أختام الغاز مقابل الأختام المضغوطة الرطبة

أختام الغاز مقابل الأختام المضغوطة الرطبة

في ظل تزايد صرامة اللوائح البيئية، تظل تقنية عزل الغاز أساسية لضمان التشغيل الآمن والموثوق والمستدام للمضخات والخلاطات والمعدات الدوارة. يوفر تزييت السطح النهائي بالغاز الجاف مزايا كبيرة، إذ يضمن نقاءً عاليًا للمنتج وانعدامًا للانبعاثات. وقد ساهمت هذه التقنية بفعالية في خفض الانبعاثات الخطرة على مر السنين.

تشير التقديرات إلى أنه على مدار الواحد والثلاثين عامًا الماضية، تم بيع ما يقرب من 105,000 من مانعات تسرب الغاز غير التلامسية، بمتوسط ​​عمر خدمة يبلغ ست سنوات. ويمثل هذا تجنبًا محتملًا لحوالي 272.2 مليون رطل (123.4 كجم) من الانبعاثات السامة من خلال تقنية خالية من الانبعاثات.

تُعد تقنية التحكم في أقصى توافر (MACT) أداةً أساسيةً لتحقيق هذه الأهداف. تُقدّر إدارة جودة الهواء في كاليفورنيا (AQMD) الانبعاثات السنوية من مضخات العمليات الكيميائية/التكرير بـ 432 رطلاً، بينما تُشير أحدث البيانات الصادرة عن وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) إلى ما يصل إلى 2200 رطل لكل مضخة. منذ عام 1993، أثبتت هذه التقنية أنها تُوفر 500 دولار أمريكي لكل ختم (بتكلفة كهرباء تبلغ 6 سنتات لكل كيلوواط/ساعة). واليوم، مع ارتفاع تكاليف الطاقة إلى ما بين 10 و16 سنتًا لكل كيلوواط/ساعة، وصل التوفير السنوي للطاقة لكل ختم إلى 1350 دولارًا أمريكيًا.

الشكل 1 مقارنة استهلاك الطاقة بين أختام الغاز والأختام الرطبة

الشكل 2. نمط سطح الأخدود الحلزوني النموذجي وتدرج الضغط الناتج عن الأخاديد

تتوفر حاليًا مجموعة متنوعة من ترتيبات العزل لتقليل الانبعاثات. فيما يلي تصنيف لقدرتها على التحكم في انبعاثات المعدات الدوارة، مُرتبة من الأفضل إلى الأسوأ:

● ختم غاز مزدوج الضغط وغير ملامس

● ختم سائل مزدوج الضغط

● ختم مزدوج بدون ضغط مع ختم حاجز سائل

● ختم مزدوج بدون ضغط مع حاجز مانع للتلامس/عدم التلامس أثناء التشغيل الجاف

● ختم واحد مع غلاف

● ختم واحد

● ختم الحشو

تطور تكنولوجيا الختم في ضخ السوائل

مضخات السوائل المبكرة استُخدمت ألياف حشو مُغطاة بالشمع أو الجرافيت لسد تسرب العمود، إلا أن هذه الطريقة كانت تُولّد حرارة وتُقصّر من عمر الخدمة. استُحدثت حلقات فانوس مثقبة لتحسين التزييت والتبريد. يُطيل التزييت الجيد عمر خدمة الأسطح المنزلقة بشكل فعال.

أدت هذه القيود إلى تطوير أختام أعمدة ميكانيكية تتطلب تزييتًا فعالًا. وقد حسّنت التطورات في علم الاحتكاك وهندسة السوائل أنظمة تزييت الأختام بشكل أكبر. وقد صمم المصنعون هياكل نهائية مقاومة للضغط والتآكل، ويستخدم بعضها التشوه لتحسين التزييت وتقليل التآكل. توفر أختام الأعمدة المطحونة والمصقولة مقاومة ممتازة للضغط والاحتكاك والتآكل.

يتم اعتماد تزييت وجه ختم السائل على نطاق واسع بسبب ثباته تحت الضغط العالي ومقاومته للحرارة وتوافقه مع سوائل العملية.

