชันแผ่นเสริมคาร์บอนกราไฟต์จำเป็นต้องจับคู่กับบูชที่มีความแข็งสูง:
- พื้นผิวบูช: ชุบโครเมียมแข็ง 0.10-0.15 มม. ชั้นชุบ HV 850-950, ความหยาบ R_a ≤ 0.20 ไมครอน
- ข้อกำหนดของชั้นชุบ: แรงยึดเหนี่ยวระหว่างชั้นชุบโครเมียมและวัสดุฐาน ≥ 60 MPa, ไม่มีรอยแตกจุลินทรีย์ (การตรวจสอบด้วยวิธีการกัดกร่อนไฟฟ้าไม่พบรอยแตก)
- ทางเลือกอื่น: การเคลือบ WC-Co-Cr ด้วยวิธี HVOF, HV 1100-1200 (ทนต่อการสึกหรอดีกว่าแต่ค่าใช้จ่ายสูงกว่า 3-4 เท่า)
3. การออกแบบโครงสร้างซีลห้องคดเคี้ยว
3.1 การเลือกประเภทซีล
การเปรียบเทียบโครงสร้างซีลห้องคดเคี้ยวที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย 2 แบบ:
| ประเภทโครงสร้าง | ผังภาพ | อัตราการรั่ว (สัมพัทธ์) | ความต้านทานการขัดถูก | ค่าใช้จ่าย | ขอบเขตการใช้งาน |
|----------------|--------|----------------------|---------------------|-----------|----------------|
| ประเภทตรง | ฟันทั้งหมดอยู่บนสเตเตอร์หรือฟันทั้งหมดอยู่บนโรเตอร์ ปลายฟันชี้ไปยังพื้นผิวทรงกระบอกตรงข้ามที่เรียบ | 100% (เกณฑ์มาตรฐาน) | ปานกลาง | ต่ำ | ส่วนแรงดันต่ำ (< 0.5 MPa) สภาวะการสั่นสะเทือนของเพลาน้อย |
| ประเภทสลับกัน | ฟันถูกจัดเรียงสลับกันบนสเตเตอร์และโรเตอร์ สร้างท่อไหล "รูปตัว Z" ทิศทางการไหลของก๊าซเปลี่ยนทิศหลายครั้ง | 50-60% | ดีเยี่ยม (เมื่อขัดถูกจะสัมผัสทีละระดับ พลังงานจะกระจาย) | ปานกลาง | แนะนำ! ส่วนแรงดันปานกลาง-สูง (> 0.5 MPa) เป็นที่นิยมสำหรับเครื่องขนาดใหญ่ |
แรงดันระหว่างระดับของคอมเพรสเซอร์ก๊าซแคร็กเกอร์ GB201 คือ 0.3-1.2 MPa แนะนำให้ใช้ประเภทสลับกันสำหรับระดับ 2, 3, 4 และใช้ประเภทตรงสำหรับระดับ 1
3.2 การออกแบบรูปทรงฟันและช่องว่าง
การออกแบบรูปทรงฟัน (กำหนดเอฟเฟกต์การท่อร้อยสาย):
- มุมปลายฟัน: ฟันสามเหลี่ยมด้านเท่ามุม 60°, รัศมีปลายฟัน R ≤ 0.03 ไมครอน (เอฟเฟกต์ของขอบแหลมที่แข็งแรงให้ผลการท่อร้อยสายที่ดีที่สุด)
- ความสูงฟัน H: H = 8-12 มม. (รับประกันความแข็งแรงเชิงกลของปลายฟัน หลีกเลี่ยงการหักขณะติดตั้ง)
- ระยะห่างระหว่างฟัน P: P = 10-15 มม. ความสูงฟัน H / ระยะห่างระหว่างฟัน P ≈ 0.6-0.8 (สัดส่วนของ "พื้นที่ตายของวอร์เท็กซ์" ในท่อไหลสมเหตุสมผล)
- จำนวนฟัน Z: 4-6 ฟันต่อระดับ; เมื่อแรงดันหยุดรวมของแต่ละระดับ > 0.2 MPa จำเป็นต้องมีฟัน 8+ ฟัน
การออกแบบช่องว่าง (ดุลยพินิจระหว่างอัตราการรั่วและความเสี่ยงจากการขัดถูก):
- ช่องว่างตามเส้นผ่านศูนย์กลาง 2c (สภาพเย็น):
- ส่วนความเร็วสูง (> 6000 รอบ/นาที, เส้นผ่านศูนย์กลางเพลา 150-200 มม.): 2c = 0.40-0.50 มม.
