Cách chọn phớt cơ khí cho nhiệt độ cao

Phớt cơ khí cho nhiệt độ cao là gì

Phớt cơ khí chịu nhiệt độ cao là một thành phần quan trọng trong thiết bị quay hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Các phớt chuyên dụng này được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao trong khi vẫn duy trì hiệu quả bịt kín, ngăn ngừa rò rỉ và đảm bảo hoạt động đáng tin cậy. Phớt cơ khí chịu nhiệt độ cao được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm dầu khí, chế biến hóa chất, phát điện và hàng không vũ trụ.

Phớt cơ khí chịu nhiệt độ cao được thiết kế để giải quyết những thách thức độc đáo do môi trường nhiệt độ cao gây ra. Chúng phải đối mặt với sự giãn nở nhiệt, sự xuống cấp của vật liệu, sự bay hơi chất lỏng và khả năng đóng cặn hoặc bám bẩn của các thành phần phớt. Để giải quyết những vấn đề này, phớt chịu nhiệt độ cao kết hợp các tính năng như mặt phớt cân bằng, các thành phần nổi và các kết hợp vật liệu tiên tiến có thể chịu được nhiệt độ cực cao và duy trì được sự ổn định về kích thước của chúng.

Thách thức của môi trường nhiệt độ cao đối với phớt cơ khí

Sự suy thoái vật liệu

Nhiệt độ cao có thể khiến vật liệu bịt kín bị phân hủy, mất tính chất cơ học và hỏng sớm. Polyme, chất đàn hồi và thậm chí cả kim loại có thể mềm, giòn hoặc trải qua những thay đổi về mặt hóa học ở nhiệt độ cao, làm giảm hiệu suất bịt kín.

Sự giãn nở vì nhiệt và biến dạng cơ học

Biến động và độ dốc nhiệt độ có thể dẫn đến sự giãn nở nhiệt khác biệt giữa các thành phần bịt kín và thiết bị liền kề. Điều này có thể dẫn đến biến dạng cơ học, mất tiếp xúc bịt kín và đường rò rỉ.

Sự bay hơi chất lỏng và chạy khô

Chất lỏng nhiệt độ cao dễ bị bốc hơi, đặc biệt là ở giao diện niêm phong. Sự bốc hơi có thể dẫn đến tình trạng chạy khô, tăng độ mài mòn và hỏng phớt. Duy trì màng chất lỏng ổn định là rất quan trọng để bôi trơn phớt và tản nhiệt.

Coking và bám bẩn các thành phần của phớt

Một số chất lỏng nhiệt độ cao, chẳng hạn như hydrocarbon, có thể bị đóng cốc hoặc để lại cặn trên bề mặt và thành phần phớt. Đóng cốc và bám bẩn làm gián đoạn giao diện phớt, gây mài mòn và làm giảm hiệu suất phớt.

Các yếu tố chính trong việc lựa chọn phớt cơ khí cho dịch vụ nhiệt độ cao

Thuộc tính chất lỏng xử lý

Các đặc tính của chất lỏng quy trình đóng vai trò quan trọng trong việc xác định phớt cơ khí thích hợp cho dịch vụ nhiệt độ cao. Những cân nhắc chính bao gồm thành phần hóa học, độ nhớt và khả năng thay đổi pha của chất lỏng ở nhiệt độ cao.

Ví dụ, chất lỏng có áp suất hơi cao có thể yêu cầu thiết kế phớt chuyên dụng để ngăn ngừa sự bốc hơi và duy trì chất lỏng tại giao diện phớt. Ngoài ra, chất lỏng ăn mòn hoặc có tính ăn mòn có thể cần sử dụng vật liệu mặt phớt và chất đàn hồi có khả năng chống hóa chất để ngăn ngừa hỏng hóc sớm.

Giới hạn nhiệt độ của vật liệu niêm phong

Môi trường nhiệt độ cao có thể đẩy vật liệu làm kín đến giới hạn của chúng, khiến việc lựa chọn các thành phần có thể chịu được các điều kiện vận hành dự kiến trở nên cần thiết. Xếp hạng nhiệt độ tối đa của vật liệu mặt làm kín, chẳng hạn như silicon carbide, tungsten carbide và carbon graphite, phải được đánh giá cẩn thận để đảm bảo chúng có thể duy trì tính toàn vẹn và các đặc tính ma sát ở nhiệt độ vận hành mong muốn.

