Pump Guru

Home / Pump Guru


การยืดอายุการใช้งานแมคานิคอลซีล โดย Environmental Control Plan [21 December 2021]

การเลือกใช้ตามแบบแผนการใช้ของ America Petroleum Institutes ซึ่งเป็นการพิจารณาจากการควบคุมสภาวะแวดล้อมในซีลแชมเบอร์โดยอาศัยของเหลวจากภายในปั๊มหรือของเหลวจากแหล่งจ่ายภายนอก แมคานิคอลซีลได้มีการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้แทนประเก็นเชือก เพื่อซีลของเหลวในเครื่องจักรที่มีเกลาหมุนมาเป็นเวลาหลายสิบปีแล้ว ข้อดีของแมคานิคอลซีลที่ทดแทนข้อเสียของประเก็นเชือก  ได้แก่  ไม่รั่ว  อายุการใช้งานยาวนาน  และไม่กัดเพลา 


ตลอดเวลาที่ผ่านมา  แมคานิคิลซีลมีพัฒนาการทั้งทางด้านการออกแบบ  และวัสดุที่ดีขึ้น  เพื่อสนองตอบความต้องการ และความเข้มงวดในการซีลที่หลากหลาย  ดังนั้นในโรงงานอุตสาหกรรมปัจจุบัน เราจึงสามารถพบแมคานิคอลซีลรูปแบบแปลกๆ อาทิแก็สแมคานิคอลซีล, ดับเบิ้ลคาทริดจ์แมคานิคอลซีลทำจากวัสดุชั้นสูง  ค่าแพง อาทิ  วัสดุที่ทำจากไทเทเนียมนิกเกิล หรือยาสังเคราะห์ (Elastomer) ที่ทนสารเคมีรุนแรง และทนอุณหภูมิสูงได้ดี อาทิ คาลเรซ (Kalrez) เคมราช (Chemraz) แอฟลาส (Aflas) เป็นต้น

    

Single Mechanical Seal                                     Double Mechanical Seal


คุณสมบัติของเหลวที่เป็นอุปสรรค

ไม่ว่าเทคโนโลยีแมคานิคอลซีลจะก้าวหน้าไปอย่างไร ผู้ใช้งานส่วนหนึ่งยังพบปัญหาการรั่วที่เกิดขึ้นอยู่เสมอทำให้อายุการใช้งานซีลไม่ยาวนานอย่างที่ควรจะเป็น ทั้งๆที่แน่ใจว่าได้เลือกแมคานิคอลที่เหมาะสมกับงานแล้ว ไม่ว่าจะเป็นลักษณะการออกแบบชนิดของวัสดุตัวเรือน วัตถุหน้าสัมผัสและวัสดุยางสังเคราะห์  ทั้งนี้เนื่องจากของเหลวบางประเภทในโรงงานอุตสาหกรรม  จะมีคุณสมบัติเฉพาะที่เป็นอุปสรรค  และสร้างปัญหาให้กับงานซีลเสมอ  ซึ่งของเหลวเหล่านี้ได้แก่


