تحمي المحامل المركبة من السيراميك المصفوفة المضخات من ظروف التشغيل القاسية
يؤثر تقليل وقت تعطل المضخة بشكل مباشر على المحصلة النهائية. تعمل المضخات ذات المحرك المغناطيسي غير المحكم والمحركات المعلبة ، الشائعة في صناعات البتروكيماويات والطاقة ، على تعزيز الموثوقية وتقليل الانبعاثات والتسرب مقارنة بالمضخات التقليدية محكمة الغلق. غالبًا ما ينطوي الاختيار بين المضخات غير المغلقة والمختومة على توفير في الوقت والمال. يمكن أن يؤثر اتخاذ القرار الصحيح أيضًا على الصحة العامة وموثوقية العمليات.
حدود المواد المحمل
تستخدم المضخات غير المختومة محامل جلبة يتم تشكيلها عادة من الجرافيت الكربوني أو كربيد السيليكون الملبد (SiC). تسمح صلابة هذه المواد بمقاومة التآكل أثناء ضخ المواد الصلبة الكلية. ومع ذلك ، فإن الأداء المحدود للتشغيل الجاف للجرافيت الكربوني يحيل استخدامه للأنظمة ذات الأحمال الدنيا والتشحيم المستمر.
تتميز محامل SiC بأداء ترايبولوجي ممتاز ومقاومة للتآكل ومقاومة كيميائية ولكنها يمكن أن تعاني من كسور هشة كارثية.
تواجه المحامل صعوبة في امتصاص الصدمات والاهتزازات التي تواجهها أثناء ظروف اضطراب المضخة. كل من الكربون الجرافيت وكربيد السيليكون عرضة للصدمات الحرارية والميكانيكية ، مما يؤدي إلى حدوث كسر ، وفي النهاية فشل المحمل.
تعمل محامل الجرافيت الكربوني وكربيد الكربون بشكل جيد أثناء ظروف تشغيل المضخة ذات الحالة المستقرة ولكنها عرضة للفشل الكارثي في ظروف اضطراب المضخة المتواضعة. أثناء فشل المحمل الكارثي ، يمكن أن تؤدي شظايا السيراميك شديد الصلابة إلى فشل تام في المضخة. يؤدي الفشل إلى تعطل كبير وعبء مالي.
مركب سيراميك عالي الأداء
تم تطوير مركب مصفوفة خزفية (CMC) لمعالجة أوجه القصور في مواد تحمل متجانسة. تم تصميم المركب عالي الأداء ليكون له نفس الحماية من التآكل وخصائص التآكل مقارنةً بسيراميك SiC المتجانسة. أظهر المركب مقاومة أكبر للكسر ، صلابة سطح قابلة للضبط ، وتحكم في التوصيل الحراري والكهربائي.
يتكون CMC من مادة مقواة بالألياف مع مصفوفة من أوكسي كربيد السيليكون أو مصفوفة كربيد السيليكون. يمكن ضبط الخصائص السطحية والكتل والترايبولوجية من خلال الحشوات ومعالجات سطح الألياف ، مما يؤدي إلى تكييف المواد الهندسية لتطبيقات محددة. على سبيل المثال ، يمكن التحكم في معامل التمدد الحراري المنخفض للمركب عن طريق تعديل تبلور الكتلة ونوع الألياف الداخلية وهندسة الألياف. في تطبيق المحمل ، يمكن استخدام المواد الهندسية المعدلة في اتصال مباشر مع أعمدة الفولاذ المقاوم للصدأ ، مما يخفف من الحاجة إلى حلقات تحمل معدنية لإنشاء نوبة تداخل.
عمل المهندسون في JX نيبون المواد الكيميائية تكساس شركة. في باسادينا ، تكساس ، مع مزودي الخدمة لإجراء اختبار على محامل CMC المقواة بألياف الكربون. أرادت الشركة تقليل وقت التوقف عن الاستبدال المنتظم لمحامل الجرافيت الكربوني المتجانسة من OEM. فشلت المحامل بشكل منتظم بسبب كسور الاهتزاز أثناء التجويف و / أو ظروف التشغيل الجاف.
يعتقد مهندسو JX نيبون أن مقاومة الكسر الحرارية والميكانيكية لـ CMC ستزيد من مرونة التحمل أثناء ظروف اضطراب المضخة.
أربع مراحل للاختبار
تم استخدام مضخة بمحرك معلب تيكوكو الغزال شركة. G-362 مع عمود دوران مطلي بالساتل 1 كمعدات اختبار (انظر الشكل 1). كان مائع العملية عبارة عن هيدروكربون عطري محيط بلزوجة 3.0 سنتيبواز (سي بي) وضغط تصريف يبلغ 100 رطل لكل بوصة مربعة (psig). تم توفير تجميعات محامل CMC للاختبار وفقًا لرسم التصنيع وتتكون من قلب CMC آلي مضغوط بالحرارة ومثبت في حامل فولاذي (انظر الشكل 2).
الشكل 1. مضخة بمحرك معلب بمحامل مصفوفة سيراميك مركبة باللون البرتقالي
الشكل 2. محمل مصفوفة السيراميك المركبة ومجموعة الناقل الفولاذية المثبتة بمسامير
مجموعة تحمل CMC ، التي تم تعريفها على أنها مجموعات حامل الموقع الأمامي والخلفي ، خضعت للاختبار التالي على أربع مراحل. قامت المرحلة الأولى بتشغيل المضخة بمحامل CMC لمدة ست ساعات لضمان عدم ظهور أي مشاكل فورية. قامت المرحلة الثانية بتشغيل المضخة في ظروف التشغيل العادية لمدة 30 يومًا. تمت إعادة تدوير سائل العملية لضمان تشغيل المضخة لمدة 40 ساعة على الأقل في الأسبوع. تم تفكيك المضخة وفحصها وقياسها ثم إعادة بنائها بعد الاختبار الذي استمر 30 يومًا. بلغ إجمالي وقت تشغيل المضخة 171.75 ساعة.