Tương tự như vậy, các chất đàn hồi được sử dụng trong phớt thứ cấp, chẳng hạn như FKM, FFKM và PTFE, nên được lựa chọn dựa trên tính ổn định nhiệt độ và khả năng giữ nguyên các đặc tính bịt kín của chúng trong điều kiện nhiệt độ cao.

Khả năng chịu áp suất của thiết kế phớt

Xếp hạng áp suất của phớt cơ khí là một yếu tố quan trọng khác trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Thiết kế phớt phải có khả năng chịu được áp suất vận hành dự kiến mà không làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của giao diện bịt kín hoặc cho phép rò rỉ quá mức.

Các sắp xếp phớt liền kề và phớt song song thường được sử dụng trong các dịch vụ áp suất cao, nhiệt độ cao để cung cấp thêm khả năng dự phòng phớt và tăng cường khả năng chịu áp suất. Việc lựa chọn vật liệu mặt phớt có cường độ nén cao và sử dụng thiết kế vỏ phớt chắc chắn có thể cải thiện thêm hiệu suất chịu áp suất của phớt cơ khí trong môi trường nhiệt độ cao đòi hỏi khắt khe.

Tốc độ trục và động lực học thiết bị

Tốc độ quay của thiết bị và động lực trục liên quan có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của phớt cơ khí trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Tốc độ trục cao có thể tạo ra nhiệt tăng ở giao diện phớt do ma sát, dẫn đến mài mòn nhanh hơn và biến dạng nhiệt tiềm ẩn của các thành phần phớt.

Để giảm thiểu những vấn đề này, có thể sử dụng các thiết kế phớt với các tính năng bôi trơn nâng cao, chẳng hạn như rãnh xoắn ốc hoặc các mẫu mặt khắc bằng laser, để cải thiện khả năng tản nhiệt và duy trì lớp màng chất lỏng ổn định giữa các mặt phớt. Ngoài ra, việc sử dụng phớt thứ cấp graphite linh hoạt hoặc Grafoil có thể điều chỉnh độ lệch trục và giảm thiểu tác động của động lực học thiết bị lên hiệu suất phớt trong dịch vụ nhiệt độ cao.

Các loại phớt cơ khí và cách sắp xếp cho các ứng dụng nhiệt độ cao

Sắp xếp liên tiếp

Trong cách sắp xếp phớt lưng-lưng, hai phớt cơ khí được lắp với các tấm sau hướng vào nhau. Cấu hình này cho phép chất lỏng làm mát hoặc chất lỏng chắn lưu thông giữa các phớt, quản lý hiệu quả việc tản nhiệt.

Phớt liền lưng lý tưởng cho các ứng dụng nhiệt độ cao, nơi chất lỏng quy trình đặc biệt nóng hoặc nơi sự giãn nở nhiệt của các thành phần là mối quan tâm. Chất lỏng chắn giúp duy trì môi trường ổn định cho các mặt phớt, ngăn ngừa sự xuống cấp của vật liệu và đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Sắp xếp gặp mặt trực tiếp

Bố trí phớt mặt đối mặt có hai phớt cơ khí được lắp với mặt phớt hướng về nhau. Thiết lập này có lợi trong các ứng dụng nhiệt độ cao, nơi chất lỏng quy trình sạch và không gây nguy cơ tắc nghẽn hoặc làm bẩn các thành phần phớt.

Phớt mặt đối mặt cho phép tản nhiệt hiệu quả qua các mặt phớt, vì chất lỏng làm mát có thể tiếp xúc trực tiếp với cả hai bộ mặt. Bố trí này thường được sử dụng kết hợp với sơ đồ đường ống phù hợp để đảm bảo làm mát và bôi trơn đúng cách cho các mặt phớt.

Sắp xếp song song

Các sắp xếp phớt song song bao gồm hai phớt cơ khí được lắp nối tiếp, với một chất lỏng đệm ở giữa. Cấu hình này cung cấp thêm một mức độ bảo vệ chống rò rỉ và thường được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao, nơi chất lỏng quy trình nguy hiểm hoặc nhạy cảm với môi trường.

Chất lỏng đệm có tác dụng bôi trơn và làm mát bề mặt phớt, đồng thời đóng vai trò như một rào cản giữa chất lỏng trong quy trình và khí quyển. Phớt Tandem đặc biệt hiệu quả trong việc ngăn ngừa chất lỏng bốc hơi và chạy khô, vì chất lỏng đệm duy trì trạng thái lỏng ngay cả ở nhiệt độ cao.