1.  ของเหลวที่ตกผลึก (Crystsllize) ของเหลวเหล่านี้มักตกผลึกเป็นเกร็ดของแข็งเมื่อสัมผัสกับอากาศ อาทิ  ยูเรีย  น้ำทะเล  น้ำเชื่อม  สตาร์ช (Starch) โซเดียมไฮเปอร์คลอไรด์  โซเดียมคลอไรด์  แคลเซียมไฮดรอกไซด์
ปกติแล้ว  ของเหลวในปั๊มมักจะรั่วผ่านหน้าสัมผัสแมคานิคอลซีลในปริมาณน้อยเป็นฟิลม์บางระหว่างหน้าสัมผัส เพื่อการหล่อลื่น  และระบายความร้อน ของเหลวที่รั่วออกมานั้นจะกลายเป็นไอ  และออกสู่บรรยากาศภายนอกในปริมาณน้อยมาก  แต่สำหรับของเหลวที่ตกผลึกได้นั้น  หลังจากที่เล็ดลอดผ่านหน้าสัมผัสและพบอากับกาศภายนอก   จะไม่ระเหยเป็นไอแต่กลับตกผลึกกลายเป็นเกล็ดของแข็ง  ตกค้างอยู่ระหว่างหน้าสัมผัส  และด้านนอกของซีล  หน้าสัมผัสที่หมุนสัมผัสกันตลลอดเวลานั้น  เมื่อมีเกล็ดของแข็งแทรกอยู่ระหว่างกลาง  จะเสียดสี  เกิดการสึกกร่อนอย่างรวดเร็ว และเป็นสาเหตุให้แมคานิคอลซีลรั่วในที่สุด
ปกติแล้ว  ของเหลวในปั๊มมักจะรั่วผ่านหน้าสัมผัสแมคานิคอลซีลในปริมาณน้อยเป็นฟิลม์บางระหว่างหน้าสัมผัส เพื่อการหล่อลื่น  และระบายความร้อน ของเหลวที่รั่วออกมานั้นจะกลายเป็นไอ  และออกสู่บรรยากาศภายนอกในปริมาณน้อยมาก  แต่สำหรับของเหลวที่ตกผลึกได้นั้น  หลังจากที่เล็ดลอดผ่านหน้าสัมผัสและพบอากับกาศภายนอก   จะไม่ระเหยเป็นไอแต่กลับตกผลึกกลายเป็นเกล็ดของแข็ง  ตกค้างอยู่ระหว่างหน้าสัมผัส  และด้านนอกของซีล  หน้าสัมผัสที่หมุนสัมผัสกันตลลอดเวลานั้น  เมื่อมีเกล็ดของแข็งแทรกอยู่ระหว่างกลาง  จะเสียดสี  เกิดการสึกกร่อนอย่างรวดเร็ว และเป็นสาเหตุให้แมคานิคอลซีลรั่วในที่สุด

2.  ของเหลวที่มีของแข็งปะปน(Slurry/Abrasive) อาทิ เยื่อกระดาษ  น้ำเสีย  น้ำมันดิบ  น้ำสี  (Fly ash) แคลเซียมคาร์บอเนต

กรณี  อาการที่เกิดขึ้นจะคล้ายกับในกรณีที่ 1  เมื่อของแข็งสามารถเล็ดลอดมาอยู่ระหว่างหน้าสัมผัส  จะเสียดสี เกิดความร้อน  และทำให้หน้าสัมผัสเกิดการสึกกร่อนอย่างรวดเร็ว  นอกจากนี้ในของเหลวบางประเภท  อาทิ  เยื่อกระดาษ  ซึ่งเป็นของเหลวที่มีของแข็งอ่อนๆ (เยื่อกระดาษ) จะจับตัวแข็งขึ้นเมื่อมีความร้อน ดังนั้น  เมื่อเยื่อกระดาษเคลื่อนที่เข้าใกล้จุดที่หน้าสัมผัสแมคานิคอลซีลซึงเสียดสีกัน  และมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดอื่นในปั๊ม  ก็จะจับตัวแข็งในซีลแชมเบอร์ (Seal chamber) ของแข็งเหล่านั้นจะชะลอการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นตรงหน้าสัมผัส ทำให้หน้าสัมผัส ร้อน ร้าว แตก เนื่องจากการสะสมความร้อนมากเกินไป


3.  ของเหลวที่จับตัวแข็ง หนืด เหนียว เมื่อเย็น (Hardening) อาทิ ชอกโกแลต น้ำสี  โพลิเมอร์  เรซิน  กาว  พาทาลิกแอนไฮโดร์  โมลาส โพลิตไตรีย  โมลเทนซัลเฟอร์ ของเหลวเหล่านี้จะต้องมีการควบคุมอุณหภูมิให้สูงในระดับที่สามารถคงสถานะของเหลวเพื่อที่จะสามารถไหลได้  ปัญหานี้จะมีมากขึ้น  เมื่อปั๊มทำงานไม่สม่ำเสมอ  ทำให้มีการขึ้นลงของอุณหภูมิจนไม่สามารถควบคุมสถานะให้เป็นของเหลวได้  และจะเสียหายเมื่อมีการเริ่มเดินเครื่องอีกครั้ง  เพราะของเหลวได้จับตัวแข็ง  ยืดอยู่ทั้งด้านในซีลแชมเบอร์  และระหว่างหน้าสัมผัส  การเริ่มทำงานอีกครั้งเมื่อโดยมีการควบคุมอุณหภูมิอย่างไม่ระมัดระวังจะทำให้หน้าสัมผัสแตกหักได้


