Bài viết này thảo luận về những tiến bộ công nghệ trong bảo trì nhà máy nhằm giảm chi phí và cải thiện hiệu quả của con dấu cơ học. Nó nêu bật các đổi mới như làm kín mặt cuối cơ học không tiếp xúc với rãnh, giảm ma sát và mài mòn bằng cách sử dụng khí trơ thay vì rào cản chất lỏng. Các vật liệu mới như silicon carbide với tính chất tự bôi trơn và bề mặt làm kín phủ kim cương nâng cao độ bền và hiệu suất. Tiêu chuẩn hóa thông qua EN 12756 và API 682 đảm bảo khả năng thay thế và giảm chi phí. Những tiến bộ này cải thiện đáng kể độ tin cậy của làm kín, tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ dịch vụ, đặc biệt trong các ứng dụng quan trọng như dầu khí, hóa dầu và dược phẩm.
Trong bảo trì nhà máy có thể giảm chi phí. Để đạt được điều này, có hai yếu tố quan trọng:
Phát triển công nghệ
Một con dấu cơ học bao gồm một thành phần quay (vòng động) và một thành phần cố định (vòng tĩnh). Vòng di chuyển thường được kết nối với phần quay của thiết bị (chẳng hạn như trục), trong khi vòng cố định được kết nối với phần cố định của máy (chẳng hạn như hộp đóng gói của bơm quay). Để đảm bảo hiệu suất làm kín hiệu quả, bề mặt làm kín phải hoàn toàn phẳng và độ nhám bề mặt phải cực kỳ thấp. Các vòng động và tĩnh được khớp chính xác có thể khít chặt, ngăn chặn hiệu quả rò rỉ chất lỏng quy trình.
Tương tác giữa hai bề mặt làm kín xác định trạng thái cân bằng thủy lực của con dấu cơ học. Trong điều kiện làm việc bình thường, màng chất lỏng được hình thành có thể đạt được cân bằng thủy lực giữa các lực mở và đóng được tạo ra bởi áp suất của chất lỏng làm kín, do đó hạn chế rò rỉ vật lý. Tiêu chuẩn API 682 cung cấp hướng dẫn chi tiết và thông số kỹ thuật về cách tính toán các thông số kích thước chính xác.
Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, vòng làm kín có thể biến dạng do căng thẳng cơ học và nhiệt, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của con dấu cơ học. Sự biến dạng này sẽ phá vỡ cân bằng thủy lực ban đầu, làm cho màng chất lỏng giữa các bề mặt làm kín không ổn định và dẫn đến rò rỉ quá mức.
Do đó, các kỹ sư đang không ngừng khám phá các phương pháp công nghệ mới để giảm ma sát, đặc biệt là trong các điều kiện ứng dụng quan trọng, với sự tập trung đặc biệt vào việc phát triển các vật liệu mới và ứng dụng các công nghệ làm kín mới. Những đổi mới này đã cải thiện đáng kể hiệu quả và độ tin cậy của làm kín trong các quy trình sản xuất hiện đại.
Công nghệ không tiếp xúc - mặt cuối trượt có rãnh
Hệ thống làm kín mặt cuối cơ học không tiếp xúc bao gồm một vòng di chuyển và một vòng cố định. Mặt cuối của vòng di chuyển được xử lý đặc biệt để có hình dạng hình học cụ thể (như xoắn ốc hoặc bậc thang), có thể tạo ra hiệu ứng động lực học chất lỏng giữa hai mặt cuối, do đó hình thành một khe hở nhỏ ổn định giữa chúng (tham khảo Hình 1). Thiết kế này sử dụng nguyên lý nâng động lực học chất lỏng, cho phép bề mặt làm kín duy trì trạng thái làm kín hiệu quả mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
Không giống như các con dấu tiếp xúc truyền thống, thiết kế không tiếp xúc này không dựa vào các rào cản chất lỏng và các hệ thống hỗ trợ liên quan của chúng. Ngược lại, nó đạt được hiệu quả làm kín bằng cách cung cấp khí trơ đến giao diện làm kín. Việc lựa chọn khí trơ thường dựa trên sự ổn định hóa học và khả năng thích ứng của chúng với môi trường làm việc để tránh phản ứng với môi trường được làm kín. Ngoài ra, áp suất và lưu lượng của khí trơ có thể được kiểm soát chính xác thông qua bảng điều khiển đơn giản để đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy của hiệu suất làm kín.
