بلبرینگ های کامپوزیت ماتریس سرامیکی از پمپ ها در برابر شرایط سخت کار محافظت می کند
به حداقل رساندن زمان از کار افتادن پمپ به طور مستقیم بر نتیجه نهایی تأثیر می گذارد. پمپ‌های ماگ-راندن و موتور کنسرو بدون مهر و موم، رایج در صنایع پتروشیمی و نیرو، قابلیت اطمینان را افزایش داده و انتشار و نشت را در مقایسه با پمپ‌های مهر و موم سنتی‌تر کاهش می‌دهند. انتخاب بین پمپ های بدون سیل و پمپ های آب بندی شده اغلب شامل صرفه جویی در زمان و هزینه می شود. انتخاب صحیح می تواند بر سلامت کلی و قابلیت اطمینان عملیات نیز تأثیر بگذارد.
محدودیت های مواد بلبرینگ
پمپ های بدون مهر و موم از یاتاقان های آستینی استفاده می کنند که معمولاً از گرافیت کربن یا کاربید سیلیکون متخلخل (SiC) ماشین کاری می شوند. سختی این مواد به آنها اجازه می دهد تا در طول پمپاژ مواد جامد سنگدانه مقاومت کنند. با این حال، عملکرد محدود کارکرد خشک گرافیت کربن، استفاده از آن را به سیستم هایی با حداقل بار و روانکاری ثابت کاهش می دهد.
بلبرینگ های SiC دارای عملکرد تریبولوژیکی عالی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت شیمیایی هستند اما می توانند از شکستگی های شکننده فاجعه بار رنج ببرند.
بلبرینگ ها در جذب ضربه ها و ارتعاشاتی که در شرایط خرابی پمپ با آن مواجه می شوند مشکل دارند. گرافیت کربن و SiC هر دو در برابر شوک حرارتی و مکانیکی آسیب پذیر هستند که منجر به شکستگی و در نهایت خرابی بلبرینگ می شود.
بلبرینگ‌های کربن گرافیت و SiC در شرایط عملکرد پمپ در حالت پایدار به خوبی عمل می‌کنند، اما در شرایط متوسط خرابی پمپ مستعد خرابی فاجعه‌بار هستند. در هنگام خرابی فاجعه بار یاتاقان، تکه های سرامیک با سختی بالا می تواند منجر به خرابی کامل پمپ شود. شکست منجر به خرابی و بار مالی قابل توجهی می شود.
ترکیب سرامیکی با کارایی بالا
یک کامپوزیت زمینه سرامیکی (CMC) برای رفع کاستی‌های مواد یاتاقان یکپارچه توسعه داده شد. این ترکیب با کارایی بالا طوری طراحی شده است که در مقایسه با سرامیک های SiC یکپارچه، ویژگی های محافظت در برابر خوردگی و سایش مشابهی داشته باشد. کامپوزیت مقاومت در برابر شکست، سختی سطح قابل تنظیم و کنترل هدایت حرارتی و الکتریکی بیشتری را نشان داد.
CMC از یک ماده تقویت شده با الیاف با ماتریس سیلیکون اکسی کاربید یا کاربید سیلیکون تشکیل شده است. خواص سطحی، توده ای و تریبولوژیکی را می توان از طریق پرکننده ها و درمان های سطح الیاف تنظیم کرد و مواد مهندسی شده را برای کاربردهای خاص تنظیم کرد. به عنوان مثال، ضریب انبساط حرارتی کم کامپوزیت را می توان با اصلاح بلورینگی حجیم، نوع فیبر داخلی و معماری فیبر کنترل کرد. در یک کاربرد بلبرینگ، مواد مهندسی اصلاح شده را می توان در تماس مستقیم با شفت های فولادی ضد زنگ استفاده کرد و نیاز به حلقه های تحمل فلزی برای ایجاد تداخل را کاهش داد.
