ส่วนประกอบการส่งผ่านกุญแจของคอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบ - ก้านลูกสูบ: วัสดุ การรักษาความร้อน และการตรวจสอบการผลิต

ในคอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบ ก้านลูกสูบเป็นส่วนประกอบหลักในการส่งกำลังที่เชื่อมต่อลูกสูบและครอสเฮด มีฟังก์ชันหลายอย่าง เช่น การส่งกำลัง ระบบนำทางการเคลื่อนไหว การปิดผนึก และแบริ่งรับน้ำหนัก ประสิทธิภาพการทำงานส่งผลโดยตรงต่อเสถียรภาพในการทำงานของคอมเพรสเซอร์ ความน่าเชื่อถือในการซีล ความปลอดภัย และอายุการใช้งาน ทำให้คอมเพรสเซอร์เป็นหนึ่งในชิ้นส่วนสำคัญที่รับภาระหนักที่สุดในชุดลูกสูบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานปิโตรเคมี เคมีถ่านหิน และแพลตฟอร์มนอกชายฝั่งที่เกี่ยวข้องกับตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น H₂S, CO₂ และไอน้ำที่เป็นกรด การเลือกวัสดุ กระบวนการบำบัดความร้อน การเสริมความแข็งแรงของพื้นผิว และการตรวจสอบคุณภาพของแกนลูกสูบมีความสำคัญอย่างยิ่ง บทความนี้จะแนะนำการวางตำแหน่งผลิตภัณฑ์ การเลือกใช้วัสดุ กระบวนการอบชุบด้วยความร้อน กระบวนการผลิต และข้อกำหนดในการตรวจสอบอย่างเป็นระบบ โดยใช้เงื่อนไข H1150M 17-4PH ที่มีการตกตะกอน

 

1. การวางตำแหน่งและหน้าที่หลัก

เนื่องจากเป็นชิ้นส่วนส่งกำลังหลักในชุดลูกสูบของคอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบ ก้านลูกสูบจึงต้องมีตำแหน่งการทำงานที่ชัดเจนก่อน เชื่อมต่อลูกสูบและครอสเฮดและทำหน้าที่ต่อไปนี้เป็นหลัก:

การส่งกำลัง: ส่งแรงลูกสูบที่เอาท์พุตจากครอสเฮดไปยังลูกสูบ ขับเคลื่อนลูกสูบให้ลูกสูบไปกลับในกระบอกสูบเพื่อให้ได้ก๊าซเข้า การบีบอัด และคายประจุ

พื้นผิวที่พอดีการปิดผนึก: ตัวก้านพอดีอย่างใกล้ชิดกับกล่องบรรจุและแหวนขูดน้ำมัน ป้องกันไม่ให้สื่อที่ถูกบีบอัดรั่วไหลออกจากกระบอกสูบ ในขณะเดียวกันก็ปิดกั้นน้ำมันหล่อลื่นข้อเหวี่ยงไม่ให้เข้าไปในห้องอัด จึงมั่นใจได้ถึงความบริสุทธิ์ปานกลาง

ระบบนำทางการเคลื่อนไหว: ทำงานร่วมกับวงแหวนนำทางและกล่องบรรจุเพื่อจำกัดวิถีการเคลื่อนที่ของลูกสูบ และลดการสึกหรอผิดปกติของลูกสูบและการสึกหรอของกระบอกสูบที่ผิดปกติ

แบริ่งรับน้ำหนัก: ทนทานต่อแรงกดอัด แรงเฉือนแบบเสียดทาน และแรงกระแทกของก๊าซตลอดกระบวนการทั้งหมด และต้องมีความแข็งแรงเมื่อยล้าและความเหนียวต่อแรงกระแทกที่เพียงพอ

