ตัวเลือกซีลแบบบิลโลวส์โลหะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีสารกัดกร่อนและแรงกระแทกจากความร้อน

วัสดุซีลแบบบิลโลวส์จากโลหะที่ทนต่อการกัดกร่อน

การเลือกวัสดุเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนานของซีลแบบบิลโลวส์ในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน วัสดุที่ไม่เข้ากันทางเคมีอาจทำให้เกิดความล้มเหลวก่อนกำหนดได้จากปรากฏการณ์การกัดกร่อนแบบจุด (pitting), การแตกร้าวจากความเครียดภายใต้สภาวะกัดกร่อน (stress corrosion cracking) หรือการกัดกร่อนอย่างสม่ำเสมอ (uniform corrosion) วิศวกรจำเป็นต้องประเมินทั้งโลหะผสมสำหรับบิลโลวส์และคู่วัสดุของผิวซีลเทียบกับลักษณะของสารที่ไหลผ่านระบบ รวมถึงค่า pH ความเข้มข้นของสารออกซิไดเซอร์ ระดับไอออนคลอไรด์ และอุณหภูมิในการทำงาน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดและอายุการใช้งานที่ยืดเยื้อ

Hastelloy C-276 เทียบกับ Inconel 718: ประสิทธิภาพในสื่อกัดกร่อนแบบรีดิวซิงและออกซิไดซิง

ฮาสเทลลอยด์ ซี-276 มีคุณสมบัติโดดเด่นในการทนต่อกรดแบบรีดิวซิง เช่น กรดซัลฟูริก (ความเข้มข้นไม่เกิน 70% ที่อุณหภูมิ 80°C) และกรดไฮโดรคลอริก จึงเป็นวัสดุที่นิยมใช้ในกระบวนการเคมีที่รุนแรง ปริมาณโมลิบดีนัม 15–17% ของวัสดุชนิดนี้ให้ความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้งจากไอออนคลอไรด์ได้เหนือกว่าสแตนเลสสตีลทั่วไปอย่างชัดเจน ขณะที่อินโคเนล 718 ให้ประสิทธิภาพดีที่สุดในสภาพแวดล้อมแบบออกซิไดซ์ เช่น สารละลายกรดไนตริกหรือกรดโครมิก โดยโครเมียม 17–21% ภายในวัสดุจะสร้างชั้นออกไซด์ที่เสถียรและสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ แม้อินโคเนลจะมีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยมจนถึง 700°C แต่กลับมีความต้านทานต่อกรดแบบรีดิวซิงต่ำกว่าฮาสเทลลอยด์ ซี-276 อย่างมาก ดังนั้น การเลือกวัสดุควรสอดคล้องกับกลไกการกัดกร่อนหลักที่พบ: ใช้ฮาสเทลลอยด์สำหรับงานที่มีคลอไรด์สูงหรือสภาพแวดล้อมแบบรีดิวซิง และใช้อินโคเนลสำหรับงานที่มีสภาพแวดล้อมแบบออกซิไดซ์และต้องการความเสถียรทางความร้อนสูง

คู่วัสดุผิวสัมผัสคาร์บอนไซลิคอนและทังสเตนคาร์ไบด์สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีด่างรุนแรงและมีสารคลอรีน

ผิวสัมผัสที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีความต้านทานที่โดดเด่นในสภาพแวดล้อมที่มีสารด่างรุนแรง—รวมถึงสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่มีความเข้มข้นสูงสุดถึง 50% ที่อุณหภูมิ 100°C—เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่เฉื่อยเกือบทั้งหมดและทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลันได้เป็นพิเศษ ด้วยค่าความแข็งแบบคูป (Knoop hardness) ที่ 2800 ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังต้านทานการสึกหรอแบบกัดกร่อนได้ดีในบริการที่มีอนุภาคแขวนลอย สำหรับไฮโดรคาร์บอนที่มีคลอรีนสูงหรือสารละลายเกลือเข้มข้น ทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) ที่จับคู่กับ SiC จะให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีขึ้น ขณะยังคงความแข็งแรงเชิงกลไว้ภายใต้แรงกดผิวสัมผัสสูง เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงความร้อน (CTE) ของ WC (≈ 5.4 ไมโครเมตร/เมตร°C) และ SiC (≈ 4.5 ไมโครเมตร/เมตร°C) แตกต่างจากโลหะผสมที่ใช้ทำเบลโลวส์ทั่วไป ผู้ออกแบบจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงความไม่สอดคล้องกันนี้เพื่อป้องกันการแตกร้าวจากความเครียดเชิงความร้อนระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วที่เกิน 50°C/ชั่วโมง

ความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลันในการออกแบบซีลแบบเบลโลวส์โลหะ

อายุการใช้งานภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบเร่งด่วน (API Plan 62, อัตราการเพิ่มอุณหภูมิ 50°C/ชั่วโมง)

