تناقش هذه المقالة التطورات التكنولوجية في صيانة المصانع التي تهدف إلى تقليل التكاليف وتحسين كفاءة الأختام الميكانيكية. تسلط الضوء على الابتكارات مثل الختم الميكانيكي غير التلامسي بوجه نهاية مع أخاديد، والذي يقلل من الاحتكاك والتآكل باستخدام غاز خامل بدلاً من الحواجز السائلة. تعزز المواد الجديدة مثل كربيد السيليكون بخصائص التشحيم الذاتي والأسطح الختمية المطلية بالماس من المتانة والأداء. يضمن التوحيد القياسي من خلال EN 12756 وAPI 682 التبادل وتقليل التكاليف. تحسن هذه التطورات بشكل كبير من موثوقية الأختام وتوفير الطاقة وعمر الخدمة، خاصة في التطبيقات الحرجة مثل النفط والغاز والبتروكيماويات والأدوية.
في صيانة المصانع يمكن تقليل التكاليف. لتحقيق ذلك، هناك عاملان مهمان:
التطور التكنولوجي
يتكون الختم الميكانيكي من مكون دوار (حلقة ديناميكية) ومكون ثابت (حلقة ثابتة). عادةً ما تكون الحلقة المتحركة متصلة بالجزء الدوار من المعدات (مثل العمود)، بينما تكون الحلقة الثابتة متصلة بالجزء الثابت من الآلة (مثل صندوق التعبئة لمضخة دوارة). لضمان أداء ختم فعال، يجب أن يكون سطح الختم مسطحًا تمامًا ويجب أن تكون خشونة السطح منخفضة للغاية. يمكن للحلقات الديناميكية والثابتة المتطابقة بدقة أن تتناسب بإحكام، مما يمنع بشكل فعال تسرب السوائل العملية.
تحدد التفاعل بين السطحين الختميين حالة التوازن الهيدروليكي للختم الميكانيكي. في ظل ظروف العمل العادية، يمكن للفيلم السائل المتكون أن يحقق التوازن الهيدروليكي بين قوى الفتح والإغلاق الناتجة عن ضغط السائل الختمي، مما يحد من التسرب الفيزيائي. يوفر معيار API 682 إرشادات ومواصفات مفصلة حول كيفية حساب معلمات الحجم الصحيحة.
ومع ذلك، أثناء التشغيل، قد تتشوه حلقة الختم بسبب الضغوط الميكانيكية والحرارية، مما يمكن أن يؤثر على أداء الختم الميكانيكي. هذا التشوه سيكسر التوازن الهيدروليكي الأصلي، مما يجعل الفيلم السائل بين الأسطح الختمية غير مستقر ويؤدي إلى تسرب مفرط.
لذلك، يستكشف المهندسون باستمرار طرق تكنولوجية جديدة لتقليل الاحتكاك، خاصة في ظروف التطبيق الحرجة، مع التركيز بشكل خاص على تطوير مواد جديدة وتطبيق تقنيات ختم جديدة. لقد حسنت هذه الابتكارات بشكل كبير من كفاءة وموثوقية الأختام في عمليات الإنتاج الحديثة.
تقنية غير تلامسية - وجه نهاية منزلق مع أخاديد
يتكون نظام الختم الميكانيكي غير التلامسي بوجه نهاية من حلقة متحركة وحلقة ثابتة. يتم معالجة وجه نهاية الحلقة المتحركة بشكل خاص ليكون له شكل هندسي محدد (مثل الحلزوني أو المتدرج)، مما يمكن أن يولد تأثيرات ديناميكية سائلة بين الوجهين النهائيين، وبالتالي تشكيل فجوة صغيرة مستقرة بينهما (انظر الشكل 1). يستخدم هذا التصميم مبدأ الرفع الديناميكي للسائل، مما يسمح لسطح الختم بالحفاظ على حالة ختم فعالة دون اتصال مباشر.