ฟังก์ชันเหล่านี้กำหนดว่าแกนลูกสูบไม่ใช่ชิ้นส่วนรับน้ำหนักชิ้นเดียว แต่เป็นส่วนประกอบสำคัญที่ส่งผลต่อระบบส่งกำลัง การซีล ระบบนำทาง และอายุการใช้งานไปพร้อมๆ กัน ดังนั้นการออกแบบโครงสร้าง การเลือกใช้วัสดุ และกระบวนการผลิตในภายหลังทั้งหมดจะต้องมุ่งเน้นไปที่ความแข็งแรงสูง ความเหนียวสูง ความแม่นยำสูง และความน่าเชื่อถือสูง

 

2. การออกแบบโครงสร้าง

การออกแบบโครงสร้างของก้านลูกสูบนั้นหมุนรอบการส่งกำลัง การนำทาง และการสวมซีล โดยปกติจะใช้โครงสร้างเพลากลมที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งผลิตโดยการตีแบบรวมหรือจากสต็อกแท่งคุณภาพสูง ปลายด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับหัวลูกสูบผ่านเกลียวละเอียด แคลมป์ไหล่ หรือการเชื่อมต่อแบบเรียว ในขณะที่ปลายอีกด้านเชื่อมต่อกับครอสเฮดหรือกลไกก้านสูบผ่านเกลียว หน้าแปลน หรือการเชื่อมต่อแบบขันไฮดรอลิก การใช้เกลียวละเอียดและการเปลี่ยนรัศมีขนาดใหญ่สามารถลดความเข้มข้นของความเค้นและหลีกเลี่ยงการแตกหักของความเมื่อยล้าภายใต้โหลดที่สลับกัน

พื้นผิว Datum ที่สำคัญถูกสร้างขึ้นในการตั้งค่าเดียว รวมกับการตัดเฉือนและการยืดที่แม่นยำหลายกระบวนการ พร้อมการควบคุมความตรง ความกลม และความเป็นแกนร่วมอย่างเข้มงวด ทำให้มั่นใจได้ว่าแกนลูกสูบจะรักษาความแม่นยำในแนวแกนที่มั่นคงระหว่างการเคลื่อนที่ไปกลับด้วยความเร็วสูง และลดความเสี่ยงของการโหลดนอกศูนย์กลางและการสึกหรอของการบรรจุที่ผิดปกติ

จากมุมมองของโครงสร้าง การออกแบบแกนลูกสูบเน้นไปที่การลดความเข้มข้นของความเค้น รับประกันการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ และรักษาความแม่นยำในการเคลื่อนที่ เมื่อกำหนดโครงสร้างแล้ว การเลือกใช้วัสดุจะกลายเป็นส่วนสำคัญที่กำหนดความสามารถในการปรับให้เข้ากับสภาพการทำงาน

 

3. การเลือกใช้วัสดุ

การเลือกใช้วัสดุจะดำเนินการแตกต่างกันไปตามสภาพการกัดกร่อนของสภาวะการทำงาน ระดับแรงดัน และคุณลักษณะปานกลาง โดยส่วนใหญ่แบ่งออกเป็น 3 ประเภท:

• วัสดุสำหรับสภาวะการทำงานปกติ: เหล็กกล้าคาร์บอนคุณภาพสูงและโลหะผสม เช่น 45#, 40Cr, 42CrMo, 38CrMoAlA ฯลฯ หลังจากการชุบแข็งและการแบ่งเบาบรรเทา + การชุบผิวแข็งแล้ว จะมีความแข็งแรงสูง มีความเหนียวสูง และทนทานต่อการสึกหรอได้ดี และเหมาะสำหรับสถานการณ์ทั่วไปที่มีตัวกลางที่ไม่กัดกร่อนหรือมีฤทธิ์กัดกร่อนเล็กน้อย เช่น อากาศ ไนโตรเจน และก๊าซธรรมชาติ โดยมีแรงดันใช้งาน ≤20 MPa