4. ของเหลวที่จุดเดือดต่ำ (Flashing) อาทิ เหลวต่างๆ  จุดที่ใกล้การเสียดสีกันของหน้าสัมผัสจะมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดอื่นๆ ในปั๊ม    ดังนั้น ของเหลวที่จุดเดือดต่ำเหล่านี้  เมื่อเข้าใกล้หน้าสัมผัสจะเดือด  และกลายเป็นไออย่างรวดเร็ว (Flashing) ก๊าชที่เกิดขึ้นจะทำให้หน้าสัมผัสเปิด  และสะเทือน  เป็นผลให้หน้าสัมผัสเสียหาย  และของเหลวเล็ดลอดออกมาได้

ในการยืดอายุการใช้งานของแมคานิคอลซีล  โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานการซีลของเหลวที่มีคุณสมบัติเฉพาะทั้ง 4 ด้าน  ประเภทข้างต้น  องค์ประกอบหนึ่งที่สำคัญไม่น้อยกว่าการเลือกแมคานิคอลซีล คือการควบคุมสภาวะแวดล้อมในการทำงานของแมคานิคอลซีลที่เหมาะสม  หรือ 



Environmental Control

คือการควบคุมสภาวะแวดล้อมในซีลแชมเบอร์  ไม่ว่าจะเป็นอุณหภูมิ ความกดดัน  การไหลของของเหลว  ให้เหมาะสมกับการทำงานของแมคานิคอลซีล  โดยอาศัยของเหลวจากในปั๊มเอง  หรืออาศัยของเหลวจากแหล่งภายนอก
ทั้งนี้ เพื่อเป็นการเข้าใจที่ถูกต้องในการสื่อสาร หน่วยงานในสหรัฐอเมริกา คือ  American Petroleum Institute) (API) จึงได้กำหนดหมายเลขแผน (Plan) สำหรับ Environmental Control แบบต่างๆ  เช่น  API  Plan 2,API  Plan11,  API  Plan32 , API  Plan53 , API  Plan54  ,API  Plan62  เป็นต้น


API  Plan 02  Cooling Jacket


จากรูป ปั๊มที่เลือกใช้ API  Plan 2 จะต้องมีเสื้อ (Jacket) ที่โอบล้อมบริเวณซีลแชมเบอร์  การให้ของเหลวจากแหล่งภายนอกกับเสื้อปั๊มจะช่วยควบคุมอุณหภูมิภายในซีลแชมเบอร์ให้เหมาะสมกับงาน  โดยอาจจะเป็น

1.  น้ำมันร้อน หรือไอน้ำ  เพื่อควบคุมอุณหภูมิซีลแชมเบอร์ให้สูงขึ้นเมื่อเหมาะสำหรับของเหลวที่จับตัวแข็งเมื่อเย็น (ของเหลวประเภทที่  3)

2.  น้ำเย็น  เพื่อควบคุมอุณหภูมิซีลแชมเบอร์ให้ต่ำลง  เหมาะสำหรับการปั๊มของเหลวร้อน  อาทิ  น้ำร้อนในคอนเดนเสตปั๊ม  บอยเลอร์ฟีลปั๊ม  หรือน้ำมันร้อนเพื่อเป็นการระบายความร้อนให้กับแมคานิคอลซีล


API  Plan 11  Discharge Recirculation


จากหลักการของปั๊มทั่วไป  คือความดันที่จุดท่อออก Discharge จะสูงกว่าความดันในซีลชมเบอร์เสมอ  ดังนั้น  เมื่อท่อเชื่อมต่อกันระหว่างจุดทั้งสอง  จะมีการไหลถ่ายเทของของเหลวจากจุดท่อออกมายังซีลแชมเบอร์  ทั้งนี้เมื่อประกอบกับการติดวงแหวน Bushing ที่มีซีลแชมเบอร์ในตำแหน่งด้านหลังใบพัด  ดังรูป  ความดันในซีลแชมเบอร์จะเพิ่มขึ้น, การติดตั้งแบบนี้เหมาะสำหรับของเหลวจุดเดือดต่ำ  (ของเหลวประเภท 4)  โดยอาศัยหลักการที่ว่า  ของเหลวจะมีจุดเดือดสูงขึ้น  เมื่อความดันสูงขึ้นความดันในซีลแชมเบอร์ที่สูงขึ้น  ทำให้ของเหลวจุดเดือดต่ำ  นั้นไม่เดือด  เมื่อเข้าใกล้หน้าสัมผัส ของแมคานิคอลซีล  ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดอื่นๆ