Do việc giảm hiệu quả hệ số ma sát và mài mòn của các con dấu xuống gần bằng không, giải pháp này rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm năng lượng đáng kể, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa dầu và dược phẩm yêu cầu không phát thải.
Vật liệu thế hệ mới
Vật liệu silicon carbide với tính chất tự bôi trơn được sử dụng rộng rãi trong các con dấu cơ học. Trong việc lựa chọn khớp nối cho các bộ phận di chuyển, các vật liệu có độ cứng khác nhau thường được sử dụng để giảm thiểu ma sát càng nhiều càng tốt. Việc lựa chọn kết hợp vòng làm kín đặc biệt quan trọng, trong đó kết hợp phổ biến nhất là vòng carbon và vòng silicon carbide (xem Hình 2, hệ số PxV cho các kết hợp bề mặt thông thường). Kết hợp này không chỉ có độ dẫn nhiệt và khả năng chống hóa chất tuyệt vời, mà còn chống mài mòn hiệu quả do các hạt mài mòn trong chất lỏng gây ra.
Khi các vòng graphite và vòng silicon carbide biến dạng do nhiều lý do khác nhau, chúng thể hiện khả năng thích ứng lẫn nhau tuyệt vời, do đó duy trì hiệu suất làm kín tốt. Tuy nhiên, trong các tình huống mà áp suất làm việc rất cao hoặc chất lỏng chứa một lượng lớn bụi bẩn, hai vòng có độ cứng cao phải được sử dụng để đảm bảo hiệu quả làm kín. Mặc dù các vật liệu này có hệ số ma sát cao, điều này có thể dẫn đến sự tạo ra nhiều nhiệt hơn trong quá trình quay, có thể gây bay hơi màng chất lỏng, dẫn đến chạy khô, biến dạng hoặc gãy vòng, và ảnh hưởng đến hiệu suất của các miếng đệm phụ trợ.
Một quy trình sản xuất mới được phát triển gần đây liên quan đến việc thêm các hạt vật liệu tự bôi trơn vào ma trận cacbua silic thiêu kết thông qua phương pháp ngâm (phương pháp ngâm cacbua silic). Các vòng cố định và quay được làm bằng phương pháp này có thể đạt được giới hạn hiệu suất cực cao. Cụ thể, các con dấu cơ khí sử dụng vật liệu này có thể giới hạn giá trị mô-men xoắn hấp thụ, giảm đáng kể ma sát và sinh nhiệt. Điều này không chỉ cải thiện độ bền và độ tin cậy của các thành phần con dấu, mà còn kéo dài tuổi thọ của chúng, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Bề mặt con dấu phủ kim cương
Các vòng cacbua silic thường được phủ một lớp mỏng kim cương thông qua quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD) để cải thiện các tính chất ma sát và khả năng tương thích hóa học của chúng. Trong các ứng dụng nước nóng tại các nhà máy điện và các cơ sở dầu khí và hóa dầu, các khí lỏng dễ bay hơi, dẫn đến mất hiệu suất bôi trơn, trong khi lớp phủ kim cương có thể cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của các con dấu.
Trong ngành công nghiệp dược phẩm, các con dấu truyền thống thường không thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt do cần tránh bất kỳ sự ô nhiễm nào, trong khi các con dấu phủ kim cương thể hiện tính trơ hóa học và độ tinh khiết tuyệt vời, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn cao này.
