สถานะปัจจุบันและอันตรายจากความล้มเหลวของซีลแรงดันสูง
วาล์วปั๊มแรงดันสูง (≥10MPa) เป็นส่วนประกอบหลักในด้านปิโตรเคมีและระบบส่งกำลังไฮดรอลิก ความล้มเหลวของซีลอาจทำให้เกิดการรั่วไหลปานกลาง ประสิทธิภาพลดลง และแม้แต่อุบัติเหตุด้านความปลอดภัย เช่น ไฟไหม้และการระเบิด ข้อมูลแสดงให้เห็นว่า 42% ของความล้มเหลวของวาล์วปั๊มภายใต้สภาวะแรงดันสูงมีสาเหตุมาจากปัญหาการซีล ซึ่ง 80% เป็นผลมาจากการเลือกวัสดุที่ไม่ถูกต้องหรือการออกแบบโครงสร้างที่ไม่สมเหตุสมผล—ปัญหาที่สามารถบรรเทาลงได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการออกแบบที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับส่วนประกอบ เช่น วาล์วควบคุมทิศทางของไหลแบบปิดผนึก ปั๊มไดอะแฟรมแบบปิดผนึก และปั๊มถ่ายเทของเหลวแบบปิดผนึก
การวิเคราะห์รูปแบบความล้มเหลวหลักสามรูปแบบ
1. วัสดุ "การอัดรีดฉีกขาด"
เมื่อความดันของระบบเกินขีดจำกัดการป้องกันการอัดขึ้นรูปของวัสดุซีล ซีลจะถูกบีบลงในช่องว่างซีล (0.1-0.3 มม.) ทำให้เกิดการฉีกขาดของริมฝีปากหรือการเปลี่ยนรูปหน้าตัด ตัวอย่างเช่น แหวนยูริงยางไนไตรล์ (NBR) ที่ใช้ในปั๊มลูกสูบแรงดันสูง 30MPa พัฒนารอยบากของการอัดขึ้นรูปหลังจากใช้งานไป 200 ชั่วโมง เหตุผลหลักคือความแข็งแรงป้องกันการอัดขึ้นรูปของ NBR อยู่ที่ 12MPa ต่ำกว่า 30MPa เท่านั้น ซึ่งไม่เพียงพอที่จะต้านทานแรงกระแทกแรงดันสูง ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่สำคัญสำหรับการใช้งานแรงดันสูงที่เกี่ยวข้องกับปั๊มไฮดรอลิกแบบปิดผนึกขนาดเล็กหรือวาล์วแบบปิดผนึกขนาดเล็ก ประสิทธิภาพการป้องกันการอัดขึ้นรูปของวัสดุยางมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับความแข็งและโมดูลัสยืดหยุ่น วัสดุที่มีความแข็งต่ำกว่า 80 Shore A มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวภายใต้แรงกดดัน ≥20MPa
2. ปานกลาง “การรั่วไหลของการซึมผ่าน”
แรงดันสูงช่วยลดแรงตึงผิวระหว่างโมเลกุลตัวกลางและวัสดุซีล ช่วยเร่งการซึมผ่าน แม้ว่าจะไม่เกิดความเสียหายกับซีลด้วยตาเปล่า แต่การรั่วไหลเรื้อรังก็อาจเกิดขึ้นได้ ในสภาพแวดล้อมไนโตรเจน 25MPa ความสามารถในการซึมผ่านของก๊าซของฟลูออโรรับเบอร์ (FKM) อยู่ที่ 3.2 เท่าของความดันปกติ สำหรับซีล FKM ที่ใช้ในบอลวาล์วเคมี (ประเภทของวาล์วควบคุมทิศทางของไหลแบบปิดผนึก) การรั่วไหลสะสมถึง 1.2 ลิตรใน 6 เดือน ซึ่งเกินมาตรฐานที่อนุญาตที่ 0.1 ลิตร/ปีมาก ของเหลวมีขั้วซึมผ่านการบวมของวัสดุ ในขณะที่ก๊าซซึมผ่านการแพร่กระจายของโมเลกุล ซึ่งจำเป็นต้องมีการเลือกวัสดุที่เป็นเป้าหมายสำหรับตัวกลางที่แตกต่างกันในปั๊มถ่ายเทของไหลแบบปิดผนึกและปั๊มไดอะแฟรมแบบปิดผนึก
3. "การแก่ชราจากความร้อน" ที่เกิดจากแรงเสียดทาน