على عكس الأختام التقليدية التلامسية، لا يعتمد هذا التصميم غير التلامسي على الحواجز السائلة وأنظمة الدعم ذات الصلة. على العكس من ذلك، يحقق تأثير الختم عن طريق تزويد الغاز الخامل إلى واجهة الختم. يتم اختيار الغازات الخاملة عادةً بناءً على استقرارها الكيميائي وقدرتها على التكيف مع بيئة العمل لتجنب التفاعلات مع الوسط المختوم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحكم بدقة في ضغط وتدفق الغاز الخامل من خلال لوحة تحكم بسيطة لضمان استقرار وموثوقية أداء الختم.
نظرًا للتقليل الفعال لمعامل الاحتكاك وتآكل الأختام إلى ما يقرب من الصفر، فإن هذا الحل مناسب جدًا للتطبيقات التي تتطلب توفيرًا كبيرًا في الطاقة، خاصة في صناعات النفط والغاز والبتروكيماويات والأدوية التي تتطلب انبعاثات صفرية.
مواد الجيل الجديد
تُستخدم مواد كربيد السيليكون ذات الخصائص الذاتية للتشحيم على نطاق واسع في الأختام الميكانيكية. في اختيار المطابقة للأجزاء المتحركة، تُستخدم عادةً مواد ذات صلابة مختلفة لتقليل الاحتكاك قدر الإمكان. اختيار مجموعة حلقات الختم مهم بشكل خاص، ومن بين أكثر المجموعات استخدامًا هي حلقة الكربون وحلقة كربيد السيليكون (انظر الشكل 2، معامل ضغط x سرعة الدورة PxV للتركيبات السطحية الشائعة). لا تتمتع هذه المجموعة فقط بموصلية حرارية ممتازة ومقاومة كيميائية، بل تقاوم أيضًا بشكل فعال التآكل الناجم عن الجسيمات الكاشطة في السائل.
عندما تتشوه حلقات الجرافيت وحلقات كربيد السيليكون لأسباب مختلفة، فإنها تظهر تكيفًا متبادلًا ممتازًا، مما يحافظ على أداء ختم جيد. ومع ذلك، في الحالات التي يكون فيها ضغط العمل مرتفعًا جدًا أو يحتوي السائل على كمية كبيرة من الأوساخ، يجب استخدام حلقتين عاليتين الصلابة لضمان تأثير الختم. على الرغم من أن هذه المواد لديها معامل احتكاك عالٍ، إلا أن هذا يمكن أن يؤدي إلى توليد المزيد من الحرارة أثناء الدوران، مما قد يسبب تبخر الفيلم السائل، مما يؤدي إلى التشغيل الجاف، وتشوه الحلقة أو كسرها، ويؤثر على أداء الحشوات المساعدة.
تتضمن عملية التصنيع التي تم تطويرها مؤخرًا إضافة جزيئات مواد ذاتية التزييت إلى مصفوفة كربيد السيليكون الملبدة من خلال طريقة الغمر (طريقة غمر كربيد السيليكون). يمكن للحلقات الثابتة والدوارة المصنوعة باستخدام هذه الطريقة تحقيق حدود أداء عالية للغاية. على وجه التحديد، يمكن للأختام الميكانيكية التي تستخدم هذه المادة تحديد قيمة عزم الدوران الممتص، مما يقلل بشكل كبير من الاحتكاك وتوليد الحرارة. لا يحسن هذا فقط من متانة وموثوقية مكونات الختم، بل يمدد أيضًا عمر الخدمة، وهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات تحت ظروف العمل القاسية.
سطح الختم المطلي بالماس
عادةً ما تُغطى حلقات كربيد السيليكون بطبقة رقيقة من طلاء الماس من خلال عملية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) لتعزيز خصائصها التريبولوجية وتوافقها الكيميائي. في تطبيقات الماء الساخن في محطات الطاقة ومرافق البترول والبتروكيماويات، تكون الغازات السائلة عرضة للتبخر، مما يؤدي إلى فقدان أداء التزييت، بينما يمكن لطلاءات الماس تحسين مقاومة التآكل ومقاومة التآكل للأختام بشكل كبير.