مهندسان JX نیپون شیمیایی تگزاس شرکت. در پاسادنا، تگزاس، با ارائه دهندگان برای انجام آزمایش بر روی بلبرینگ های CMC تقویت شده با فیبر کربن کار کردند. این شرکت می‌خواست زمان خرابی ناشی از جایگزینی منظم بلبرینگ‌های کربن گرافیتی یکپارچه OEM را کاهش دهد. یاتاقان‌ها معمولاً به دلیل شکستگی‌های ارتعاشی در حین کاویتاسیون و/یا شرایط خشک کار از کار می‌افتند.
مهندسان JX نیپون معتقد بودند که مقاومت‌های حرارتی و مکانیکی CMC در برابر شکست، انعطاف‌پذیری یاتاقان را در شرایط خرابی پمپ افزایش می‌دهد.
چهار مرحله تست
یک پمپ موتور کنسرو شده G-362 تیکوکو آهو شرکت. با گردش داخلی با یک شفت چرخان با روکش استلایت ها 1 به عنوان تجهیزات آزمایشی خدمت می کرد (شکل 1 را ببینید). سیال فرآیند یک هیدروکربن آروماتیک محیطی با ویسکوزیته 3.0 سانتی پویز (cP) و فشار تخلیه 100 پوند بر اینچ مربع (psig) بود. مجموعه‌های یاتاقان CMC آزمایش بر اساس نقشه تولیدی عرضه شدند و شامل یک هسته CMC ماشین‌کاری شده بود که با حرارت فشرده شده و در یک حامل فولادی سنجاق شده بود (شکل 2 را ببینید).
شکل 1. پمپ موتور کنسرو شده با یاتاقان های کامپوزیت ماتریس سرامیکی به رنگ نارنجی
شکل 2. بلبرینگ کامپوزیت ماتریس سرامیکی و مونتاژ حامل فولادی پین شده
مجموعه یاتاقان CMC که به عنوان هر دو مجموعه حامل محل جلو و عقب تعریف می شود، در چهار مرحله تحت آزمایش زیر قرار گرفتند. مرحله اول پمپ را با یاتاقان های CMC به مدت شش ساعت کار کرد تا اطمینان حاصل شود که هیچ مشکلی فوری مشاهده نمی شود. مرحله دوم پمپ را به مدت 30 روز در شرایط عادی کار کرد. سیال فرآیند برای اطمینان از کارکرد پمپ حداقل 40 ساعت در هفته مجدداً چرخش داده شد. پمپ جدا شد، بازرسی شد، اندازه‌گیری شد و پس از آزمایش 30 روزه بازسازی شد. کل زمان کارکرد پمپ 171.75 ساعت بود.
در مرحله سوم، پمپ به مدت هشت سیکل پنج دقیقه ای تحت کاویتاسیون کنترل شده قرار گرفت. چرخه‌های کاویتاسیون توسط دریچه‌های خطی تقریباً 5 فوت از مکش و تخلیه کنترل و القا شدند. کاویتاسیون پمپ در سطح متوسط القا و سپس افزایش یافت. پمپ جداسازی، بازرسی، اندازه گیری و سپس پس از آزمایش کاویتاسیون بازسازی شد.
در مرحله چهارم و آخر، پمپ ابتدا برای مدت کوتاهی خشک شد. سپس پمپ در شرایط عملیاتی معمولی راه اندازی شد و به دنبال آن سیال فرآیند از پمپ خارج شد. سیال فرآیند، یاتاقان ها را بدون غرقاب شدن آنها خیس می کند. پس از اجرای خشک، پمپ آماده سازی شد و به شرایط عملیاتی عادی بازگردانده شد که شرایط شوک حرارتی را شبیه سازی می کند. اجرای خشک تقریباً هشت دقیقه به طول انجامید. تثبیت تقریباً 14 دقیقه طول کشید.
یک دوره خشک طولانی تر به دنبال دوره خشک کوتاه بود. پمپ به شرایط عملیاتی عادی رسانده شد و خط مکش کاملاً خاموش شد. پس از اجرای خشک، دریچه مکش باز شد و پمپ برای شبیه سازی شوک حرارتی به شرایط عملیاتی عادی بازگردانده شد. سپس پمپ جدا شد، بازرسی شد، اندازه‌گیری شد و پس از آزمایش طولانی مدت خشک دوباره ساخته شد. اجرای خشک تقریباً 21 دقیقه به طول انجامید. تثبیت تقریباً پنج ثانیه طول کشید.
