طرق تقليل تكاليف صيانة الأختام الميكانيكية

تعتبر الأختام الميكانيكية ضرورية للتشغيل السلس والموثوق به المضخات الصناعيةيؤثر أداء هذه السدادات بشكل مباشر على الكفاءة الإجمالية وتكاليف صيانة المعدات. في حال تعطل مانع التسرب الميكانيكي، قد يُسبب خسائر مالية فادحة، خاصةً إذا لم يُعالج السبب الجذري على الفور. يُشير الخبراء في هذا المجال إلى أن العطل المُبكر للسدادات الميكانيكية لا يُعزى عادةً إلى عيوب جوهرية في المانع نفسه، بل إلى عوامل خارجية.

السبب الرئيسي لفشل مانع التسرب الميكانيكي هو عدم وجود طبقة سائلة مستقرة بين الأجزاء المتحركة. وهذا يُبرز أهميته في النظام بأكمله. يجب تحديد السبب الجذري لعدم استقرار طبقة السائل ومعالجته لضمان أداء موثوق به على المدى الطويل لمانع التسرب الميكانيكي.

يوضح الجدول التالي العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى فشل الختم الميكانيكي:

الجدول 1 العوامل الرئيسية المؤدية إلى فشل الختم الميكانيكي

تشمل أسباب فشل الختم الميكانيكي ما يلي:

أ) فيلم مفقود أو غير مستقر بين أسطح الختم

ب) الضرر

ج) التسرب المفرط

كيفية تقليل تكلفة صيانة الأختام الميكانيكية

يمكن للصيانة داخل المصنع أن تُخفّض التكاليف. ولتحقيق ذلك، هناك عاملان مهمان:

- التطور التكنولوجي

- التوحيد القياسي والتبادلية

التطور التكنولوجي

يتكون الختم الميكانيكي من جزء دوار (حلقة دوارة) وجزء ثابت (حلقة ثابتة). عادةً ما تُربط الحلقة الدوارة بالجزء الدوار من المعدة (مثل العمود)، بينما تُربط الحلقة الثابتة بالجزء الثابت من الآلة (مثل صندوق تعبئة المضخة الدوارة). لضمان فعالية الختم، يجب أن تكون أسطح الختم مستوية تمامًا وخشونة السطح منخفضة للغاية. تُثبّت الحلقات الدوارة والثابتة، ذات الأبعاد المتطابقة بدقة، بإحكام وتمنع تسرب سوائل العملية بفعالية.

يُحدد التفاعل بين سطحي الختم حالة التوازن الهيدروليكي للختم الميكانيكي. في ظروف العمل العادية، يُمكن للغشاء السائل المُتشكل تحقيق توازن هيدروليكي بين قوى الفتح والإغلاق الناتجة عن ضغط سائل الختم، مما يحد من التسرب المادي. يُوفر معيار API 682 إرشادات ومواصفات مُفصلة حول كيفية حساب مُعاملات القياس الصحيحة.

ومع ذلك، أثناء التشغيل، قد تتشوه حلقة الختم بسبب الإجهاد الميكانيكي والحراري، مما قد يؤثر على أدائها. قد يُخل هذا التشوه بالتوازن الهيدروليكي الأصلي، مما يجعل الغشاء السائل بين أسطح الختم غير مستقر، مما يؤدي بدوره إلى تسرب مفرط.

لذلك، يواصل المهندسون استكشاف أساليب تقنية جديدة لتقليل الاحتكاك، وخاصةً في ظروف التطبيقات الحرجة، مع إيلاء اهتمام خاص لتطوير مواد جديدة وتطبيق تقنيات إحكام جديدة. وقد حسّنت هذه الابتكارات بشكل ملحوظ كفاءة الإحكام وموثوقيته في عمليات الإنتاج الحديثة.

تقنية عدم التلامس - واجهات نهائية منزلقة ذات أخاديد

يتكون نظام مانع التسرب الميكانيكي غير التلامسي من حلقة ديناميكية وحلقة ثابتة. يُعالَج سطح الحلقة الديناميكية بهندسة محددة (مثل الحلزوني أو المتدرج) لتوليد تأثير ديناميكي مائع بين سطحي النهاية، مما يُشكِّل فجوة صغيرة مستقرة بينهما (انظر الشكل 1). يعتمد هذا التصميم على مبدأ الرفع الديناميكي المائع، مما يُمكّن سطحي الختم من الحفاظ على حالة مانع تسرب فعالة دون تلامس مباشر.

بخلاف أختام التلامس التقليدية، لا يعتمد هذا التصميم غير التلامسي على حاجز سائل ونظام دعمه. بل يُحقق تأثير الختم بتزويد واجهة الختم بغاز خامل. يعتمد اختيار الغاز الخامل عادةً على ثباته الكيميائي وقدرته على التكيف مع بيئة العمل لتجنب التفاعل مع الوسط المختوم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحكم بدقة في ضغط الغاز الخامل وتدفقه من خلال لوحة تحكم بسيطة لضمان ثبات وموثوقية أداء الختم.

نظرًا لأنه يمكن تقليل معامل الاحتكاك وتآكل الختم بشكل فعال إلى ما يقرب من الصفر، فإن هذا الحل مناسب جدًا لسيناريوهات التطبيق التي تتطلب توفيرًا كبيرًا للطاقة، وخاصة في صناعات النفط والغاز والبتروكيماويات والأدوية التي تتطلب انبعاثات صفرية.