API  Plan  32 Flush


ในกรณีที่สามารถยอมให้ของเหลวภายนอก  อาทิ  น้ำ  ปะปนกับของเหลวที่อยู่ในปั๊ม  การต่อแหล่งของ เหลวจากภายนอกที่มีความดันสูงกว่า  มายังซีลแชมเบอร์ ดังรูป  จะเป็นการช่วยระบายความร้อนที่หน้าสัมผัส แมคานิคอลซีล  และยังขับไล่ของแข็งที่อยู่ในซีลแชมเบอร์ออกไปด้วย

การต่อลักษณะนี้เหมาะกับของเหลวที่มีของแข็งปน(ของเหลวประเภท 2) เมื่อติดตั้งควบคู่กับBushing จะทำให้ของแข็งที่มีขนาดใหญ่ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาในซีลแชมเบอร์  และความดันที่เกิดขึ้นในซีลแชมเบอร์จะมีมากกว่าความาดันในปั๊ม  ไม่สามารถเอาชนะแรงดันในซีลแชมเบอร์ได้  ดังนั้นหน้าสัมผัสของแมคานิคอลซีลจึงทำงานอยู่  ในสภาพแวดล้อมที่มีแต่น้ำสะอาด และมีการระบายความร้อนตลอดเวลา


API  Plan  54 Circulation with Pressurized Barrier Fluid Source


อย่างไรก็ตาม ในบางงานผู้ใช้งานไม่สามารถยอมให้ของเหลวจากภายนอกมาปะปนในปั๊มจึงไม่สามารถแก้ปัญหาโดยใช้ API  Plan  32 ได้  ทั้งนี้เนื่องจากังวลเรื่องของเหลวจากภายนอกจะทำให้ความเข้มข้นของของเหลวในปั๊มเจือจาง  หรือการไม่ยอมให้ของเหลวอื่นมาปนเปื้อนของเหลวในปั๊ม  ดังนั้น API  Plan  54 ดังรูป  จึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง

 

API  Plan  54  อาศัยการใช้งานของดับเบิลแมคานิคอลซีล หรือซีลที่มีหน้าสัมผัสสองชุด  โดยอาศัยการต่อแหล่งของเหลวเย็น  สะอาด ที่มีความดันสูงกว่าซีลแชมเบอร์จากภายนอกมาที่พื้นที่ระหว่างหน้าสัมผัสทั้งสอง  เพื่อระบายความร้อน และสร้างฟิลม์ระหว่างหน้าสัมผัส  โดยที่ของเหลวจากแหล่งภายนอกนี้จะไม่ไปปะปนกับของเหลวในปั๊ม, จากรูปความดันในพื้นที่ 2 ซึ่งเป็นของเหลวสะอาดสูงกว่า 3 และเอาชนะซึมผ่านบริเวณหน้าสัมผัส  หน้าสัมผัสจึงมีของเหลวสะอาด  หล่อลื่น  และระบายความร้อนตลอดเวลา

ดังนั้น  เมื่อต้องการซีลของเหลวที่มีของแข็งปะปน  แต่ไม่สามารถยินยอมให้ของเหลวภายนอกมา Flush ล้างทำความสะอาดหน้าสัมผัส  และปะปนกับของเหลวในปั๊มได้  การใช้ API  Plan  54 จึงสามารถปกป้องหน้าสัมผัสจากของแข็งเหล่านั้นได้  ดังเช่น  API  Plan  32 Flush โดยที่ของเหลวภายนอกไม่ปะปนในปั๊ม

แต่อย่างไรก็ตาม  แมคานิคอลซีลที่จะใช้  API  Plan  54 ต้องเป็นแบบดับเบิ้ลหรือมีหน้าสัมผัสสองคู่  ซึ่งมีราคาแพงกว่า  นอกจากนี้  ของเหลวจากแหล่งภายนอก  หลังจากเลี้ยงสร้างความกดดันให้แก่ดับเบิ้ลซีลแล้วก็จะถูกระบายทิ้งไปทำให้เกิดค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม นอกจากค่าน้ำ  คือ ค่าบำบัด  ถ้าต้องการนำน้ำมันมาเวียนใช้ใหม่