แรงดันสูงจะเพิ่มแรงกดสัมผัสระหว่างซีลและพื้นผิวผสมพันธุ์ เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีและสร้างความร้อน ซึ่งจะช่วยเร่งการเสื่อมสภาพของวัสดุและก่อให้เกิดวงจรอุบาทว์ของ "อุณหภูมิสูง → การแข็งตัว → แรงเสียดทานที่เข้มข้น" สำหรับวาล์วไฮดรอลิก 20MPa เมื่อความดันสัมผัสเพิ่มขึ้นจาก 5MPa เป็น 10MPa ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเพิ่มขึ้นจาก 0.3 เป็น 0.5 และอุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นจาก 60°C เป็น 95°C โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อัตราการเสื่อมสภาพจากเทอร์โมออกซิเดชันของ NBR ที่ 95°C อยู่ที่ 2.8 เท่าของที่ 60°C ซึ่งเป็นข้อกังวลหลักสำหรับความน่าเชื่อถือในระยะยาวของปั๊มไฮดรอลิกแบบปิดผนึกขนาดเล็กและวาล์วแบบปิดผนึกขนาดเล็ก
กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานร่วมกันแบบ 3 มิติ
1. การอัพเกรดวัสดุ
ตัวบ่งชี้หลักสำหรับวัสดุซีลต้องเป็นไปตาม: ความต้านทานการอัดขึ้นรูป ≥20MPa ชุดการบีบอัด (150°C×70h < 15%) และอัตราการบวมปานกลาง < 5%
สำหรับสภาพการทำงาน 20-30MPa: แนะนำให้ใช้ยางไนไตรล์เติมไฮโดรเจน (HNBR) โดยมีความแข็งแรงป้องกันการอัดขึ้นรูป 25MPa และอัตราการบวมตัวเพียง 3% ในน้ำมันแร่ อายุการใช้งานเป็น 4 เท่าของ NBR ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับปั๊มไดอะแฟรมแบบปิดผนึกและปั๊มถ่ายเทของเหลวแบบปิดผนึก
สำหรับสภาพการทำงาน 30-40MPa: แนะนำให้ใช้ยางฟลูออโร (FKM) หรือเพอร์ฟลูออโรอีลาสโตเมอร์ (FFKM) FKM มีความต้านทานการอัดขึ้นรูปที่ 30MPa ในขณะที่ FFKM สามารถเข้าถึง 40MPa ซึ่งเหมาะสำหรับวาล์วควบคุมทิศทางของไหลปิดผนึกแรงดันสูง
การเพิ่มคาร์บอนไฟเบอร์ 15%-20% ให้กับ FKM สามารถเพิ่มความแข็งแรงป้องกันการอัดขึ้นรูปได้ 30% ในขณะที่ลดค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสี ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มไฮดรอลิกแบบปิดผนึกขนาดเล็ก
2. นวัตกรรมโครงสร้าง
มีการออกแบบที่ผสมผสานระหว่าง "ซีลหลัก + การป้องกันเสริม": การติดตั้งรีเทนเนอร์โพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) (ความหนา 1.5-2 มม. ความแข็ง ≥50 Shore D) ที่ด้านแรงดันต่ำของซีลสามารถลดความเสี่ยงจากการอัดขึ้นรูปได้ 90% หลังจากติดตั้งปั๊มลูกสูบขนาด 35MPa อีกครั้ง (ติดตั้งวาล์วปิดผนึกขนาดเล็ก) อายุการใช้งานของซีลก็ขยายจาก 300 ชั่วโมงเป็น 1500 ชั่วโมง
การปรับหน้าตัดของซีลให้เหมาะสม: การเปลี่ยนมุมปากของวงแหวน Y จาก 60° เป็น 45° ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการกระจายแรงกดสัมผัสที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น ซึ่งช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีลง 15% ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับปั๊มถ่ายเทของเหลวแบบปิดผนึก
