مکانیکال سیل چیست؟
مکانیکال سیل چیست؟ مکانیکال سیل برای جلوگیری از نشت مایعات یا گازها بین فضاهای مختلف، و بین دو قطعه مکانیکی کاربرد دارد. این سیل‌ها معمولا از جنس‌های مختلفی مانند پلیمرها، فلزات یا مواد کامپوزیت ساخته می‌شوند.
این روش تقریباً در تمام جامعه‌ی صنعتی آشنا است و هر جا که یک شفت دوّار وجود داشته باشد، به یک نوع آب‌بندی نیاز می‌باشد.
عملکرد مکانیکال سیل:
مکانیکال سیل در سیستم‌هایی به کار می‌رود که نیاز به محدود کردن سیال درون یک محفظه باشد و معمولاً این محفظه مربوط به پمپ‌ها و میکسرها است.
به‌طور مثال، در آب‌بندی یک پمپ گریز از مرکز، چالش شفت دوّار به قسمت تر پمپ است، بدون این‌که حجم زیاد آب پرفشار از محفظه خارج شود.
برای حل این چالش، یک سیستم آب‌بندی بین شفت و بدنه نیاز می‌باشد تا در برابر فشار سیال، مقاومت کرده و اصطکاک ناشی از دوران شفت را تحمل کند.
قبل از این‌که مکانیسم کلی آب بند مکانیکی توضیح داده شود، بهتر است سایر روش‌های آب‌بندی را بررسی کنیم.
یکی از روش‌هایی که بیشتر استفاده می‌شود، پکینگ گلند است. در این روش، از یک ماده‌ی بافته‌شده که طناب مانند است، استفاده می‌شود تا فضای خالی بین شفت و بدنه پر شود.
کاربرد مکانیکال سیل:
پکینگ گلند باوجود این‌که یک روش قدیمی است، هنوز هم در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شود؛ اما استفاده از سیل مکانیکی به دلایل زیر در حال افزایش است:
- اصطکاک شفت دوّار به‌مرور زمان گلند را ساییده و باعث افزایش نشتی می‌شود.
- گرمای به‌وجود آمده به دلیل اصطکاک شفت، بسیار زیاد است و شفت نیاز به خنک‌کاری زیادی خواهد شد.
- برای کاهش نشتی، گلندها باید به شفت فشار وارد کنند. این فشار، توان ورودی الکتروموتور را افزایش داده و بازده سیستم را کاهش می‌دهد.
درواقع، طراحی مکانیکال سیل برای غلبه بر مشکلات فوق انجام شده است.
آب بند مکانیکی شامل دو بخش اساسی است؛ یکی اجزا ثابت و دیگری بخش دوران کننده می‌باشد تا مجموعه به آب‌بندی برسد.
از چندین مکانیسم ساده و قطعات مختلف برای عملکرد آب بند مکانیکی و اتصال آن به شفت و قسمت ثابت، استفاده می‌شود.
آب‌بندی‌های مکانیکی معمولاً از نوع سطح ثابت یا سطح دوّار هستند اما در برخی از طرح‌ها، از آب‌بندی‌های محیطی و نوع لبه‌ای دوگانه نیز استفاده می‌شود.
در تمام موارد، استفاده اجزای زیر برای انجام آب‌بندی، متداول است.
- المان چرخشی اصلی آب‌بندی: این المان به شفت متصل شده و توسط آن، چرخانده می‌شود و در مقابل المان ثابت اصلی آب‌بندی قرار دارد.
- المان ثابت اصلی آب‌بندی: این المان به بدنه‌ی ثابت پمپ، میکسر یا هر دستگاه دیگری متصل بوده و روی المان چرخشی اصلی نیرو وارد می‌کند.
- نیروی جمع کننده: این نیرو به المان‌های آب‌بندی اصلی وارد می‌شود تا المان‌ها به هم متصل مانده و آب‌بندی انجام شود.
- آب‌بندی ثانویه ثابت و متحرک: آب‌بندی بین اجزای آب‌بندی مکانیکی و تجهیزات شفت و بدنه
یک آب‌بندی ساده دارای سه جزء است. قسمت ثابت آب‌بندی روی بدنه‌ی ثابت قرار گرفته و یک اُرینگ یا واشر نیز می‌تواند بین قسمت ثابت و متحرک قرار گیرد.