تطوير تقنية الأخدود الحلزوني

كان أستاذ علم الاحتكاك الهولندي، إيفرت مويجديرمان، رائدًا في استخدام نمط الأخدود المتكرر في أجهزة الطرد المركزي الفائقة. تطورت هذه التقنية لاحقًا إلى الأختام الميكانيكية، واستُخدمت لأول مرة في المضخات قبل أكثر من 30 عامًا.

تتحقق وظيفة عدم التلامس من خلال نمط على أحد أسطح الختم. عند دوران العمود، يفصل النمط أسطح الختم، مما يُزيل الاحتكاك. يُستخدم غاز خامل (مثل النيتروجين) كغاز حاجز، عند ضغط يتراوح بين 20 و30 رطل/بوصة مربعة فوق ضغط العملية، مما يُحقق انبعاثات صفرية.

عادةً ما تتميز الأخاديد الحلزونية بأخاديد حلزونية لوغاريتمية مُشكَّلة آليًا على سطح مانع تسرب واحد (عادةً ما يكون مصنوعًا من مادة أكثر صلابة). مع دوران العمود، يُسحب الغاز إلى الأخدود، ويُضغط بفعل القص اللزج، ثم يتمدد عند حاجز الختم، مما يُنشئ فجوة فاصلة تبلغ عدة ميكرونات بين سطحي الختم. يُساعد تأثير الضغط الساكن أثناء فترة التوقف على تقليل تلف سطح الختم.

كانت أقدم أختام الأخاديد الحلزونية عبارة عن أخاديد أحادية الاتجاه على القطر الخارجي لسطح طرفي ثابت. ولأن سرعات مضخات المعالجة أقل بكثير من سرعات ضواغط التوربو (1200 إلى 3600 دورة في الدقيقة فقط)، فإن تحسين كفاءة فصل سطح الختم يتطلب مواد أقوى، وتصميمات أخاديد متطورة، وأحمال زنبركية أقل، واحتكاكًا أقل للحلقات المطاطية.

تطبيق تقنية الأخدود الحلزوني

في عام ١٩٩٢، نجح مُصنِّع بوليمر في تركيب مانع تسرب غاز جاف غير مُلامس في مضخة، مما ساهم بفعالية في حماية نقاء المنتج والبيئة. على مدار الثلاثين عامًا الماضية، استُخدمت هذه التقنية على نطاق واسع في معدات مثل المضخات والخلاطات والمراوح والمنفاخات، وتعمل في نطاق واسع من السرعات والضغوط ودرجات الحرارة وأحمال المواد الصلبة.

يوضح الشكل 3 أول مانع تسرب مزدوج الضغط غير ملامس تم تركيبه في مضخة طرد مركزي كبيرة الحجم. يوضح الشكل 4 مانع تسرب غاز غير ملامس، مناسب لثقوب قياسية ANSI وDIN، يتميز بحلقة تزاوج ذات أخدود حلزوني وغاز حاجز خامل. يوضح الشكل 5 نفس تكوين المانع مع إضافة تصريف لظروف معالجة تصل إلى 30% من المواد الصلبة.

الشكل 3: أول مانع تسرب مزدوج الضغط وغير ملامس تم تركيبه على مضخة عملية، حوالي عام 1992

الشكل 4: مانع تسرب غير ملامس ومزيت بالغاز لتجويف مانع تسرب قياسي

الشكل 5: تجويف ختم قياسي غير ملامس ومزيت بالغاز

تم توسيع هذه التقنية لاحقًا لتشمل الخلاطات والحاويات، المستخدمة على نطاق واسع في صناعات الأدوية والأغذية والبتروكيماويات لضمان نقاء المنتج. كما طوّر المصممون أخاديد حلزونية على الحلقة الكربونية الأساسية لتتلاءم مع ظروف السرعات المنخفضة وتدفق الأعمدة العالية، مما يحقق الرفع الهيدروديناميكي والهيدروستاتيكي.

بعد عشرين عامًا، طُوّرت تصميمات الأختام لتلبية متطلبات الضغوط العالية والعمليات المُحمّلة بالمواد الصلبة. يوضح الشكل 7 ختمًا جديدًا مُصمّمًا لمضخات ANSI كبيرة الحجم، مما يُحسّن مناولة المواد الصلبة وأدائها.