การเพิ่มเนื้อ 0.5 มม. ที่ด้านล่างของแหวน U จะช่วยลดความเข้มข้นของความเค้นและเพิ่มความต้านทานการฉีกขาดได้ 20% ซึ่งช่วยเพิ่มความทนทานของปั๊มไฮดรอลิกแบบปิดผนึกขนาดเล็ก
3. การควบคุมกระบวนการ
ความแม่นยำของพื้นผิวการผสมพันธุ์ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการปิดผนึก: ความหยาบของพื้นผิวการปิดผนึกจะต้องได้รับการควบคุมภายใน Ra0.4-0.8μm; Ra > 1.6μm จะสร้างช่องรั่ว หลังจากการบดวาล์ว 25MPa (วาล์วควบคุมทิศทางของไหลแบบปิดผนึก) การรั่วไหลลดลงจาก 0.5 มล./นาทีเป็น <0.01 มล./นาที
ช่องว่างซีลรัศมีต้องเป็น ≤0.1 มม. เกิน 0.2 มม. จะเพิ่มความเสี่ยงในการอัดขึ้นรูปอย่างมาก หลังจากลดช่องว่างของวาล์วไฮดรอลิก 30MPa (ใช้กับปั๊มไดอะแฟรมแบบปิดผนึก) จำนวนความล้มเหลวของซีลลดลง 75%
กรณีเชิงประจักษ์ของการเพิ่มประสิทธิภาพ
ปั๊มฉีดน้ำแรงดันสูง 35MPa ของบ่อน้ำมันเดิมใช้โอริง NBR เนื่องจากความแข็งแรงในการป้องกันการอัดขึ้นรูปไม่เพียงพอ ความหยาบของพื้นผิวการซีล Ra=1.6μm และไม่มีการออกแบบรีเทนเนอร์ อายุการใช้งานของซีลจึงอยู่ที่ 15 วันเท่านั้น
แผนการเพิ่มประสิทธิภาพ: แทนที่ NBR ด้วย FKM ที่เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (ความแข็ง 85 Shore A) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันการอัดขึ้นรูปสำหรับความต้องการแรงดันสูง
ติดตั้งตัวยึด PTFE หนา 2 มม. เพื่อป้องกันการอัดขึ้นรูป ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการปกป้องวาล์วปิดผนึกขนาดเล็กในปั๊ม
บดพื้นผิวการซีลเป็น Ra0.4μm และควบคุมช่องว่างเป็น 0.08 มม. เพื่อกำจัดช่องรั่ว
ผลลัพธ์การเพิ่มประสิทธิภาพ: อายุการใช้งานของซีลขยายออกไปเป็น 180 วัน การรั่วไหลลดลงจาก 1.2 ลิตร/วัน เป็น 0.05 ลิตร/วัน และการสูญเสียเวลาหยุดทำงานต่อปีลดลงประมาณ 500,000 หยวน กรณีนี้จะตรวจสอบประสิทธิภาพของกลยุทธ์ 3 มิติสำหรับปั๊มถ่ายเทของเหลวแบบปิดผนึกและอุปกรณ์แรงดันสูงที่คล้ายกัน
บทสรุป
การเพิ่มประสิทธิภาพของซีลวาล์วปั๊มแรงดันสูงถือเป็น "ศิลปะแห่งความสมดุล" ในด้านประสิทธิภาพของวัสดุ การออกแบบโครงสร้าง และความแม่นยำในการผสมพันธุ์ ไม่มีวิธีแก้ปัญหาแบบ "ขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน" กลยุทธ์ที่กำหนดเองต้องได้รับการพัฒนาตามสภาพการทำงานเฉพาะ (ความดัน ปานกลาง อุณหภูมิ และโหมดการเคลื่อนไหว) ขอแนะนำให้สร้างฐานข้อมูลความสัมพันธ์ของ "ซีล - พื้นผิวผสมพันธุ์ - พารามิเตอร์สภาพการทำงาน" และตรวจสอบความเป็นไปได้ของโครงร่างผ่านการทดสอบเบื้องต้น (เช่น การทดลองจำลองแรงดันสูง) เพื่อขจัดความเสี่ยงที่จะเกิดความล้มเหลวที่แหล่งกำเนิด เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือในระยะยาวของวาล์วแบบปิดผนึกขนาดเล็ก วาล์วควบคุมทิศทางของไหลแบบปิดผนึก ปั๊มไดอะแฟรมแบบปิดผนึก ปั๊มถ่ายโอนของเหลวแบบปิดผนึก และปั๊มไฮดรอลิกแบบปิดผนึกขนาดเล็กในสภาพแวดล้อมแรงดันสูง