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว—ซึ่งพบได้บ่อยในการฉีดไอน้ำ การถ่ายโอนความเย็นจัด หรือการดำเนินการแบบแบตช์—ก่อให้เกิดแรงเครียดแบบเป็นรอบ (cyclic stresses) อย่างรุนแรงต่อซีลแบบเบลโลวส์โลหะ แผน API 62 กำหนดเงื่อนไขการทดสอบมาตรฐานเพื่อประเมินความทนทานต่อการกระแทกจากความร้อน รวมถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ 50°C/ชั่วโมง รูปทรงเรขาคณิตของเบลโลวส์ที่ผ่านการปรับแต่งอย่างเหมาะสมสามารถทนต่อการใช้งานได้มากกว่า 10,000 รอบภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ในขณะที่การออกแบบที่ไม่เหมาะสมอาจล้มเหลวก่อนถึง 5,000 รอบ ทางเลือกวัสดุมีอิทธิพลอย่างมากต่ออายุการใช้งานภายใต้ภาวะความเหนื่อยล้า: เบลโลวส์ทำจากอินโคเนล 718 แสดงความสามารถในการทนต่อจำนวนรอบการใช้งานได้มากกว่าเบลโลวส์ที่ทำจากสแตนเลสสตีลเกรด 316L ถึง 15% เมื่อเผชิญกับความต่างของอุณหภูมิเกิน 200°C

อิทธิพลของรูปทรงเรขาคณิตของเบลโลวส์และการไม่สอดคล้องกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวตามอุณหภูมิระหว่างวัสดุของหน้าซีล

ความไม่สอดคล้องกันของการขยายตัวตามอุณหภูมิระหว่างหน้าซีลกับเบลโลวส์ก่อให้เกิดแรงเครียดที่ทำลายบริเวณพรมแดนผิวสัมผัสในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ประเด็นสำคัญที่ต้องพิจารณาในการออกแบบ ได้แก่:

ตัวอย่างเช่น ผิวสัมผัสซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่จับคู่กับเบลโลวส์ทำจากฮัสเทลลอย (Hastelloy) จะมีความต่างของค่า CTE ต่ำกว่า 2 ไมโครเมตร/เมตร·°เซลเซียส ซึ่งช่วยลดการบิดเบี้ยวและรักษาความเรียบของผิวสัมผัสให้คงที่ ในทางกลับกัน ผิวสัมผัสทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) ที่จับคู่กับเบลโลวส์ทำจากสแตนเลสสตีล จะก่อให้เกิดความเข้มข้นของแรงเครียดสูงขึ้นถึง 40% ที่อุณหภูมิแตกต่างกันเกิน 150°เซลเซียส การวิเคราะห์ด้วยวิธีองค์ประกอบจำกัด (Finite Element Analysis) ยืนยันว่า การปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิตสามารถลดแรงเครียดจากความร้อนสูงสุดลงได้ 35% ระหว่างการใช้งานตามมาตรฐาน API Plan 62

ซีลรองแบบไม่มีอีลาสโตเมอร์สำหรับการใช้งานซีลแบบเบลโลวส์ในสภาวะอุณหภูมิสุดขั้ว

ซีลรองแบบอีลาสโตเมอริกมาตรฐาน — แม้แต่ซีลที่เป็นเพอร์ฟลูโอโรอีลาสโตเมอร์ (FFKM) หรือ AFLAS ที่มีความก้าวหน้าแล้วก็ตาม — จะเริ่มเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิใกล้เคียง 300°C เนื่องจากความเปราะต่อความร้อน การสูญเสียความยืดหยุ่น และการบีบอัดคงที่แบบไม่สามารถย้อนกลับได้ สำหรับการใช้งานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าเกณฑ์นี้ จึงจำเป็นต้องใช้โซลูชันซีลรองที่เป็นอนินทรีย์อย่างสมบูรณ์ แกรไฟต์แบบยืดหยุ่น (ฟอยล์แกรไฟต์ที่ผ่านกระบวนการแยกชั้น) ให้ประสิทธิภาพในการปิดผนึกที่เชื่อถือได้ตั้งแต่อุณหภูมิเย็นจัดจนถึง 500°C ในบรรยากาศที่เฉื่อยหรือบรรยากาศที่มีฤทธิ์ลด และยังคงรักษาแรงบีบอัดที่ยืดหยุ่นไว้ได้แม้ผ่านวงจรการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ หลายครั้ง โพลีเทตราฟลูออโรเอทิลีนที่ขยายตัว (ePTFE) มีความต้านทานสารเคมีได้กว้างขวางจนถึงอุณหภูมิ 260°C แต่ขาดความสามารถในการทนความร้อนสูงเท่าที่แกรไฟต์มี สำหรับการใช้งานที่เข้มงวดที่สุด เช่น ปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว ไอน้ำร้อนจัด หรือการแปรรูปไฮโดรคาร์บอนที่อุณหภูมิสูง ปะเก็นแบบโลหะหุ้ม (metal-jacketed gaskets) หรือองค์ประกอบโลหะแบบขดเกลียว (spiral-wound metallic elements) จะกำจัดส่วนประกอบอินทรีย์ทั้งหมดออกไปอย่างสิ้นเชิง ที่สำคัญมาก วิศวกรจำเป็นต้องพิจารณาความแตกต่างของอัตราการขยายตัวจากความร้อนระหว่างโลหะผสมของเบลโลวส์กับวัสดุซีลรอง เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียแรงปิดผนึกขณะเริ่มต้นใช้งาน หรือการบีบอัดเกินขนาดที่อุณหภูมิสูงสุด เมื่อซีลรองไม่มีส่วนประกอบอีลาสโตเมอร์เลย เบลโลวส์ซีลจะสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 400°C — ซึ่งทำให้การเปราะตัวของอีลาสโตเมอร์ไม่เป็นสาเหตุหลักของการล้มเหลวอีกต่อไป