• วัสดุสำหรับสภาวะการทำงานที่มีฤทธิ์กัดกร่อน: สำหรับสื่อที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่มี H₂S, CO₂, ไอน้ำที่เป็นกรด ฯลฯ จะเลือกใช้สเตนเลสสตีลชุบแข็งด้วยการตกตะกอน 17-4PH, สเตนเลสมาร์เทนซิติก 2Cr13 และสเตนเลสออสเทนนิติก 316L ที่เป็นไปตาม NACE MR0175 มีความทนทานต่อการกัดกร่อนสม่ำเสมอและการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น และเหมาะสำหรับสภาพการทำงานที่เป็นกรดในปิโตรเคมี เคมีถ่านหิน แท่นขุดเจาะนอกชายฝั่ง และการใช้งานอื่นๆ

• วัสดุสำหรับสภาวะการทำงานพิเศษ: สำหรับสถานการณ์การบีบอัดไฮโดรเจน แนะนำให้ใช้โลหะผสมนิกเกิล Inconel718 และสเตนเลสออสเทนนิติกที่มีความเสถียรซึ่งมีความต้านทานการเปราะของไฮโดรเจนที่ดีเยี่ยม สำหรับสถานการณ์พิเศษที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนที่มีน้ำหนักเบา ไม่เป็นแม่เหล็ก และแข็งแกร่ง ก็สามารถใช้ก้านลูกสูบคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ได้เช่นกัน

โดยรวมแล้ว ไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่เป็นสากลสำหรับการเลือกใช้วัสดุ สิ่งสำคัญอยู่ที่การจับคู่สภาพการทำงาน สำหรับสถานการณ์ที่มีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนสูง เช่น น้ำมันและก๊าซที่เป็นกรด สเตนเลสสตีลชุบแข็งด้วยการตกตะกอน 17-4PH รวมกับสภาวะการรักษาความร้อนที่เหมาะสมคือวิธีแก้ปัญหาที่สำคัญที่สร้างความสมดุลระหว่างความแข็งแกร่ง ความเหนียว และความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียด

 

4. กระบวนการบำบัดความร้อน H1150M และข้อดีด้านประสิทธิภาพ

สำหรับน้ำมันและก๊าซที่เป็นกรดและสภาวะการทำงานที่มีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากความเครียดไฮโดรเจนซัลไฟด์ สามารถใช้และจัดหาสเตนเลสสตีลชุบแข็งด้วยการตกตะกอน 17-4PH ในสภาวะ ASTM A564 H1150M H1150M มีความแข็งแรงปานกลาง ความเหนียวที่ดีที่สุด และความต้านทานที่เหมาะสมต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น โดยมีการเสียรูปของเครื่องจักรน้อยกว่าและความเค้นตกค้างต่ำ

4.1 คุณสมบัติทางกลทั่วไปของ H1150M (ทิศทางตามยาวของการตีขึ้นรูป)

• ความต้านแรงดึง Rm: 790~860 MPa

• ความแข็งแรงของผลผลิต Rp0.2: 620~720 MPa

• การยืดตัว: ≥18%

• ความแข็ง: เหล็กแผ่นรีดร้อน 24~29

4.2 การเปรียบเทียบเงื่อนไข H1150/H1150D/H1150M

เส้นทางการอบชุบด้วยความร้อนของ H1150M สามารถบันทึกได้ง่ายๆ ดังนี้: การบำบัดด้วยสารละลาย → 760°C×2h การทำความเย็นด้วยอากาศ → 621°C×4h การทำความเย็นด้วยอากาศ ในจำนวนนี้ การปรับอุณหภูมิล่วงหน้าที่อุณหภูมิสูง 760°C เป็นขั้นตอนหลักที่ทำให้ H1150M จาก H1150/H1150D แตกต่าง และ 621°C คือการเสื่อมสภาพของฝน

 

5. การรักษาพื้นผิว

ส่วนการทำงานที่เหมาะกับกล่องบรรจุและแหวนขูดน้ำมันจะต้องผ่านการชุบแข็งพื้นผิว กระบวนการกระแสหลัก ได้แก่ :

• การชุบฮาร์ดโครม: ความหนา 0.05~0.25 มม.