یکی از بخش‌های سیستم که می‌تواند متحرک یا ثابت باشد، همیشه به‌صورت انعطاف‌پذیر نصب می‌شود و یک فنر برای جبران هرگونه تغییر شکل در شفت و حرکت آن به دلیل تلورانس‌های یاتاقان و خارج از محور بودن شفت، تعبیه شده است.
درحالي‌كه دو قسمت از بخش‌هاي مکانیکال سیل، ثابت هستند. قسمت بين بخش‌های ثابت بدنه و متحرک شفت، نياز به توجه بيشتری دارد.
اين بخش، قسمت اصلی از طرحی است و عملکرد درست آن برای کارایی سیستم، ضروری است.
در طرح‌های رایج آب بند مکانیکی، المان‌های اصلی آب‌بندی با هم در تماس هستند. حلقه‌هایی از جنس سرامیک، کاربید، کربن یا کامپوزیت در این المان‌ها استفاده می‌شوند.
سیال آب‌بندی‌شده بین صفحات المان‌های اصلی حرکت کرده و یک لایه‌ی پایدار بین دو المان، تشکیل می‌دهد.
زمانی که شفت دوران می‌کند، المان‌های آب‌بندی بدون وجود سیال خنک‌کننده، گرم شده و به‌سرعت ساییده و تجزیه خواهند شد.
سیال آب‌بندی‌شده یک لایه‌ی نازک روغن‌کاری ایجاد می‌کند.در نوع سیل مکانیکی لبه‌ای، لایه‌ی نازکی از سیال آب‌بندی‌شده، محل اتصال آب‌بندی را خنک می‌کند.
نشتی برای خنک‌کاری و روغن‌کاری حلقه‌هایی که روی هم دوران می‌کنند، اجتناب‌ناپذیر است اما مقدار آن باید کنترل شود.
برای حداقل کردن مقدار نشتی، فاصله‌ی بین حلقه‌ها باید در کمترین میزان مجاز قرار گیرد. برای این کار، از نیروی جمع‌کننده استفاده می‌شود و مقدار آن، با توجه به رنج کاری و شرایط موجود، مشخص می‌شود.
نیروی جمع‌کننده‌ی اولیه، این اطمینان را می‌دهد که آب‌بندی از زمان شروع به کار، به‌درستی عمل خواهد کرد.
این نیرو در طرح‌های سطح ثابت و سطح متغیر به‌وسیله‌ی یک فنر تأمین می‌شود که می‌تواند یک فنر تکی، چندگانه، یک فلز یا الاستومتر خم‌شده، فنر صاف یا فنر خمیده باشد.
همچنین نیروی اولیه را می‌توان به‌وسیله‌ی آهنربا ایجاد کرد. در مکانیکال سیل لبه‌ای، برای ایجاد نیروی جمع‌کننده از پلیمر خم‌شده استفاده می‌شود و درصورتی که جنس مواد، مقاومت پایینی داشته باشد، فنر حلزونی جایگزین می‌شود.
المان‌های آب‌بندی باید روی شفت دوّار و بدنه‌ی ثابت، محکم شوند. اُرینگ‌ها، واشرها و سایر الاستومترهای آب‌بندی از ایجاد نشتی در محل تماس المان‌ها جلوگیری می‌کنند.
مکانیکال سیل ثابت ثانویه نیز از ایجاد نشتی بین اجزایی که نسبت به هم حرکتی ندارند، جلوگیری می‌کند. یک مثال از این مورد، بوش و شفت است که هر دو دوران می‌کنند اما نسبت به هم حرکتی ندارند.
در مقابل سیل، مکانیکی متحرک ثانویه، از نشتی قطعاتی که نسبت به هم حرکت دارند، جلوگیری می‌کند.
مثال این مورد، صفحه‌ی آب‌بندی نصب‌شده به‌وسیله‌ی فنر است که صفحه می‌تواند تا جایی که فنر اجازه می‌دهد، حرکت کند و آب‌بندی ثانویه از ایجاد نشتی بین صفحه و قطعه‌ای که صفحه روی آن به‌صورت انعطاف‌پذیر نصب شده، جلوگیری می‌کند.
مکانیکال سیل از نوع لبه‌ای تنها به آب‌بندی ثانویه‌ی ثابت نیاز دارد؛ چراکه تغییر شکل آب‌بندی لبه‌ای، هرگونه جابجایی قطعات در حال کار را جبران می‌کند.
تمام آب‌بندی‌های سطح ثابت و سطح متغیر حداقل به یک آب بند مکانیکی ثانویه متغیر نیاز دارند.