أحدث التطورات هي مانع تسرب غازي مناسب للاستخدام في درجات حرارة عالية (تصل إلى 425 درجة مئوية/800 درجة فهرنهايت). يوفر مانع التسرب المعدني، الموضح في الشكل 8، قوة زنبركية، ويستوعب الإزاحة المحورية، وينقل عزم الدوران بفعالية. يعمل المنفاخ كعنصر مانع تسرب ديناميكي، يدعم مجموعة متنوعة من تركيبات المانعات الثانوية. يتميز المانع بموازنة الضغط والتشغيل العكسي لمنع تسرب سوائل العمليات العرضي.

الشكل 6: خلاط غير ملامس يعمل بالغاز

الشكل 7: مانع تسرب غير ملامس مشحم بالغاز للمواد الصلبة والضغط العالي

الشكل 8: مانع تسرب غير ملامس ومُشحم بالغاز للخدمة في درجات الحرارة العالية

تطبيق تقنية الأخدود الحلزوني

في جميع تكوينات الختم المزدوج المضغوط، يكون ضغط سائل الحاجز أعلى من ضغط العملية المراد ختمها. يختلف ختم الغاز المزدوج عن تكوينات الختم المضغوطة الأخرى في أنه لا يعتمد على دوران السوائل بين الختمات، بل يعتمد على مصدر غاز خامل خارجي لضغط حجرة الختم. وفقًا لمعيار API 682، الطبعة الرابعة، فإن مخطط الأنابيب المقابل لهذا النوع من الختم هو مخطط الأنابيب 74. يوضح الشكل 9 مخططًا تخطيطيًا أساسيًا لهذا المخطط.

الشكل 9 خطة الأنابيب API 74 - API 682 الطبعة الرابعة

يعمل نظام الختم بالسماح للسائل بالتدفق من منطقة الضغط العالي إلى منطقة الضغط المنخفض. تقلل الأختام الميكانيكية من التسرب عبر أسطح الختم والحلقات الدائرية، مع الحفاظ على فجوة صغيرة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. تسمح هذه الفجوة للسائل عالي الضغط بالتدفق إلى الغلاف الجوي. تستخدم أختام حاجز الغاز الجاف غازًا خاملًا مُنظّمًا (مثل النيتروجين) عند ضغط يتراوح بين 30 و50 رطل/بوصة مربعة فوق ضغط العملية لتحقيق الختم.

يُستخدم النيتروجين عادةً كغاز حاجز نظرًا لتوافقه وسعره المناسب. يُزوَّد النيتروجين عادةً من خط نيتروجين مضغوط أو من أسطوانة نيتروجين، ولكن هذا أقل موثوقية. في حال عدم كفاية ضغط النيتروجين، يُمكن استخدام مُعزِّز غاز.

يجب أن ينظم نظام التحكم الضغط، ويُرشِّح غاز الحاجز، ويراقب الضغط والتدفق لمنع الضغط الزائد. ونظرًا لصغر الفجوة بين أسطح الختم، يجب ترشيح الغاز إلى أقل من ميكرون واحد. يراقب مقياس التدفق تدفق الغاز، بينما زُوِّدت لوحة API Plan 74 بجهاز إرسال لمراقبة حالة الختم باستمرار. والمعيار الرئيسي هو ضغط غاز الحاجز المُزوَّد للختم.

مزايا أختام الغاز للمستخدمين النهائيين

على الرغم من المزايا العديدة لأختام الغاز في معدات الضخ، لا تزال هناك بعض الالتباسات حول الاختيار بين تكوينات أختام الضغط المزدوجة الرطبة والجافة. تعتمد أختام الضغط الرطبة على سائل حاجز للسائل (مثل خطط API 53A/B/C و54) للتزييت والتبريد، بينما تستخدم أختام الضغط الجافة الغاز وتتطلب الحد الأدنى من المعالجة المسبقة.

