고온, 고압 및 부식성 매체를 특징으로 하는 극한 산업 환경에서 씰링 부품의 선택은 단순한 부품 선택을 넘어 장비의 안전성, 신뢰성 및 사용 수명을 직접적으로 결정하는 핵심적인 기술적 과제가 됩니다. 최대 온도 700~800°C, 최대 압력 0.5MPa, 저농도 염산 부식, 질소 또는 크세논 불활성 분위기 등의 조건에서 기존 씰링 재료(예: 고무, 플라스틱)는 완전히 제 기능을 하지 못합니다. 본 글에서는 이러한 작동 조건에 적합한 핵심 씰링 솔루션을 심층적으로 살펴봅니다.
I. 운영 조건 분석 및 핵심 과제
- 극한 고온(700-800°C): 이 온도 범위는 PTFE(~260°C)나 불소고무(FKM, ~200°C)와 같은 고분자 재료의 한계를 훨씬 초과하며, 일부 금속(예: 알루미늄, 구리)의 강도를 급격히 저하시키기도 합니다. 재료는 매우 높은 융점, 우수한 고온 강도, 그리고 크리프 방지 특성을 가져야 합니다.
- 부식성 환경(저농도 HCl): 염산(HCl)은 대부분의 금속 재료(예: 스테인리스강, 니켈 기반 합금)에 심각한 부식을 유발하는 강한 환원성 무기산입니다. 밀봉재는 할로겐산에 대한 뛰어난 내성을 가져야 합니다.
- 불활성 분위기(N₂/Xe): 질소와 크세논은 화학적으로 안정적이고 반응성이 없지만, 이러한 환경에서는 일반적으로 공기(산소, 습기) 유입이나 작업 매체 누출을 방지하기 위해 매우 높은 누출 방지 성능이 시스템에 요구되므로 누출이 거의 0에 가깝습니다.
- 압력(0.5MPa): 0.5MPa(약 5kgf)는 저압~중압 범위에 속하지만, 고온과 부식이 결합되면 여전히 재료의 강도와 내구성에 대한 엄격한 시험이 됩니다.
II. 코어 씰 재질 선정
위의 분석을 바탕으로,석묵 그리고 특정 고급 합금만이 가능한 선택입니다.
1. 유연흑연(박리흑연) - 선호되는 소재
천연흑연을 화학적으로 처리하고 가열하여 박리한 후 압축하여 시트 형태로 만든 유연한 흑연입니다.절대적인 주류 그리고 선호하는 재료 이러한 조건에 대해서.
- 고온 저항성: 비산화성 분위기(불활성 N₂ 또는 Xe)에서는 서비스 온도가 1600°C를 초과하여 700~800°C 요구 사항을 쉽게 충족할 수 있습니다.
- 내식성: 질산이나 진한 황산과 같은 강산화성 산을 제외한 대부분의 산(염산, 황산, 인산 포함)에 대한 내성이 우수합니다. 저농도 HCl은 효과가 미미합니다.
- 밀봉 성능: 부드럽고 쉽게 변형되며, 작은 표면 결함을 채워 우수한 밀봉층을 형성할 수 있으며 마찰 계수가 낮습니다.
- 양식: 일반적으로 흑연 개스킷(나선형 개스킷), 흑연 패킹 또는 흑연 시트로 제조됩니다.
2. 고성능 특수 합금 – 금속 개스킷의 핵심
금속 씰은 더 높은 기계적 강도나 씰의 구조적 지지가 필요할 때 필수적입니다. 재료 선택은 신중해야 합니다.
- 하스텔로이®, 예를 들어 하스텔로이 C-276: 이것은 HCl 내식성을 위한 탁월한 합금. 이 제품은 대부분의 산(HCl, H₂SO₄ 포함)에 대해 산화 및 환원 상태 모두에서 매우 강한 내성을 나타내며, 고온 기계적 특성도 우수합니다. 나선형 개스킷(C-276 스트립 + 연성 흑연 필러) 또는 금속 O-링 제조에 이상적입니다.
- 니켈 기반 합금(예: Inconel® 600/625): 우수한 고온 강도와 적당한 내식성을 제공합니다. 그러나 HCl에 대한 내성은 Hastelloy C-276보다 훨씬 낮으므로 신중하게 평가해야 합니다.
- 티타늄 및 티타늄 합금: 염화물 환경(예: HCl)에 대한 우수한 내성을 지닙니다. 그러나 순수 티타늄은 300°C 이상에서 강도가 감소하며, 수소 취화 위험이 있습니다. 고온용 티타늄 합금은 반드시 선정하고 엄격한 평가를 거쳐야 합니다.
- 탄탈: 염산에 대한 내성이 우수합니다. 그러나 가격이 매우 비싸고 가공이 어렵습니다. 주로 클래딩이나 라이너로 사용됩니다.