علت این مسئله، صلب بودن المان‌ها در تماس است که باعث می‌شود سیستم با هرگونه جابجایی، خارج از محور بودن شفت، تغییر حجم در اثر انبساط و حرکت محوری شفت، دچار نشتی شود.
سیل مکانیکی متحرک ثانویه، حرکت نسبی بین حداقل یکی از سطوح آب‌بندی و قطعه‌ای که روی آن سوار شده است را جبران می‌کند.
طراحی مکانیکال سیل، جنس مواد، شرایط سیال و محیط، عواملی هستند که عمر آب بند مکانیکی را تعیین می‌کنند. آب‌بندی‌های مکانیکی برای طیف گسترده‌ای از سیالات استفاده می‌شوند.
هر سیال دارای ویژگی‌های روغن‌کاری متفاوتی است اما برای عملکرد درست آب‌بندی، وجود یک لایه‌ای نازک از سیال بین المان‌های آب‌بندی، ضروری است.
لایه‌ای که ضخامت بالایی دارد، باعث افزایش نشتی می‌شود و امکان عبور ذرات جامد از آب‌بندی را فراهم می‌سازد که باعث افزایش سایش و خوردگی خواهد شد.
از طرف دیگر، لایه‌ای که نازک باشد، باعث ایجاد گرما و تجزیه‌ی المان‌ها خواهد شد.
اهداف طراحی مکانیکال سیل:
یکی از اهداف طراحی سیل مکانیکی، تمیز و خنک نگه داشتن محل تماس المان‌ها است تا عملکرد آب‌بندی درست بوده و طول عمر آن افزایش یابد.
با استفاده از طراحی مکانیکال سیل می‌توان نيروی جمع‌كننده‌ی بين المان‌های آب‌بندی را تغيير داد و درنتیجه ضخامت لايه‌ی سيال بين آن‌ها را تنظيم كرد تا دمای محل تماس المان‌ها بالا نرفته و روغن‌كاری به‌صورت كامل انجام شود.
يك روش ديگر برای تنظيم ضخامت لايه‌ی سيال، تغيير طرح و نوع المان‌های در تماس برای ارتقای نيروی عمودی بين آن‌ها است.
انتخاب جنس المان‌های اصلی آب بند مکانیکی روی طول عمر سيستم اثر زيادی دارد. تطابق شيميايی تنها يكی از معيارهای انتخاب است.
مواد سفت‌تر در مقابل سيالات خورنده، مقاومت بالايی دارند اما اگر هر دو المان از جنس مواد سفت انتخاب شوند، سايش بين آن‌ها نيز افزايش می‌يابد و برای سيالات بدون خاصيت خورندگی مناسب نخواهند بود.
استفاده از يك المان نرم‌تر يا داراي جنس مناسب برای روغن‌كاری مانند گرافيت، باعث كاهش اصطكاك و تلفات خواهد شد.
همچنين استفاده از مواد كامپوزیتی سفت نیز باعث کاهش اصطکاک از طریق فراهم کردن سوراخ‌های میکروسکوپیک در سطح تماس المان‌ها می‌شود.
یکی دیگر از ویژگی‌هایی که در حین انتخاب جنس المان‌ها در نظر گرفته می‌شود، رسانایی گرمایی است که باعث انتقال گرما به دور از سطح تماس می‌شود.
سختی سطح المان‌ها و بافت درونی مواد نیز نقشی اساسی در طول عمر آب‌بندی دارد.
در نظر داشته باشید بسیاری از ایرادات در آب‌بندی، ناشی از خرابی آب‌بندی ثانویه به دلیل شرایط نامناسب شیمیایی، فشار و دما است. قطعات فلزی نیز باید با نوع سیال سازگار باشند تا دچار خوردگی نشوند.
تولید مکانیکال سیل
نحوه ی تولید یک آب بند مکانیکی بر سه نقطه آب بندی استوار است. قسمت اول، قسمت ثابت آب بند است که به محفظه ی پمپ نصب می شود.
این قسمت ممکن است با یک حلقه ی واشر بسته شده بین قسمت ثابت و محفظه ی پمپ، آب بندی شود.
قسمت دوم، قسمت چرخشی آب بند است که معمولاً با یک حلقه ی دیگر بر روی شفت بسته می شود.
این نقطه از آب بندی را نیز می توان ثابت در نظر گرفت. زیرا این قسمت از سیل همراه با شفت می چرخد.