- ส่วนความเร็วปานกลาง (4000-6000 รอบ/นาที, เส้นผ่านศูนย์กลางเพลา 200-300 มม.): 2c = 0.50-0.65 มม.
- การตรวจสอบช่องว่างในสภาพร้อน: ที่อุณหภูมิในการทำงาน 120℃ การขยายตัวของบูช (สเตนลีย์, 12×10⁻⁶) เทียบกับการขยายตัวของแผ่นเสริมกราไฟต์ (3.2×10⁻⁶) ช่องว่างในสภาพร้อนจะเปลี่ยนเพียง -0.02 มม. (ช่องว่างไม่เปลี่ยนแปลงโดยทั่วไป จะไม่เกิดการ "ติดขัด")
- ระยะปลอดภัยสำหรับการขัดถูก: ช่องว่างในสภาพเย็น ≥ 2.5 เท่าของการสั่นสะเทือนของเพลาปกติ, ≥ 1.3 เท่าของการสั่นสะเทือนของเพลาเมื่อความเร็ววิกฤต (2c ≥ 1.3 × 85 ไมครอน ≈ 110 ไมครอน, การเลือกค่าจริง 400+ ไมครอนค่อนข้างปลอดภัย)
3.3 วิธีการยึดแผ่นเสริม
คาร์บอนกราไฟต์เป็นวัสดุที่เปราะ ไม่สามารถเจาะเกลียวได้ (มีแนวโน้มที่จะแตก) จึงใช้วิธี เสียบช่องรูปนกแก้วด้วยการกดขัด:
- ผนังในของวงแหวนสเตเตอร์ถูกกลึงเป็นช่องรูปนกแก้ว 60° (ความกว้างของช่องจะเล็กกว่าความกว้างก้นรูปนกแก้วของแผ่นเสริมกราไฟต์เล็กน้อย ความกดขัด 0.02-0.03 มม.)
- แผ่นเสริมกราไฟต์ถูกกดเข้าช่องรูปนกแก้วอย่างช้าๆ ที่อุณหภูมิห้อง (เครื่องกด 15 MPa, ความเร็ว 1 มม./วินาที, หลีกเลี่ยงการกระทบ)
- ทั้งสองข้างถูกยึดด้วยแหวนกันลื่นแบบจุดบัดกรี (จุดบัดกรีอยู่ไกลจากกราไฟต์ หลีกเลี่ยงผลกระทบจากความร้อน)
- สุดท้าย เครื่องเจียร์ CNC จะขัดเงินรอบรอบปลายฟันให้ค่า runout ≤ 0.01 มม. และส่วนต่างของความสูงของแต่ละฟัน ≤ 0.005 มม.
4. กรณีศึกษา Huahao Sealing
โรงงานเอทิลีน 800000 ตัน/ปี ของกลุ่มปิโตรเคมีแห่งหนึ่ง มีคอมเพรสเซอร์ก๊าซแคร็กเกอร์ (หนึ่งใน "สามคอมเพรสเซอร์หลัก") (GB201, ผลิตโดย Shengu, เหวี่ยง 6 ระดับ, บีบอัด 4 ส่วน, กำลังไฟฟ้า 15000 kW, ความเร็ว 8200 รอบ/นาที, ซีลห้องคดเคี้ยวระหว่างระดับ 48 ระดับ, แรงดันสื่อกลางสูงสุด 2.5 MPa, อุณหภูมิที่ออก 122℃) เดิมใช้ฟันห้องคดเคี้ยวอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061 ซึ่งมีปัญหาร้ายแรงดังนี้:
1.ฟันสึกหรอได้อย่างรวดเร็ว: ทุกครั้งที่ผ่านความเร็ววิกฤตอันดับ 1 (ประมาณ 4200 รอบ/นาที) การสั่นสะเทือนของเพลา 75-80 ไมครอน ฟันอลูมิเนียมจะขัดถูกแบบแข็งกับบูชชุบโครเมียม หลังจาก 15-20 ครั้งการเริ่ม-หยุด ความสูงของฟันจะสึกหรอไปครึ่งหนึ่ง และช่องว่างของห้องคดเคี้ยวจะขยายจากที่ออกแบบไว้ 0.28 มม. เป็น 0.7-0.9 มม.
