ตลับลูกปืนคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกปกป้องปั๊มจากสภาวะการทำงานที่รุนแรง
การลดเวลาหยุดทำงานของปั๊มจะส่งผลโดยตรงต่อผลกำไร ปั๊มแบบขับเคลื่อนด้วยแม็กและมอเตอร์แบบไม่มีซีล ซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีและพลังงาน ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและลดการปล่อยมลพิษและการรั่วไหลเมื่อเปรียบเทียบกับปั๊มแบบปิดผนึกแบบดั้งเดิม ทางเลือกระหว่างปั๊มแบบไม่มีซีลและแบบปิดสนิทมักเกี่ยวข้องกับการประหยัดทั้งเวลาและเงิน การเลือกที่ถูกต้องอาจส่งผลต่อความสมบูรณ์และความน่าเชื่อถือของการปฏิบัติงานโดยรวม
ข้อ จำกัด ของวัสดุแบริ่ง
ปั๊มไร้ซีลใช้ตลับลูกปืนแบบปลอกซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะกลึงจากกราไฟท์คาร์บอนหรือซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เผาผนึก (SiC) ความแข็งของวัสดุเหล่านี้ช่วยให้ทนต่อการสึกหรอในระหว่างการสูบน้ำของสื่อที่เป็นของแข็งรวม อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการวิ่งแบบแห้งที่จำกัดของคาร์บอนกราไฟต์ทำให้การใช้งานในระบบที่มีภาระน้อยที่สุดและการหล่อลื่นคงที่
ตลับลูกปืน SiC มีประสิทธิภาพไตรโบโลยีที่ยอดเยี่ยม ทนทานต่อการสึกหรอ และทนต่อสารเคมี แต่สามารถทนทุกข์ทรมานจากการแตกหักที่เปราะบางจากภัยพิบัติ
ตลับลูกปืนมีปัญหาในการดูดซับแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนที่พบในสภาวะที่ปั๊มไม่ทำงาน ทั้งคาร์บอนกราไฟต์และ SiC มีความเสี่ยงต่อความร้อนและแรงกระแทกทางกล ซึ่งนำไปสู่การแตกหักและในที่สุด ลูกปืนจะพัง
ตลับลูกปืนคาร์บอนกราไฟต์และตลับลูกปืน SiC ทำงานได้ดีในสภาวะการทำงานของปั๊มในสภาวะคงที่ แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรงภายในสภาวะที่ปั๊มทำงานไม่ปกติ ในระหว่างที่ตลับลูกปืนชำรุดเสียหาย เศษเซรามิกที่มีความแข็งสูงอาจทำให้ปั๊มทำงานล้มเหลวโดยสิ้นเชิง ความล้มเหลวส่งผลให้เกิดการหยุดทำงานและภาระทางการเงินที่สำคัญ
สารประกอบเซรามิกประสิทธิภาพสูง
คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก (CMC) ได้รับการพัฒนาเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของวัสดุแบริ่งเสาหิน คอมปาวน์ประสิทธิภาพสูงได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมให้มีคุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนและการสึกหรอที่คล้ายคลึงกันเมื่อเปรียบเทียบกับเซรามิก SiC แบบเสาหิน คอมโพสิตแสดงความต้านทานการแตกหักที่มากขึ้น ความแข็งผิวที่ปรับได้ และการควบคุมการนำความร้อนและไฟฟ้า
CMC ประกอบด้วยวัสดุเสริมเส้นใยที่มีซิลิกอนออกซีคาร์ไบด์หรือเมทริกซ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ สามารถปรับคุณสมบัติของพื้นผิว เทกอง และไตรโบโลยีได้ผ่านสารตัวเติมและการปรับพื้นผิวไฟเบอร์ ปรับแต่งวัสดุทางวิศวกรรมให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะ ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำของคอมโพสิตสามารถควบคุมได้โดยการปรับเปลี่ยนผลึกจำนวนมาก ประเภทเส้นใยภายใน และสถาปัตยกรรมเส้นใย ในการใช้งานตลับลูกปืน วัสดุวิศวกรรมที่ได้รับการดัดแปลงสามารถใช้ในการสัมผัสโดยตรงกับเพลาสแตนเลส ช่วยลดความจำเป็นในการใช้วงแหวนความทนทานต่อโลหะเพื่อสร้างการแทรกสอดที่พอดี