API  Plan  53 Circulation with Pressurized Barrier Fluid Tank


แต่อย่างไรก็ตาม  บางโรงงานไม่อาจใช้ API  Plan  54 ได้ เนื่องจากมีปัญหาเรื่องปริมาณการใช้  เพราะสำหรับปั๊มตัวหนึ่งๆ อาจมีปริมาณการใช้ของเหลว(น้ำ) ถึง 5,000 ลบ.ม. ต่อปั๊มต่อปี  ดังนั้นปัญหาที่เกิดขึ้น  ไม่ว่าจะเกิดจากค่าใช้จ่ายจากประมาณการใช้ของเหลวจากแหล่งภายนอก การบำบัดของเหลวที่ระบายออก  การขาดแคลนของเหลวนั้น  หรืออาจจะมีแหล่งของเหลวแต่ไม่สามารถควบคุมแรงดันให้สม่ำเสมอได้  ดังนั้น API  Plan  53 จึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง

จากรูป API  Plan  53 ใช้หลักการเดียวกันกับ API  Plan  54 รักษาความดันของของเหลวภายนอกภายในดับเบิ้ลซีล  แต่ใน API  Plan  53  นี้ ของเหลวจากภายนอกนั้นจะหมุนเวียนเป็นระบบปิดอยู่ในถัง Barrier Fluid Tank หรือบางทีเรียกว่า  Seal Pot  การติดตั้งถังต้องมีระยะแนวตั้ง  และแนวนอนห่างจากแมคานิคซีลที่เหมาะสม นอกจากนี้ ยังต้องมีแหล่งก๊าชความดันมายังถัง เพื่อสร้างความดันด้วย  แหล่งความดันนี้อาจได้แก่  อากาศ หรือแก๊ส ไนโตรเจน
เนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นภายในจะถูกสะสมในถัง  และจะระบายออกอย่างช้าๆ  ผ่านผิวถัง  ดังนั้น  สำหรับงานปั๊มของเหลวที่มีอุณหภูมิสูง  ภายในถังอาจจะต้องมี
เนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นภายในจะถูกสะสมในถัง  และจะระบายออกอย่างช้าๆ  ผ่านผิวถัง  ดังนั้น  สำหรับงานปั๊มของเหลวที่มีอุณหภูมิสูง  ภายในถังอาจจะต้องมี Cooling coil เพื่อให้แหล่งน้ำเย็นภายนอกมาระบายความร้อนที่สะสมในถังออกไป

ข้อดีของ API Plan 53 คือ ประหยัดน้ำ และควบคุมแรงดันได้คงที่ API Plan 53 นี้เป็นที่นิยมใช้ทั่วไปในโรงงานกลั่นน้ำมัน และโรงงานปิโตรเคมี


API Plan 62 Quench


ในกรณีที่มีความต้องการใช้แหล่งของเหลวสะอาดจากภายนอกมาเพื่อชะล้างทำความสะอาดบริเวณหน้าสัมผัส โดยไม่ต้องการสร้างความดัน วิธีหนึ่งที่ใช้คือ API Plan 62 ดังรูป การต่อแบบนี้จะติดตั้งโดยอาศัยซิงเกิลแมคานิคอลซีลที่มีท่อน้ำเข้า (Quench) และน้ำออก (Drain) น้ำจะถูกกักโดย Bushing ด้านหลัง และจะรั่วซึมถ้าแหล่งน้ำมีความดันสูง

ดังนั้น API Plan 62 จึงเหมาะสำหรับของเหลวที่โดนอากาศแล้วจะตกผลึก (ประเภท 1) เพราะว่าเมื่อของเหลวภายในปั๊มเล็ดลอดผ่านหน้าสัมผัสจะไม่มีโอกาสสัมผัสกับอากาศ และจะถูกทำลายโดยของเหลวที่ Quench จากภายนอก ก่อนที่จะตกผลึก

 

ที่มา : อรรถพล ฟ้าเวโรจน์
เทคนิค 255, พฤศจิกายน 2548