خلال المرحلة الثالثة ، خضعت المضخة لتجويف متحكم به لمدة ثماني دورات مدة كل منها خمس دقائق. تم التحكم في دورات التجويف وتحفيزها بواسطة الصمامات المضمنة على بعد حوالي 5 أقدام من كل من الشفط والتفريغ. تم إحداث تجويف المضخة عند مستوى معتدل ثم زيادته. تم تفكيك المضخة وفحصها وقياسها ثم إعادة بنائها بعد اختبار التجويف.
في المرحلة الرابعة والأخيرة ، تم تشغيل المضخة في البداية جافة لفترة قصيرة. تم تشغيل المضخة بعد ذلك في ظروف التشغيل العادية ، متبوعًا بسائل العملية الذي يتم نفخه خارج المضخة. يبلل سائل العملية المحامل دون إغراقها. بعد التشغيل الجاف ، تم تحضير المضخة وإعادتها إلى ظروف التشغيل العادية لمحاكاة ظروف الصدمة الحرارية. استمر التشغيل الجاف لمدة ثماني دقائق تقريبًا ؛ استغرق التثبيت حوالي 14 دقيقة.
يتبع تشغيل جاف أطول المدى الجاف القصير. تم إحضار المضخة إلى ظروف التشغيل العادية ، وتم إغلاق خط الشفط تمامًا. بعد التشغيل الجاف ، تم فتح صمام الامتصاص ، وأعيدت المضخة إلى ظروف التشغيل العادية لمحاكاة الصدمة الحرارية. ثم تم تفكيك المضخة وفحصها وقياسها وإعادة بنائها بعد اختبار التشغيل الجاف الطويل. استمر التشغيل الجاف لمدة 21 دقيقة تقريبًا ؛ استغرق التثبيت ما يقرب من خمس ثوان.
قدرات التجويف والتشغيل الجاف
يوضح الجدول 1 نتائج اختبار المراحل الأربع. تضمن المرحلتان الأوليان من الاختبار أن محامل CMC ستؤدي وظيفيًا في ظل ظروف العمل العادية. لم يحدث تآكل ملحوظ في القطر الخارجي لحامل الفولاذ أو القطر الداخلي لـ CMC بعد اختبار مدته 30 يومًا ، يمكن مقارنته بمحمل OEM وبما يتماشى مع توقعات الأداء.
الجدول 1. نتائج اختبار من أربع مراحل تتضمن محامل مصفوفة من السيراميك وجِلب عمود (جميع القياسات بالبوصة)
راقبت المرحلة الثالثة تأثيرات التجويف المتكرر على محامل CMC ، وهي نقطة فشل معروفة لمحامل OEM. في حين أن الحامل الفولاذي الأمامي والخلفي قد تم ارتداؤه بمقدار 0.001 بوصة ، لم يظهر أي من محمل CMC تآكلًا قابلاً للقياس أو عدم استقرار هيكلي. كانت هذه النتائج متوافقة مع قياس التصفية ، الذي أظهر نموًا بمقدار 0.001 بوصة فقط.
ترصد المرحلة الرابعة تأثيرات ظروف التشغيل الجاف الممتد على أداء محامل CMC.
بينما ارتدى حامل الصلب وكل محمل CMC بمقدار 0.001 بوصة إضافية أثناء الاختبار ، ظلت المحامل سليمة من الناحية الهيكلية واستمرت في العمل في ظل ظروف التشغيل الجاف.
الصورة 1. محمل مركب مصفوفة سيراميك سليم هيكليا بعد اختبار أربع مراحل وتفكيك المضخة
أظهر فحص المحامل بعد تفكيك المضخة أن كلا المحمل سليم تمامًا ، مع عدم وجود دليل على حدوث كسر أو تلف بالصدمة الحرارية (انظر الصورة 1). محامل الجرافيت الكربوني OEM تفشل بشكل كارثي أثناء اختبار مماثل.
استنتاج
تحل CMCs العديد من المشكلات المرتبطة بالتطبيقات عالية الأداء.
أثناء الاختبار ، أظهرت محامل CMC خصائص تآكل ممتازة. لقد كان أداؤهم جيدًا أثناء تجويف المضخة ولم يتعرضوا لأي ضرر في الكسر.
أظهرت محامل CMC مقاومة ممتازة للصدمات الحرارية. لم تؤد درجات الحرارة المرتفعة أثناء عمليات التجفيف المطولة إلى حدوث أي ضرر للمحمل ، والذي يتم تبريده بسرعة في سائل العملية المحيطة. شهدت محامل CMC والعمود الدوار تخليصًا أقل بمقدار 0.003 بوصة عن الخلوص الأصلي البالغ 0.006 بوصة بعد اختبار المراحل الأربع.
وبالمقارنة ، فشلت محامل الجرافيت الكربوني الأصلية بشكل كارثي بعد انكسارها من اهتزازات التجويف والصدمة الحرارية الجافة.
بعد الاختبار ، تم تثبيت محامل CMC في أربع مضخات بمحركات معلبة في منشأة JX نيبون المواد الكيميائية تكساس شركة. عملت المحامل دون وقوع حوادث لأكثر من عامين. تاريخياً ، تم استبدال محامل الجرافيت الكربوني من OEM كل ثلاثة إلى خمسة أشهر بعد الفشل في مواقع الخدمة القاسية. زاد عمر أداء محامل CMC من خمس إلى ثماني مرات مقارنة بمحامل الجرافيت الكربوني.