Ngoài ra, các con dấu cơ khí sử dụng vòng phủ kim cương có thể chịu được hoạt động ngắn hạn trong điều kiện hoạt động khô của con dấu kép và con dấu không tiếp xúc, mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng.
Con dấu máy móc kỹ thuật
Trong giai đoạn thiết kế, duy trì sự nhất quán trong diện tích mặt cắt ngang của vòng đệm là một thách thức lớn (xem Hình 3). Sự nhất quán này rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định khi lái của vòng đệm và ngăn chặn sự đảo ngược. Loại con dấu này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các bơm cấp nước nồi hơi, đường ống, hệ thống bơm nước, bơm đa pha và các ứng dụng áp suất cao khác với áp suất làm việc vượt quá 100 bar. Kiểm soát chính xác kích thước và hình dạng của vòng đệm không chỉ giúp duy trì hiệu suất làm kín, mà còn giảm hiệu quả mài mòn và kéo dài tuổi thọ.
Tiêu chuẩn hóa và khả năng thay thế
Các thành phần con dấu cơ khí, giống như các phụ kiện công nghiệp khác, có một tiêu chuẩn tham chiếu quy định kích thước lắp đặt của chúng, cho phép sử dụng các con dấu do các nhà sản xuất khác sản xuất để thay thế. Điều này không chỉ cải thiện chất lượng dịch vụ cho người dùng cuối, mà còn giảm chi phí hoạt động của nhà máy.
Tiêu chuẩn EN 12756
Tiêu chuẩn EN 12756 quy định các kích thước lắp đặt chính cho các con dấu cơ khí đơn và con dấu cơ khí kép khi được sử dụng làm thành phần, không bao gồm mặt bích và ống lót bao phủ các thành phần quay và cố định. Trong giai đoạn đầu sau chiến tranh, lô con dấu cơ khí đầu tiên được giới thiệu từ Hoa Kỳ sang Châu Âu, với đơn vị đo lường là inch.
Tiêu chuẩn DIN 24960 sau đó đã phát triển thành tiêu chuẩn EN 12756, mang lại lợi ích đáng kể cho các nhà sản xuất sản xuất bơm theo tiêu chuẩn ISO, đặc biệt là cho người dùng cuối không còn bị giới hạn bởi các nhà cung cấp con dấu cung cấp các sản phẩm không tiêu chuẩn. Giá của các con dấu và chi phí bảo trì liên quan của chúng do đó đã giảm đáng kể.
Tiêu chuẩn API
Các bơm trong thiết bị dầu khí thường được sản xuất theo tiêu chuẩn API 610, trong khi các con dấu cơ khí thường được sản xuất theo tiêu chuẩn API 682. Theo tiêu chuẩn này, các con dấu phải được cung cấp dưới dạng các thành phần hình trụ, được trang bị mặt bích và ống lót, để đơn giản hóa việc lắp đặt và cho phép thử nghiệm trước khi giao hàng. Tiêu chuẩn API cung cấp các khuyến nghị để xác định kích thước của các con dấu cơ khí dựa trên thông số kỹ thuật của hộp đóng gói của các bơm API khác nhau trên thị trường.
Việc tiêu chuẩn hóa này không chỉ khả thi về mặt kỹ thuật, mà còn có thể tiêu chuẩn hóa kích thước tổng thể của các thành phần bên trong hộp nhồi, từ đó đạt được sản xuất hàng loạt quy mô trung bình và giảm chi phí sản xuất và quản lý kho.
Quan trọng là, việc tiêu chuẩn hóa này cho phép người dùng cuối lựa chọn các 'nhà sản xuất con dấu cơ khí đủ tiêu chuẩn' khác nhau, từ đó loại bỏ các vấn đề về khả năng thay thế. Thông qua phương pháp này, người dùng có thể linh hoạt lựa chọn các con dấu phù hợp và đảm bảo việc thay thế suôn sẻ của chúng, giảm thời gian ngừng hoạt động và chi phí bảo trì do các con dấu không phù hợp gây ra.