قابلیت کاویتاسیون و اجرای خشک
جدول 1 نتایج آزمون چهار مرحله ای را نشان می دهد. دو مرحله اول آزمایش اطمینان حاصل کرد که یاتاقان‌های CMC در شرایط کاری عادی عملکرد عملکردی دارند. هیچ سایش قابل توجهی در قطر خارجی حامل فولادی یا قطر داخلی CMC پس از آزمایش 30 روزه، قابل مقایسه با یاتاقان OEM و مطابق با انتظارات عملکرد، رخ نداد.
جدول 1. نتایج آزمایش چهار مرحله ای شامل بلبرینگ های ماتریس کامپوزیت سرامیکی و آستین های شفت (همه اندازه گیری ها بر حسب اینچ)
مرحله سوم اثرات کاویتاسیون مکرر بر یاتاقان‌های CMC را که یک نقطه خرابی شناخته شده برای یاتاقان‌های OEM است، بررسی کرد. در حالی که حامل فولادی جلو و عقب 0.001 اینچ فرسوده شده بودند، هیچ یک از یاتاقان های CMC سایش قابل اندازه گیری یا ناپایداری ساختاری را نشان ندادند. این نتایج مطابق با اندازه گیری ترخیص کالا از گمرک بود که تنها رشد 0.001 اینچی را نشان داد.
مرحله چهارم اثرات شرایط خشک طولانی را بر عملکرد بلبرینگ های CMC پایش کرد.
در حالی که حامل فولادی و هر یاتاقان CMC در طول آزمایش 0.001 اینچ اضافی فرسوده شدند، یاتاقان ها از نظر ساختاری سالم ماندند و در شرایط خشک کار به کار خود ادامه دادند.
تصویر 1. یاتاقان کامپوزیت ماتریس سرامیکی دست نخورده ساختاری پس از آزمایش چهار مرحله ای و جداسازی پمپ
بازرسی یاتاقان ها پس از جداسازی پمپ نشان داد که هر دو یاتاقان کاملاً سالم هستند، بدون شواهدی از شکستگی یا آسیب شوک حرارتی (تصویر 1 را ببینید). یاتاقان های کربن-گرافیت OEM در طول آزمایش های مشابه به طور فاجعه باری از کار می افتند.
نتیجه
CMC ها بسیاری از مشکلات مربوط به کاربردهای بلبرینگ با کارایی بالا را حل می کنند.
در طول آزمایش، یاتاقان های CMC خواص سایش عالی را از خود نشان دادند. آنها در حین کاویتاسیون پمپ عملکرد خوبی داشتند و آسیب شکستگی را تجربه نکردند.
یاتاقان های CMC مقاومت در برابر شوک حرارتی عالی را نشان دادند. دماهای بالا در طول دوره های خشک طولانی منجر به آسیبی به یاتاقان نمی شود که به سرعت در سیال فرآیند محیطی خنک می شود. یاتاقان‌های CMC و شفت چرخان پس از آزمایش چهار مرحله‌ای، حداقل فاصله 0.003 اینچی را نسبت به فاصله اولیه 0.006 اینچی تجربه کردند.
در مقایسه، یاتاقان‌های گرافیتی کربن اصلی پس از شکستگی ناشی از ارتعاشات حفره‌ای و شوک حرارتی خشک، به‌طور فاجعه‌باری از کار افتادند.
پس از آزمایش، بلبرینگ های CMC در چهار پمپ موتور کنسرو شده در تاسیسات JX نیپون شیمیایی تگزاس شرکت. نصب شد. بلبرینگ ها بیش از دو سال است که بدون هیچ گونه حادثه ای کار می کنند. از لحاظ تاریخی، یاتاقان‌های گرافیتی کربن OEM هر سه تا پنج ماه پس از شکست در مکان‌های خدماتی شدید تعویض می‌شوند. عمر عملکرد بلبرینگ های CMC در مقایسه با یاتاقان های کربن گرافیت پنج تا هشت برابر افزایش یافته است.