في صناعة الأدوية، غالبًا ما لا تستطيع الأختام التقليدية تلبية المتطلبات الصارمة بسبب الحاجة إلى تجنب أي تلوث، بينما تظهر الأختام المطلية بالماس خمولًا كيميائيًا ممتازًا ونقاءً، مما يلبي تمامًا هذه المتطلبات العالية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأختام الميكانيكية التي تستخدم حلقات مطلية بالماس تحمل التشغيل لفترة وجيزة في ظل ظروف التشغيل الجاف للأختام المزدوجة والأختام غير الملامسة، مما يوسع نطاق تطبيقها بشكل أكبر.
أختام الآلات الهندسية
خلال مرحلة التصميم، يُعتبر الحفاظ على التناسق في مساحة المقطع العرضي لحلقة الختم تحديًا كبيرًا (انظر الشكل 3). هذا التناسق ضروري لضمان استقرار القيادة لحلقة الختم ومنع الانعكاس. يُستخدم هذا النوع من الأختام حاليًا على نطاق واسع في مضخات تغذية الغلايات، وخطوط الأنابيب، وأنظمة حقن المياه، والمضخات متعددة المراحل، وغيرها من التطبيقات ذات الضغط العالي مع ضغوط عمل تتجاوز 100 بار. يساعد التحكم الدقيق في حجم وشكل حلقة الختم ليس فقط في الحفاظ على أداء الختم، بل يقلل أيضًا من التآكل ويمدد عمر الخدمة.
التوحيد وقابلية التبادل
تحتوي مكونات الأختام الميكانيكية، مثل الملحقات الصناعية الأخرى، على معيار مرجعي يحدد أبعاد تركيبها، مما يسمح باستخدام الأختام التي ينتجها مصنعون آخرون للاستبدال. لا يحسن هذا فقط من جودة الخدمة للمستخدمين النهائيين، بل يقلل أيضًا من تكاليف تشغيل المصنع.
معيار EN 12756
يحدد المعيار EN 12756 الأبعاد الرئيسية لتركيب الأختام الميكانيكية الفردية والمزدوجة عند استخدامها كعناصر، باستثناء الشفاه والأكمام التي تغطي المكونات الدوارة والثابتة. في فترة ما بعد الحرب المبكرة، تم إدخال الدفعة الأولى من الأختام الميكانيكية من الولايات المتحدة إلى أوروبا، وكانت وحدة القياس بالبوصة.
تطور المعيار DIN 24960 لاحقًا إلى المعيار EN 12756، مما جلب فوائد كبيرة للمصنعين الذين ينتجون المضخات وفقًا لمعايير ISO، خاصة للمستخدمين النهائيين الذين لم يعودوا مقيدين بموردي الأختام الذين يقدمون منتجات غير موحدة. وبالتالي انخفضت تكلفة الأختام وتكاليف الصيانة المرتبطة بها بشكل كبير.
معايير API
عادةً ما تُصنع المضخات في معدات النفط والغاز وفقًا لمعايير API 610، بينما تُصنع الأختام الميكانيكية عادةً وفقًا لمعايير API 682. وفقًا لهذا المعيار، يجب توفير الأختام في شكل مكونات أسطوانية، مجهزة بشفاه وأكمام، لتبسيط التركيب والسماح بالاختبار قبل التسليم. يوفر معيار API توصيات لتحديد حجم الأختام الميكانيكية بناءً على مواصفات صندوق الحشو لمضخات API المختلفة في السوق.
هذا التوحيد ليس فقط ممكنًا من الناحية التقنية، بل يمكن أيضًا توحيد الأبعاد العامة للمكونات داخل صندوق الحشو، مما يحقق إنتاجًا جماعيًا متوسط النطاق ويقلل من تكاليف التصنيع وإدارة المستودعات.
من المهم أن هذا التوحيد يسمح للمستخدمين النهائيين باختيار "مصنعي الأختام الميكانيكية المؤهلين" المختلفين، مما يلغي مشاكل التبادل. من خلال هذه الطريقة، يمكن للمستخدمين اختيار الأختام المناسبة بشكل مرن وضمان استبدالها بسلاسة، مما يقلل من وقت التوقف وتكاليف الصيانة الناجمة عن الأختام غير المتطابقة.