• ไนไตรด์: เหมาะสำหรับวัสดุ 38CrMoAlA;

• การพ่นทังสเตนคาร์ไบด์ (WC): กระบวนการคล้ายเซรามิกที่มีความแข็งสูงถึง 60 HRC และความต้านทานการสึกหรอที่เหมาะสมที่สุด

หลังจากการพ่นทังสเตนคาร์ไบด์ ความหยาบของพื้นผิวคือ Ra≤0.2 μm ซึ่งสามารถลดแรงเสียดทานและการสึกหรอของซีล และยืดอายุการใช้งานของการบรรจุ

ก้านลูกสูบพร้อมการพ่นทังสเตนคาร์ไบด์ (WC)

6. ผังกระบวนการผลิต

ตั้งแต่วัตถุดิบจนถึงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป การตัดเฉือนก้านลูกสูบจะต้องเป็นไปตามลำดับที่ชัดเจน ขั้นแรกให้ทำการบำบัดสารละลายวัสดุให้เสร็จสิ้น จากนั้นจึงทำการชุบแข็ง แบ่งเบาบรรเทา และบำบัดความร้อน ตามด้วยการรีดเกลียว การพ่นพื้นผิว และการเจียรที่แม่นยำ แต่ละกระบวนการส่งผลต่อประสิทธิภาพขั้นสุดท้าย ดังนั้นการควบคุมกระบวนการจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

6.1 การบำบัดสารละลายของวัสดุ 17-4PH

วัสดุ 17-4PH ต้องผ่านการบำบัดสารละลายก่อนจึงจะสามารถดำเนินการแปรรูปอื่นได้ การบำบัดสารละลาย สภาวะ A: ค้างไว้ที่อุณหภูมิ 1,040°C (1900°F) ระบายความร้อนด้วยอากาศ/น้ำมันเพื่อให้ได้เมทริกซ์มาร์เทนซิติก เพื่อเตรียมการตัดเฉือนในภายหลังและการชุบแข็งตามอายุ

6.2 การชุบและแบ่งเบาบรรเทาและการบำบัดความร้อน

หลังจากการบำบัดด้วยสารละลาย การชุบแข็งและการแบ่งเบาบรรเทา การบำบัดความร้อน และกระบวนการอื่น ๆ จะดำเนินการตามวัสดุ แบบร่าง และสภาพการทำงาน ยกตัวอย่าง H1150M โดยมีการนำเส้นทางการบำบัดความร้อนที่กำหนดโดย ASTM A564 มาใช้:

ขั้นแรก: 760°C (1400°F) ค้างไว้ 2 ชม. ระบายความร้อนด้วยอากาศ

ขั้นที่สอง: 621°C (1150°F) ค้างไว้ 4 ชม. ปล่อยให้อากาศเย็น

เหล็กกล้าโลหะผสมธรรมดาใช้การชุบและแบ่งเบาบรรเทา + การชุบแข็งพื้นผิว 38CrMoAlA สามารถใช้การบำบัดไนไตรด์ได้

6.3 การรีดเกลียว

เกลียวทั้งหมด (เกลียวเกลียว) ถูกรีดด้วยเครื่องรีดเกลียว ไม่ได้เกิดจากการหมุน การกลิ้งสามารถปรับปรุงความแข็งแรงเมื่อยล้าของรูทเกลียว ความหนาแน่นของพื้นผิว และความต่อเนื่องของเส้นใย ทำให้เหมาะสำหรับการทนทานต่อโหลดสลับความถี่สูง

6.4 การเคลือบทังสเตนคาร์ไบด์พื้นผิว (WC)

ส่วนการทำงานของก้านลูกสูบถูกพ่นด้วยการเคลือบทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) โดยมีความแข็งสูงถึง 60 HRC และความต้านทานการสึกหรอที่เหมาะสม สามารถเลือกการชุบฮาร์ดโครมหรือไนไตรด์ได้ตามสภาพการใช้งาน ความหนาของสารเคลือบจะถูกควบคุมตามแบบและสภาพการใช้งาน