Hướng dẫn lựa chọn vật liệu cho phớt cơ khí nhiệt độ cao

Vật liệu mặt:

• Silicon carbide: Độ dẫn nhiệt cao, khả năng chống mài mòn, khả năng tương thích hóa học, khả năng chống sốc nhiệt. Thích hợp cho nhiệt độ lên đến 1800°F (982°C).
• Cacbua vonfram: Khả năng chống mài mòn vượt trội, lý tưởng cho môi trường mài mòn.
• Than chì cacbon: Tự bôi trơn, ổn định nhiệt, phù hợp với điều kiện chạy khô và nhiệt độ lên tới 1000°F (538°C).

Chất đàn hồi:

• Vật liệu đàn hồi fluoro (FKM): Chịu được nhiệt độ lên tới 400°F (204°C), có khả năng chống hóa chất tốt.
• Perfluoroelastomers (FFKM): Có thể chịu được nhiệt độ lên tới 600°F (316°C), có khả năng chống hóa chất đặc biệt.
• Polytetrafluoroethylene (PTFE): Độ ổn định nhiệt tuyệt vời, ma sát thấp, trơ về mặt hóa học. Thích hợp cho nhiệt độ lên đến 500°F (260°C).

Luyện kim:

• Thép không gỉ (ví dụ: 316L, 17-4PH): Độ bền, độ cứng, khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao.
• Hợp kim Hastelloy và Inconel: Khả năng chống ăn mòn vượt trội và hiệu suất nhiệt độ cao. Lý tưởng cho môi trường hóa chất khắc nghiệt và nhiệt độ vượt quá 1000°F (538°C).

Phớt thứ cấp:

• Than chì mềm: Khả năng bịt kín tuyệt vời, dẫn nhiệt, kháng hóa chất. Thích hợp cho nhiệt độ lên đến 1200°F (649°C).
• Grafoil: Có tính chất tương tự như than chì dẻo, có thể chịu được nhiệt độ lên tới 850°F (454°C).

Hệ thống hỗ trợ phớt cơ khí cho dịch vụ nhiệt độ cao

Hệ thống chất lỏng đệm và rào cản

Hệ thống chất lỏng chắn đưa chất lỏng tương thích vào giữa các mặt phớt, tạo ra một rào cản vật lý giữa chất lỏng quy trình và khí quyển. Chất lỏng chắn này được duy trì ở áp suất cao hơn chất lỏng quy trình, ngăn không cho chất lỏng quy trình tiếp cận các mặt phớt.

Ngược lại, hệ thống chất lỏng đệm sử dụng chất lỏng tương thích với cả chất lỏng quy trình và vật liệu làm kín, nhưng ở áp suất thấp hơn chất lỏng quy trình. Chất lỏng đệm giúp làm mát và bôi trơn bề mặt phớt, giảm tỏa nhiệt và kéo dài tuổi thọ phớt.

Kế hoạch đường ống

Các kế hoạch đường ống là các sắp xếp chuẩn hóa của thiết bị phụ trợ và đường ống hỗ trợ phớt cơ khí trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả dịch vụ nhiệt độ cao. Các kế hoạch này được chỉ định bằng số theo Tiêu chuẩn 682 của Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API). Một số kế hoạch đường ống phổ biến cho phớt cơ khí nhiệt độ cao bao gồm:

• Kế hoạch 23: Kế hoạch này sử dụng bộ trao đổi nhiệt để làm mát chất lỏng chắn, được tuần hoàn bằng vòng bơm hoặc bơm ngoài. Chất lỏng chắn được làm mát giúp duy trì nhiệt độ ổn định tại các mặt phớt.
• Kế hoạch 52: Trong cách sắp xếp này, một bình chứa bên ngoài cung cấp chất lỏng đệm cho khoang phớt thông qua ống lót bướm ga. Chất lỏng đệm giúp làm mát và bôi trơn các mặt phớt, trong khi ống lót bướm ga kiểm soát lưu lượng và duy trì chênh lệch áp suất mong muốn.
• Kế hoạch 53A: Kế hoạch này kết hợp các tính năng của Kế hoạch 52 và 23, sử dụng một bể chứa bên ngoài chịu áp suất để cung cấp chất lỏng chắn cho khoang đệm và một bộ trao đổi nhiệt để làm mát chất lỏng tuần hoàn.
• Kế hoạch 54: Tương tự như Kế hoạch 53A, kế hoạch này sử dụng một bể chứa áp suất bên ngoài và một bộ trao đổi nhiệt, nhưng cũng bao gồm một ống lót bướm ga khe hở hẹp để kiểm soát dòng chất lỏng chắn và duy trì chênh lệch áp suất.