مقارنة التكلفة

التكلفة الأساسية لأشرطة الختم الرطبة والجافة متشابهة. تتطلب الختم الرطب النيتروجين، وسائل التنظيف، والأسلاك الكهربائية، ومياه التبريد، والطاقة للمضخة والمروحة؛ أما الختم الجاف، فيعتمد بشكل أساسي على النيتروجين والتوصيلات الكهربائية؛ فإذا لزم الأمر، فإنها لا تحتاج إلا إلى طاقة لمعزز النيتروجين.

توافق السوائل الحاجزة

تتطلب الأختام الرطبة توافقًا أعلى مع سوائل حاجز السوائل، مما قد يؤثر على جودة العملية. أما الأختام الجافة، فتستخدم النيتروجين الخامل، والذي لا يُسبب عادةً أي مشاكل في التوافق.

مراقبة النظام والصيانة

تتطلب الأختام الرطبة تجديدًا منتظمًا لسائل الحاجز وصيانةً للمبادل الحراري. أما الأختام الجافة، فتتطلب مراقبة ضغط الحاجز ومصدر نيتروجين احتياطي لضمان موثوقية النظام. على الرغم من أن معدلات تدفق الغاز العالية مع الأختام الجافة تتطلب دراسةً، إلا أن استمرار التشغيل مقبولٌ عمومًا طالما ظل ضغط الحاجز مستقرًا.

استهلاك الطاقة والتحكم في الحرارة

بالمقارنة مع عوازل الغاز، تستهلك عوازل الغاز الرطبة قدرة حصانية أكبر وتُولّد حرارة أعلى. كما تشهد عوازل الغاز ارتفاعات أقل في درجات الحرارة واستهلاكًا أقل للطاقة. ووفقًا للإحصاءات، تستهلك عوازل الغاز الرطبة حوالي 1300 كيلوواط/ساعة من الكهرباء وتُطلق طنين من ثاني أكسيد الكربون سنويًا، بينما تستهلك عوازل الغاز الجافة 350 كيلوواط/ساعة فقط وتُطلق 0.54 طن من ثاني أكسيد الكربون. على مدار الـ 31 عامًا الماضية، تم تركيب حوالي 105,000 عوازل غاز حول العالم، بمتوسط ​​عمر تشغيلي يبلغ ست سنوات لكل نظام، مما أدى إلى توفير تراكمي في الطاقة بلغ 8.6 مليون كيلوواط/ساعة، أي ما يعادل إجمالي استهلاك الكهرباء لسكان هيوستن، تكساس.

مرونة التثبيت

تُغني أنظمة مانعات التسرب الغازية عن الحاجة إلى دوران سوائل معقد، مما يتيح مرونة أكبر في موقع تركيب أجهزة التحكم والمراقبة. في المقابل، تتطلب مانعات التسرب الرطبة تركيبًا أقرب إلى المعدات لتقليل خسائر الأنابيب. تُعد هذه المرونة مفيدة بشكل خاص في مشاريع تحديث المعدات، مما يُسهّل الصيانة والإصلاح.

مقارنةً بمانعات التسرب التلامسية التقليدية المُشحمة بالسائل، تُقلل تقنية مانعات التسرب الغازية الجافة غير التلامسية بشكل كبير من الانبعاثات الهاربة من مضخات العمليات، مما يوفر آلاف الأطنان من النفايات السامة ويُلغي الحاجة إلى مياه التبريد. علاوة على ذلك، تُقلل هذه التقنية من خسائر الطاقة الطفيلية، مما يُحسّن كفاءة الطاقة بشكل كبير، ويوفر حوالي طنين من ثاني أكسيد الكربون لكل مضخة سنويًا. علاوة على ذلك، يُوفر تحسين متوسط ​​الوقت بين الإصلاحات (MTBR) وموثوقية المعدات مزايا كبيرة في تكاليف التشغيل.

تظل تقنية مانعات التسرب المشحمة بالغاز الجاف غير التلامسية حلاً مثاليًا لتحقيق أهداف خفض الانبعاثات وتحسين موثوقية المعدات. وكما هو الحال مع أي تقنية متقدمة، يجب أن يكون تطبيقها سليمًا علميًا ومُصممًا خصيصًا للظروف المحلية. إن الاختيار والتطبيق السليم لهذه التقنية لا يُحسّن أداء المعدات فحسب، بل يُحقق أيضًا فوائد اقتصادية وبيئية كبيرة.