วิศวกรที่ JX Nippon เคมี เท็กซัส Inc. ในเมืองพาซาดีนา รัฐเท็กซัส ทำงานร่วมกับผู้ให้บริการเพื่อทำการทดสอบตลับลูกปืน CMC ที่เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ บริษัทต้องการลดเวลาหยุดทำงานจากการเปลี่ยนตลับลูกปืนกราไฟท์คาร์บอนเสาหินแบบ OEM เป็นประจำ ตลับลูกปืนล้มเหลวเป็นประจำเนื่องจากการสั่นสะเทือนแตกหักระหว่างการเกิดโพรงอากาศและ/หรือสภาวะแห้ง
วิศวกรของ JX Nippon เชื่อว่าความต้านทานการแตกหักทางกลและความร้อนของ CMC จะเพิ่มความยืดหยุ่นของตลับลูกปืนในสภาวะที่ปั๊มขัดข้อง
สี่ขั้นตอนของการทดสอบ
ปั๊มมอเตอร์แบบกระป๋องที่มีการหมุนเวียนภายใน เทโคคุ กวาง Inc. G-362 พร้อมเพลาหมุนที่เคลือบ สเตลไลต์ 1 ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ทดสอบ (ดูรูปที่ 1) ของไหลในกระบวนการคืออะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนโดยรอบที่มีความหนืด 3.0 เซนติพอยส์ (cP) และแรงดันการคายประจุ 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psig) ชุดตลับลูกปืน CMC ของการทดสอบถูกจัดเตรียมตามแบบการผลิต และประกอบด้วยแกน CMC ที่กลึงด้วยความร้อนและตรึงไว้ในตัวพาเหล็ก (ดูรูปที่ 2)
รูปที่ 1 ปั๊มมอเตอร์แบบกระป๋องพร้อมแบริ่งผสมเซรามิกเมทริกซ์สีส้ม
รูปที่ 2 แบริ่งคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกและชุดประกอบเหล็กยึด
ชุดตลับลูกปืน CMC ซึ่งกำหนดเป็นทั้งชุดประกอบตัวพาตำแหน่งด้านหน้าและด้านหลัง ได้รับการทดสอบในสี่ขั้นตอนต่อไปนี้ ขั้นตอนแรกใช้ปั๊มที่มีตลับลูกปืน CMC เป็นเวลาหกชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีปัญหาในทันที ขั้นตอนที่สองดำเนินการปั๊มภายใต้สภาวะการทำงานปกติเป็นเวลา 30 วัน ของเหลวในกระบวนการถูกหมุนเวียนซ้ำเพื่อให้แน่ใจว่าปั๊มทำงานเป็นเวลาอย่างน้อย 40 ชั่วโมงต่อสัปดาห์ ปั๊มถูกถอดประกอบ ตรวจสอบ วัด และสร้างใหม่หลังจากการทดสอบ 30 วัน เวลาทำงานของปั๊มทั้งหมดคือ 171.75 ชั่วโมง
ในระหว่างขั้นตอนที่สาม ปั๊มได้รับการควบคุมการเกิดโพรงอากาศเป็นเวลาแปดรอบละห้านาที รอบการเกิดคาวิเทชันถูกควบคุมและเหนี่ยวนำโดยวาล์วอินไลน์ประมาณ 5 ฟุตจากทั้งการดูดและการคายประจุ เกิดคาวิเทชั่นของปั๊มในระดับปานกลางแล้วเพิ่มขึ้น ปั๊มถูกถอดประกอบ ตรวจสอบ วัด และสร้างใหม่หลังจากการทดสอบคาวิเทชั่น
ในขั้นตอนที่สี่และขั้นสุดท้าย เริ่มแรกให้ปั๊มแห้งในระยะเวลาสั้นๆ จากนั้นปั๊มเริ่มทำงานภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ตามด้วยของเหลวในกระบวนการถูกเป่าออกจากปั๊ม ของเหลวในกระบวนการทำให้ตลับลูกปืนเปียกโดยไม่ทำให้เกิดน้ำท่วม หลังจากการรันแบบแห้ง ปั๊มถูกลงสีพื้นและนำกลับสู่สภาวะการทำงานปกติโดยจำลองสภาวะช็อกจากความร้อน การวิ่งแบบแห้งกินเวลาประมาณแปดนาที การรักษาเสถียรภาพใช้เวลาประมาณ 14 นาที
วิ่งแห้งอีกต่อไปตามวิ่งระยะสั้น ปั๊มเข้าสู่สภาวะการทำงานปกติ และท่อดูดถูกปิดโดยสมบูรณ์ หลังจากการวิ่งแบบแห้ง วาล์วดูดก็ถูกเปิด และปั๊มถูกนำกลับสู่สภาวะการทำงานปกติเพื่อจำลองการช็อกจากความร้อน จากนั้น ปั๊มจะถูกถอดประกอบ ตรวจสอบ วัด และสร้างใหม่หลังจากการทดสอบแบบแห้งเป็นเวลานาน การวิ่งแบบแห้งใช้เวลาประมาณ 21 นาที การรักษาเสถียรภาพใช้เวลาประมาณห้าวินาที