2.อัตราการรั่วระหว่างระดับเกินขอบเขต: อัตราการรั่วที่ได้รับการสอบเทียบจากโรงงาน 2.8% (ตามมาตรฐาน API ควรอยู่ที่ ≤ 1.5%) การรั่วเอทิลีนและวัสดุอื่นๆ ประมาณ 0.8 ตันต่อชั่วโมง สูญเสียประมาณ 18 ล้าน CNY ต่อปี
3.การกัดกร่อน H₂S: ก๊าซแคร็กเกอร์มี H₂S 80-120 ppm ฟันห้องคดเคี้ยวบรอนซ์ในส่วนอุณหภูมิต่ำของระดับ 3 (52℃) เกิดการกัดกร่อนถอดสังกะสี ฟันกลายเป็นเปราะและแตกหัก (ในช่วงบำรุงรักษาใหญ่ปี 2017 พบฟันแตกหัก 7 อัน)
ในช่วงบำรุงรักษาใหญ่ปี 2018 ซีลห้องคดเคี้ยว 48 ระดับทั้งหมดถูกเปลี่ยนเป็นโซลูชัน แผ่นเสริมกราไฟต์อิมเพรกเนตบรอนซ์ M150Cu + โครงสร้างสลับกัน (ระดับ 2-4) / ประเภทตรง (ระดับ 1) + การเสียบช่องรูปนกแก้ว + บูชชุบโครเมียมใหม่ที่เข้ากันได้ ของ Huahao Sealing:
- อัตราการรั่ว: หลังจากบำรุงรักษาและสอบเทียบ 0.9% (ดีกว่ามาตรฐาน API 1.5%) การรั่วของเอทิลีนและวัสดุอื่นๆ ลดลง 1.9 ตัน/ชั่วโมง ค่าประหยัดวัสดุต่อปีประมาณ 12 ล้าน CNY (คำนวณตามเอทิลีน 7500 CNY/ตัน)
- อายุซีล: 2018-2024 มีประสบการณ์ 6 ครั้งการเริ่ม-หยุด (รวมถึงการบำรุงรักษาใหญ่ทั้งโรงงาน 2 ครั้ง) ในช่วงปี 2024 การถอดตรวจพบว่าการสึกหรอเฉลี่ยของปลายฟันกราไฟต์เพียง 0.012 มม. (อัตราการสึกหรอ 0.002 มม./ครั้ง) ยังสามารถใช้งานต่อได้อีก 4-6 ปี (ฟันอลูมิเนียมเดิมถูกเปลี่ยนไปแล้ว 4 รอบ)
- การปกป้องบูช: ชั้นชุบโครเมียมของบูชแต่ละส่วนไม่มีความเสียหายที่ชัดเจน ความหยาบยังคงตรงตามข้อกำหนด ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยน (ตามแผนเดิมทุกครั้งที่บำรุงรักษาใหญ่จำเป็นต้องเปลี่ยนบูช ซึ่งประหยัดค่าใช้จ่ายอะไหล่ประมาณ 3.8 ล้าน CNY)
หลักการเลือก: ขนาดของการสั่นสะเทือนของเพลากำหนดวัสดุฟัน (การสั่นสะเทือนของเพลา > 50 ไมครอนจำเป็นต้องใช้แผ่นเสริมกราไฟต์ เพื่อหลีกเลี่ยงการขัดถูกแบบแข็ง) ความกัดกร่อนของสื่อกลางกำหนดสารอิมเพรกเนต (มี H₂S เลือกบรอนซ์อิมเพรกเนต) แรงดันระหว่างระดับกำหนดประเภทโครงสร้าง (> 0.5 MPa เลือกประเภทสลับกัน) ช่องว่างในสภาพเย็นออกแบบตาม 2.5 เท่าของการสั่นสะเทือนของเพลา