⚠️ 중요한 제외 사항:
- 표준 스테인리스강(예: 304, 316): HCl 환경에서는 심각한 부식이 일어나고 빠르게 파손됩니다.
- 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 내화학성은 뛰어나지만, 최대 사용 온도가 260°C에 불과해 고온 용도에는 전혀 적합하지 않습니다.
III. 권장 씰 유형 및 구조
1. 정적 밀봉(플랜지, 커버 등)
- 스파이럴 와운드 개스킷: 이것은 가장 고전적이고 신뢰할 수 있는 솔루션입니다.하스텔로이 C-276 스트립과 유연한 흑연 스트립을 번갈아 감아 제작되었습니다. 합금 스트립은 기계적 강도와 탄성을 제공하고, 흑연 스트립은 초기 밀봉 및 보상 기능을 제공합니다. 이는 금속의 강도와 흑연의 밀봉, 내열성, 내식성을 완벽하게 결합합니다.
- 유연한 흑연 복합 개스킷: 압축 저항성과 폭발 저항성을 높이기 위해 금속 톱니판, 다공판 또는 메시판이 적층된 유연한 흑연 시트입니다. 표준 플랜지 연결에 적합합니다.
2. 동적 밀봉(밸브 스템, 교반 샤프트 등)
이는 마찰과 마모로 인해 더 큰 어려움을 야기합니다.
- 편조 흑연 패킹: 흑연 섬유를 사각 로프 형태로 엮어 스터핑 박스에 포장합니다. 글랜드의 축 방향 힘으로 압축되어 반경 방향 팽창이 샤프트 표면에 닿아 밀봉을 형성합니다. 고온 내성, 내식성, 자가 윤활성이 뛰어나 고온 밸브 및 교반기에 널리 사용됩니다. 누출률을 제어해야 합니다.
- 스프링 활성화 씰: 여러 개의 흑연 링 씰은 고온 합금 스프링(예: 인코넬)으로 보강됩니다. 이 스프링은 마모 및 열 사이클로 인한 밀봉력 손실을 보완하는 지속적인 보상력을 제공하여 매우 낮은 누설률을 보장합니다.
IV. 설계 및 사용 고려 사항
- 표면 품질: 밀봉 접촉 표면(플랜지 면, 샤프트 표면)은 부드러운 흑연 재료의 마모나 압출을 방지하기 위해 높은 마감과 경도를 가져야 합니다.
- 볼트 하중: 개스킷이 필요한 밀봉 응력을 달성하도록 충분한 볼트 하중을 계산하고 적용하십시오. 이는 볼트 크리프 이완이 발생하여 재조임이 필요할 수 있는 고온에서 특히 중요합니다.
- 열 사이클링 고려 사항: 장비 가열 및 냉각 시 발생하는 열팽창 및 수축은 밀봉 압축에 영향을 미칩니다. 따라서 복원력이 우수한 씰 유형(예: 스파이럴 와운드 개스킷, 스프링 에너자이즈드 씰)을 선택하는 것이 중요합니다.
- 가스 순도: 불활성 가스의 순도를 확보해야 합니다. 대기가 산소로 오염되면 고온에서 유연 흑연이 산화되어 밀봉 불량이 발생할 수 있습니다.
V. 요약
700-800°C, 0.5MPa의 환경에서 질소/크세논 분위기에서 저농도 염산을 사용하는 경우 재료 조합은 다음과 같습니다.강화 및 지지를 위해 Hastelloy C-276을 사용한 Flexible Graphite를 중심으로, 검증되고 신뢰할 수 있는 밀봉 솔루션입니다.
| 조건 매개변수 | 도전 | 핵심 솔루션 |
|---|---|---|
| 700-800°C 온도 | 폴리머는 녹고 금속은 부드러워진다 | 유연한 흑연, 니켈/코발트 기반 초합금 |
| 0.5MPa 압력 | 저-중압, 좋은 압축성과 회복성이 요구됨 | 스파이럴 와운드 개스킷, 스프링 활성화 씰 |
| 저농도 HCl | 대부분의 금속을 부식시킵니다 | 유연한 흑연, 하스텔로이 C-276, 탄탈 |
| 불활성 분위기(N₂/Xe) | 흑연 산화 방지, 거의 0에 가까운 누출 요구 | 고순도 분위기,고품질 씰 디자인 |
실제 선정을 위해서는 전문 씰 공급업체와 심도 있는 협의를 거쳐 상세한 작동 매개변수를 제공하고, 필요한 실험 검증을 통해 고장 없는 작동을 보장하는 것이 좋습니다. 위에서 설명한 첨단 소재와 구조를 채택함으로써 이러한 극한 작동 조건에서 발생하는 씰링 문제를 완전히 극복하고 장비의 장기적이고 안전하며 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 8월 25일