ความสามารถในการเกิดโพรงอากาศและการวิ่งแบบแห้ง
ตารางที่ 1 แสดงผลการทดสอบสี่ขั้นตอน สองขั้นตอนแรกของการทดสอบทำให้มั่นใจได้ว่าตลับลูกปืน CMC จะทำงานภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ไม่มีการสึกหรอที่เห็นได้ชัดเจนบนเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของตัวพาเหล็กหรือเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของ CMC หลังจากการทดสอบ 30 วัน ซึ่งเทียบได้กับตลับลูกปืน OEM และสอดคล้องกับความคาดหวังด้านประสิทธิภาพ
ตารางที่ 1. ผลการทดสอบสี่ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับตลับลูกปืนเซรามิกคอมโพสิตเมทริกซ์และปลอกเพลา (หน่วยวัดทั้งหมดเป็นนิ้ว)
ขั้นตอนที่สามตรวจสอบผลกระทบของการเกิดโพรงอากาศซ้ำๆ บนตลับลูกปืน CMC ซึ่งเป็นจุดที่ทราบปัญหาของตลับลูกปืน OEM ในขณะที่พาหะเหล็กด้านหน้าและด้านหลังสวมใส่ 0.001 นิ้ว แต่ตลับลูกปืน CMC ทั้งคู่ไม่แสดงการสึกหรอที่วัดได้หรือความไม่มั่นคงของโครงสร้าง ผลลัพธ์เหล่านี้สอดคล้องกับการวัดระยะซึ่งมีการเติบโตเพียง 0.001 นิ้ว
ขั้นตอนที่สี่ตรวจสอบผลกระทบของสภาวะการทำงานแบบแห้งที่ยืดเยื้อต่อประสิทธิภาพของตลับลูกปืน CMC
ในขณะที่ตัวพาเหล็กและตลับลูกปืน CMC แต่ละตัวสวมเพิ่มขึ้น 0.001 นิ้วในระหว่างการทดสอบ ตลับลูกปืนยังคงมีโครงสร้างที่แข็งแรงและยังคงทำงานภายใต้สภาวะการทำงานแบบแห้ง
ภาพที่ 1 ตลับลูกปืนคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกที่มีโครงสร้างไม่บุบสลายหลังจากการทดสอบสี่ขั้นตอนและการถอดประกอบปั๊ม
การตรวจสอบตลับลูกปืนหลังการถอดประกอบปั๊มพบว่าตลับลูกปืนทั้งสองไม่บุบสลาย โดยไม่มีหลักฐานการแตกหักหรือความเสียหายจากแรงกระแทกจากความร้อน (ดูรูปที่ 1) ตลับลูกปืนคาร์บอน-กราไฟต์ของ OEM ล้มเหลวอย่างร้ายแรงในระหว่างการทดสอบที่คล้ายคลึงกัน
บทสรุป
CMC แก้ปัญหามากมายที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานตลับลูกปืนประสิทธิภาพสูง
ในระหว่างการทดสอบ ตลับลูกปืน CMC มีคุณสมบัติการสึกหรอที่ดีเยี่ยม พวกเขาทำงานได้ดีในระหว่างการเกิดโพรงของปั๊มและไม่มีความเสียหายจากการแตกหัก
ตลับลูกปืน CMC แสดงความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อนได้ดีเยี่ยม อุณหภูมิสูงในระหว่างการวิ่งแบบแห้งเป็นเวลานานจะไม่ทำให้ตลับลูกปืนเสียหาย ซึ่งเย็นลงอย่างรวดเร็วในของเหลวในกระบวนการแวดล้อม ตลับลูกปืน CMC และเพลาหมุนมีระยะห่างเพิ่มขึ้นเล็กน้อย 0.003 นิ้วจากระยะห่างเดิม 0.006 นิ้วหลังจากการทดสอบสี่ขั้นตอน
ตลับลูกปืนกราไฟต์คาร์บอนดั้งเดิมนั้นล้มเหลวอย่างร้ายแรงหลังจากแตกหักจากการสั่นสะเทือนของโพรงโพรงอากาศและช็อกจากความร้อนขณะแห้ง
หลังการทดสอบ ตลับลูกปืน CMC ได้รับการติดตั้งในปั๊มมอเตอร์แบบกระป๋องสี่ตัวที่โรงงาน JX Nippon เคมี เท็กซัส Inc. ตลับลูกปืนทำงานโดยไม่เกิดอุบัติเหตุมานานกว่าสองปี ในอดีต มีการเปลี่ยนตลับลูกปืนกราไฟท์คาร์บอนของ OEM ทุก ๆ สามถึงห้าเดือนหลังจากเกิดความล้มเหลวในสถานที่ปฏิบัติงานที่รุนแรง อายุการใช้งานของตลับลูกปืน CMC เพิ่มขึ้นห้าถึงแปดเท่าเมื่อเทียบกับตลับลูกปืนกราไฟท์คาร์บอน