6.5 การเจียรที่แม่นยำจนถึงขนาดสุดท้าย

หลังจากฉีดทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) ลงบนพื้นผิวแล้ว ก้านลูกสูบจะถูกกราวด์ตามขนาดการวาดเพื่อให้ได้ขนาดสุดท้าย การเจียรที่แม่นยำถูกนำมาใช้ และค่าเผื่อความกลมและความเป็นทรงกระบอกของส่วนการทำงานของตัวแกนถึงเกรด IT6 ค่าเบี่ยงเบนความตรง ≤0.05 มม./ม. และการดัดงอความยาวทั้งหมด ≤0.08 มม. ทำให้มั่นใจได้ว่าการปิดผนึกจะพอดีและหลีกเลี่ยงการรั่วไหลหรือการสึกหรอที่ผิดปกติ

 

7. การตรวจสอบผลิตภัณฑ์และการประกันคุณภาพ

การตรวจสอบวัสดุ: องค์ประกอบทางเคมี คุณสมบัติทางกล ใบรับรองวัสดุ และการตรวจสอบทางโลหะวิทยาเมื่อจำเป็น

การตรวจสอบการรักษาความร้อน: บันทึกเส้นโค้งการรักษาความร้อนและการทดสอบความแข็ง ความแข็ง H1150M ถูกควบคุมที่ HRC 24~29; H1150 คือ 28~37 HRC; H1150D มีค่าประมาณ 27~33 HRC

ขนาดและเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิต: ขนาดหลัก ความร่วมแกน ความกลม ความเป็นทรงกระบอก ความตรง และการดัดงอตามความยาวทั้งหมด ความกลมและความเป็นทรงกระบอกของส่วนการทำงานถึงเกรด IT6 ความตรง ≤0.05 มม./ม. และการดัดงอความยาวรวม ≤0.08 มม.

คุณภาพพื้นผิว: ความหยาบของพื้นผิว Ra≤0.2 μm ความหนาของการเคลือบ การยึดเกาะของการเคลือบ และลักษณะที่ปราศจากรอยแตกและรอยขีดข่วน

คุณสมบัติทางกล: ความต้านแรงดึง ความแรงของผลผลิต การยืดตัว และความเหนียวต่อแรงกระแทก ยกตัวอย่าง H1150M: Rm 790~860 MPa, Rp0.2 620~720 MPa, การยืดตัว ≥18%

การทดสอบแบบไม่ทำลาย: การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (UT), การทดสอบอนุภาคแม่เหล็ก (MT), การทดสอบการแทรกซึม (PT) ฯลฯ ตามความจำเป็น เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีข้อบกพร่องภายในและพื้นผิว

การตรวจสอบขั้นสุดท้าย: การตรวจสอบมิติเต็มรูปแบบตามแบบ การตรวจสอบด้วยภาพ และการยืนยันการทำเครื่องหมายและข้อมูลการตรวจสอบย้อนกลับ เพื่อให้มั่นใจถึงความสามารถในการติดตามผลิตภัณฑ์และความสม่ำเสมอของแบทช์

 

บทสรุป

ก้านลูกสูบสเตนเลสสตีล 17-4PH ที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อน H1150M ผ่านการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสม การอบชุบด้วยความร้อนที่ได้มาตรฐาน การเสริมความแข็งแรงของพื้นผิวทังสเตนคาร์ไบด์ การรีดเกลียว และการเจียรที่แม่นยำ สามารถรักษาความแข็งแกร่ง ความเหนียว และประสิทธิภาพการปิดผนึกให้พอดีภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น น้ำมันและก๊าซที่เป็นกรด และความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากความเครียดของไฮโดรเจนซัลไฟด์ เมื่อผสมผสานกับการควบคุมคุณภาพแบบเต็มกระบวนการตั้งแต่วัสดุ การรักษาความร้อน ขนาด และพื้นผิวไปจนถึงการทดสอบแบบไม่ทำลาย ทำให้สามารถรับประกันที่เชื่อถือได้สำหรับการทำงานที่ปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และในระยะยาวของคอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบ