ประเด็นสำคัญ
- ปั๊มก้นหอกลั่นภายใต้ความดันปกติ-สุญญากาศรับมือกับกากน้ำมัน 350-380℃; กราไฟต์อิมเพรกเนตเรซินทั่วไปจะคาร์บอไนซ์และเสียเหนือ 300℃ จำเป็นต้องใช้กราไฟต์อิมเพรกเนตอินติมอนี (ทนได้ 500℃)
- ที่อุณหภูมิสูงฟิล์มของเหลวที่ผิวหน้าง่ายต่อการระเหย; จำเป็นต้องใช้ API 682 Plan 23 (หมุนเวียนล้างด้วยการระบายความร้อน) หรือผสม Plan 21+23 เพื่อลดอุณหภูมิห้องซีลให้ต่ำกว่า 200℃
- โครงสร้างแบบสมดุล (ค่าสัมประสิทธิ์โหลด B=0.7-0.8) ลดความดันจำเพาะที่ผิวหน้า; จับคู่กับวัสดุเคลื่อนที่ประกบ SiC อายุการใช้งานถึง 12000-16000 ชั่วโมง
- Huahao Sealing ได้ยืดอายุซีลจาก 4000 เป็น 14000 ชั่วโมงในโครงการปรับปรุงหอกลั่นภายใต้ความดันปกติ-สุญญากาศ 8 ล้านตัน/ปี ของ Sinopec
- ปัจจัยในการเลือกสามข้อ: การไล่เฉดอุณหภูมิของตัวกลาง ปริมาณอนุภาคของแข็ง และความถี่ในการเริ่ม-หยุด — กำหนดชนิดการอิมเพรกเนตและผสมแผนล้างร่วมกัน
ปั๊มก้นหอของหอกลั่นภายใต้ความดันปกติ-สุญญากาศในโรงกลั่นน้ำมันเป็น "หัวใจ" ของอุปกรณ์ กากน้ำมันภายใต้ความดันปกติที่ส่งผ่านมักจะอยู่ที่ 350-380℃ และกากน้ำมันสุญญากาศก็เกิน 380℃ ในสภาวะเช่นนี้ ความน่าเชื่อถือของซีลกลไกกำหนดโดยตรงว่าหน่วยสามารถบรรลุรอบการบำรุงรักษา 4 ปี/ครั้งได้หรือไม่ อ้างอิงจากประสบการณ์หลายปีในการให้บริการโรงกลั่นของ Sinopec และ PetroChina บทความนี้ครอบคลุมอย่างเป็นระบบถึงการเลือกและออกแบบซีลคาร์บอนกราไฟต์สำหรับปั๊มน้ำมันอุณหภูมิสูง
1. สภาวะการทำงานและกลไกการเสียหาย
1.1 ความท้าทายด้านซีลของกากน้ำมันอุณหภูมิสูง
ตัวกลางของปั๊มก้นหอภายใต้ความดันปกติ-สุญญากาศมีลักษณะ "สามสูงหนึ่งมี": อุณหภูมิสูง (350-380℃) ความหนืดสูง (100-500 mm²/s) ความดันไออิ่มตัวสูง (ง่ายต่อการระเหย) และมีอนุภาคของแข็ง (ผงโค้ก สนิม) อุณหภูมิสูงทำให้เรซินอิมเพรกเนตของคาร์บอนกราไฟต์ทั่วไปคาร์บอไนซ์เหนือ 300℃; ความหนืดสูงเพิ่มแรงบิดการเสียดสีที่ผิวหน้า นำไปสู่การแตกร้าวจากความร้อน; ความดันตกที่ผิวหน้าทำให้ตัวกลางแฟลชระเหย ทำลายการหล่อลื่นฟิล์ม; อนุภาคโค้กที่เข้าสู่ผิวหน้าเร่งการสึกหรอ
1.2 รูปแบบความเสียหายทั่วไป
สถิติภาคสนามแสดงให้เห็นว่า 70% ของความเสียหายของซีลกลไกปั๊มน้ำมันอุณหภูมิสูงกระจุกตัวอยู่ในสามประเภท: การแตกร้าวจากความร้อนที่ผิวหน้าวงแหวนกราไฟต์ (35%) การเสียหายจากคาร์บอไนเซชันของสารอิมเพรกเนต (22%) และการยึดติดจากความเหนื่อยล้าของสปริง (13%) สองประเภทแรกเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเลือกวัสดุคาร์บอนกราไฟต์
2. การเลือกวัสดุ: กราไฟต์อิมเพรกเนตอินติมอนี
2.1 ทำไมไม่อิมเพรกเนตเรซิน
กราไฟต์อิมเพรกเนตเรซินเทอร์โมเซตติ้ง (ฟีนอลิก ฟูแรน) มีเพดานอุณหภูมิการใช้งานระยะยาว 200-220℃ หรือ 250℃ ระยะสั้น ในกากน้ำมัน 350℃ เรซินจะคาร์บอไนซ์อย่างต่อเนื่องภายใน 500-2000 ชั่วโมง หลังคาร์บอไนเซชันปริมาตรหดตัว 8-12% พอรอสิตี้เพิ่มจาก 2% เป็นมากกว่า 8% และผิวหน้าซีลเกิดการรั่วซึมแบบทะลุ
2.2 ข้อดีของการอิมเพรกเนตอินติมอนีโลหะ
กราไฟต์อิมเพรกเนตอินติมอนี (Sb) โลหะมีเพดานอุณหภูมิ 500℃ (จุดหลอมเหลวอินติมอนี 630℃) หลังอิมเพรกเนต พอรอสิตี้กราไฟต์ลดต่ำกว่า 1% และชั้นอิมเพรกเนตโลหะไม่สลายตัวหรือหดตัวที่อุณหภูมิสูง คงที่ในระยะยาว ค่าการนำความร้อนของอินติมอนี (24 W/(m·K)) สูงกว่าเรซิน (0.2 W/(m·K)) มาก ช่วยกระจายความร้อนจากการเสียดสีที่ผิวหน้า
กราไฟต์อิมเพรกเนตอินติมอนี M106H-Sb ของ Huahao Sealing ในบริการกากน้ำมัน 380℃ แสดง: อายุการใช้งานเฉลี่ยของ M106H อิมเพรกเนตเรซินคือ 4200 ชั่วโมง ในขณะที่ M106H-Sb อิมเพรกเนตอินติมอนีเฉลี่ย 13800 ชั่วโมง — อายุการใช้งานเพิ่มขึ้น 3.3 เท่า
2.3 การเลือกวัสดุประกบ
สำหรับกากน้ำมันอุณหภูมิสูง จับคู่คาร์บอนกราไฟต์กับซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ค่าการนำความร้อน SiC ถึง 120-150 W/(m·K) สามเท่าของฮาร์ดอัลลอย นำความร้อนจากการเสียดสีผิวหน้าออกอย่างรวดเร็ว หลีกเลี่ยงอะลูมินาเซรามิก (ค่าการนำความร้อนเพียง 30 W/(m·K)) ซึ่งมีแนวโน้มแตกร้าวจากความเครียดความร้อนที่อุณหภูมิสูง
3. จุดการออกแบบโครงสร้าง
3.1 ค่าสัมประสิทธิ์โหลดสมดุล
การใช้งานอุณหภูมิสูงต้องใช้โครงสร้างแบบสมดุล ค่าสัมประสิทธิ์โหลด B ที่ 0.7-0.8 แบบไม่สมดุล (B≥1) สร้างความดันจำเพาะผิวหน้าที่มากเกินไปในกากน้ำมัน 350℃ บีบให้ฟิล์มที่บางลงที่อุณหภูมิสูงแตกออก ทำให้เกิดแรงเสียดสีแห้ง
3.2 ท่อระฆังโลหะแทนสปริง
สำหรับปั๊มน้ำมันอุณหภูมิสูง ท่อระฆังโลหะ Inconel 718 แนะนำให้ใช้แทนสปริงเกลียวทรงกระบอกทั่วไป ท่อระฆังทำหน้าที่ทั้งเป็นองค์ประกอบยืดหยุ่นและซีลเสริม ตัด O-ring ออก (O-ring FKM ที่ 350℃ อยู่ได้เพียง 2000-3000 ชั่วโมง) และทนความร้อนโดยรวมเหนือ 400℃
4. แผนล้าง: API 682 Plan 23
4.1 Plan 23 การหมุนเวียนล้างด้วยการระบายความร้อน
Plan 23 เป็นโซลูชันที่ต้องการสำหรับปั๊มน้ำมันอุณหภูมิสูง: ตัวกลางดึงจากห้องซีลผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนระบายให้ต่ำกว่า 200℃ แล้วกลับสู่ห้องซีล เป็นวงจรปิด ปริมาณน้ำหล่อเย็นประมาณ 0.5-1.0 m³/h ลดอุณหภูมิห้องจาก 350℃ ลงเหลือ 180-200℃ กำจัดความเสี่ยงการระเหยโดยพื้นฐาน
4.2 ผสม Plan 21+23
สำหรับกากน้ำมันสุญญากาศที่มีอนุภาคมาก Plan 21 (น้ำมันขี้ผึ้งสะอาดจากทางออกปั๊ม ผ่านแผ่นเจาะลดความดัน ฉีดเข้าห้องซีล) สามารถขนานกับ Plan 23 — แผนล้างคู่ที่ทำหน้าที่ทั้งระบายความร้อนและบล็อกอนุภาค
5. กรณีศึกษา Huahao Sealing
ปั๊มก้นหอหอกลั่นภายใต้ความดันปกติ-สุญญากาศ 8 ล้านตัน/ปี ของ Sinopec (อัตราการไหล 450 m³/h อุณหภูมิ 365℃ ตัวกลางมีผงโค้ก) เดิมใช้ซีลกลไกแบรนด์นำเข้าอายุการใช้งานเฉลี่ย 4000 ชั่วโมง ปีละ 3 ครั้งที่หยุดเครื่องเนื่องจากการรั่วซึม หลังเปลี่ยนเป็นโซลูชัน M106H-Sb + SiC + ท่อระฆัง Inconel + Plan 23 ของ Huahao Sealing ในปี 2019 อายุการใช้งานเฉลี่ยถึง 14000 ชั่วโมง ในระยะเวลา 4 ปีสะสม 56000 ชั่วโมง มีการเปลี่ยนเพียง 4 ชุดซีล ประหยัดค่าอะไหล่ประมาณ 800000 CNY
การเลือกต้องพิจารณาปัจจัยสามประการ: การไล่เฉดอุณหภูมิของตัวกลาง ปริมาณอนุภาค และความถี่ในการเริ่ม-หยุด การผันความร้อนมากให้ใช้ท่อระฆัง; อนุภาคมากให้ใช้ Plan 21+23; เริ่ม-หยุดบ่อยควรลดความดันจำเพาะผิวหน้าลงเหลือ 0.3-0.4 MPa