سومین قسمت نیز، چه در قطعه ی ایستا و چه در قطعه ی پویا، به صورت انعطاف پذیر نصب می شود.
این قسمت دارای فنر است تا هرگونه انحراف شفت کوچک، حرکت شفت به دلیل تحمل یاتاقان ها، و تراز خارج از عمود به دلیل تلرانس های تولید را در خود جای دهد. لازم به ذکر است که سیل های مکانیکی، خود رابط بین بخش های ثابت و متحرک آب بندی هستند.
نحوه انتخاب مکانیکال سیل
برای خرید مکانیکال سیل و انتخاب اب بند مکانیکی باید عوامل تاثیرگذار را شناسایی کنید و انتخاب صحیحی داشته باشید. این عوامل عبارتند از :
- مقدار دور پمپ (RPM)
- دمای کاری پمپ یا دمایی که باید مکانیکال سیل یا آب بند مکانیکی تحمل نماید.
- قطر شفت و مقدار اندازه مونتاژی طول آب بند مکانیکی
- فشار کاری پمپاژ و حداکثر آن که از دور پمپ استخراج می‌شود.
- انتخاب متریال مکانیکال سیل بر حسب نوع سیال که عبارتند از
تا دمای 80 درجه سانتیگراد = جنس NBR
80 تا 180 درجه سانتیگراد = جنس وایتون
بالاتر از ۱۸۰ درجه سانتیگراد =جنس نوعی از تفلون و الاستومر خاص
انتخاب جنس سطح مکانیکال سیل یا سیل مکانیکی، برحسب توجه به دور پمپ، فشار و نوع سیال
سیالات دارایذرات ریز = سیلیکون کارباید
سیالاتبدون ذرات ریز = کربن (اگر دور نرمال باشد)
سیال با ضریب حساسیت بالا و بدون نشتی = تنگستن کارباید
پمپ های دارای مشکل گرم شدن مکانیکال سیل یا سیل مکانیکی = سرامیک
در صورتی که مکانیکال سیل، خشک کار نماید به سرعت ترک خورده و مستهلک می‌گردد پس نباید خشک کار کند.
معیار های انتخاب مکانیکال سیل:
استفاده از استانداردهای تدوین‌شده برای انتخاب یک آب‌بندی، بهترین رویکرد گزینش نوع و جنس قطعات است.
یکی از سازمان‌های معتبر و مشهور که در این زمینه فعال است، موسسه‌ی نفت آمریکا (API) است که استاندارد پرکاربرد API 682 را برای انتخاب آب‌بند مکانیکی تدوین کرده است.
این استاندارد تنها اطلاعاتی به‌عنوان ضمیمه است که فقط شامل راهنمایی است و الزامات طراحی را در بر نمی‌گیرد.
بسیاری از کاربردهای پتروشیمی و صنعتی در این استاندارد پوشش داده شده‌اند اما برخی از کاربردهای خاص‌تر را نمی‌توان یافت.
در آب‌بندی‌هایی که برای پمپ با سیال نسبتاً بی‌خطر استفاده می‌شوند، می‌توان از نوع تک‌گانه استفاده کرد؛ زیرا نشتی به فشار اتمسفری، خطری نداشته و به‌راحتی کنترل می‌شود.
استفاده از آب بندی دوگانه می‌تواند نشتی را با محصور کردن سیال، بهتر کنترل کند اما در این نوع نیز ممکن است مقدار کمی نشتی باقی بماند.
اگر شرایط به‌گونه‌ای است که اجازه‌ی وجود نشتی وجود ندارد، آب‌بندی سه‌گانه که از مکانیسم سیال پرفشار بعنوان مانع استفاده می‌کند، به کار گرفته می‌شود.
در ویرایش چهارم استاندارد API 682 علاوه بر تعیین میزان نشتی، نوع سیال، میزان خورندگی و سایر خطرات آن نیز در نظر گرفته شده و جنس‌های مختلف قطعات آب‌بندی بر اساس مقاومت آن‌ها در برابر سیالات مختلف، با کدهای متفاوت نشان داده شده‌اند.
قبل از انتخاب نهایی، علاوه بر معیارهای گفته‌شده، ملاحظات دیگری مانند ویژگی‌های سیال، کار کردن پمپ بدون وجود سیال، استراتژی‌های تشخیص نشتی، روش تخلیه‌ی نشتی و آلودگی‌های سیال نیز باید در نظر گرفته شوند.