الشكل 1: حلقة وجه الأخدود الحلزوني

الجيل الجديد من المواد

تُستخدم مواد كربيد السيليكون (SiC) ذات خصائص التزييت الذاتي على نطاق واسع في الأختام الميكانيكية. عند اختيار زوج من الأجزاء المتحركة، تُستخدم عادةً مواد ذات صلابة مختلفة لتقليل الاحتكاك. يُعد اختيار تركيبة حلقات الختم أمرًا بالغ الأهمية، حيث تُعدّ حلقات الكربون وحلقات كربيد السيليكون التركيبة الأكثر شيوعًا (انظر الشكل 2، معاملات الضغط × السرعة - PxV لتركيبات الأسطح الشائعة). لا تتميز هذه التركيبة بموصلية حرارية ومقاومة كيميائية ممتازتين فحسب، بل تقاوم أيضًا التآكل الناتج عن الجسيمات الكاشطة في السائل بفعالية.

عندما تتشوه حلقات الجرافيت وكربيد السيليكون لأسباب مختلفة، فإنها تُظهر تكيفًا متبادلًا ممتازًا وتحافظ على أداء إحكام جيد. ومع ذلك، في حالة ضغوط التشغيل العالية جدًا أو احتواء السائل على الكثير من الأوساخ، يجب استخدام حلقتين عاليتي الصلابة لضمان تأثير الإحكام. على الرغم من أن هذه المواد تتميز بمعامل احتكاك عالٍ، إلا أن ذلك يؤدي إلى توليد حرارة عالية أثناء الدوران، مما قد يتسبب في تبخر الغشاء السائل، مما يؤدي إلى التشغيل الجاف، وتشوه الحلقة أو كسرها، ويؤثر على أداء الحشية المساعدة.

تُضيف عملية تصنيع طُوّرت حديثًا جزيئات مواد ذاتية التشحيم إلى مصفوفة كربيد السيليكون المُلبّد عن طريق التشريب (تشريب كربيد السيليكون). ويمكن للحلقات الثابتة والدوارة المصنوعة بهذه الطريقة أن تصل إلى حدود أداء عالية للغاية. وتحديدًا، تُقلّل الأختام الميكانيكية المُستخدمة في هذه المادة من امتصاص عزم الدوران، مما يُقلّل الاحتكاك وتوليد الحرارة بشكل كبير. وهذا لا يُحسّن فقط متانة وموثوقية مكونات الختم، بل يُطيل أيضًا من عمرها الافتراضي، خاصةً في التطبيقات التي تُطبّق في ظروف عمل قاسية.

الشكل 2: الرسم البياني لمعامل P x V

وجوه الفقمة المغطاة بالماس

تُطلى حلقات كربيد السيليكون عادةً بطبقة رقيقة من طلاء الماس بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) لتعزيز خصائصها الاحتكاكية وتوافقها الكيميائي. في تطبيقات الماء الساخن في محطات الطاقة ومنشآت النفط والبتروكيماويات، تميل الغازات السائلة إلى التبخر، مما يؤدي إلى فقدان خصائص التزييت، ويمكن لطلاء الماس أن يُحسّن بشكل كبير من مقاومة التآكل والتآكل في الأختام.

في صناعة الأدوية، غالباً ما تفشل الأختام التقليدية في تلبية المتطلبات الصارمة بسبب الحاجة إلى تجنب أي تلوث، في حين تظهر الأختام المطلية بالماس خمولاً كيميائياً ونقاءً ممتازين، وتلبي هذه المعايير العالية بشكل كامل.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الأختام الميكانيكية ذات الحلقات المغطاة بالماس قادرة على تحمل التشغيل قصير المدى في ظل ظروف التشغيل الجاف للأختام المزدوجة والأختام غير التلامسية، مما يؤدي إلى توسيع نطاق تطبيقها بشكل أكبر.

أختام الآلات الهندسية

يُمثل الحفاظ على اتساق مساحة المقطع العرضي لحلقة الختم تحديًا رئيسيًا خلال مرحلة التصميم (انظر الشكل 3). يُعد هذا الاتساق ضروريًا لضمان ثبات حلقة الختم ومنع دورانها العكسي. تُستخدم هذه الأختام حاليًا على نطاق واسع في مضخات تغذية الغلايات، وخطوط الأنابيب، وأنظمة حقن المياه، والمضخات متعددة المراحل، وغيرها من تطبيقات الضغط العالي التي تتجاوز ضغوط تشغيلها 100 بار. إن التحكم الدقيق في حجم وشكل حلقة الختم لا يُسهم فقط في الحفاظ على أداء الختم، بل يُقلل أيضًا من التآكل بشكل فعال ويُطيل عمر الخدمة.

سلوك السطح المنزلق تحت ضغط الإجهاد العالي

وشكل السطح المنزلق مع تشوه محدود تحت ضغط مرتفع

الشكل 3: التصميم الأمثل لحلقة الختم

التوحيد القياسي والتبادلية

تتمتع مجموعات الأختام الميكانيكية، كغيرها من القطع الصناعية، بمعيار مرجعي يحدد أبعاد تركيبها، مما يسمح باستبدال أختام من مصنّعين آخرين. وهذا لا يُحسّن جودة الخدمة للمستخدم النهائي فحسب، بل يُخفّض أيضًا تكاليف تشغيل المصنع.

معيار EN 12756

يحدد معيار EN 12756 الأبعاد الرئيسية لتركيب الأختام الميكانيكية المفردة والمزدوجة عند استخدامها كمجموعات، باستثناء الحواف والأكمام التي تغطي الأجزاء الدوارة والثابتة. وقد أُدخلت الأختام الميكانيكية الأولى إلى أوروبا من الولايات المتحدة في أوائل فترة ما بعد الحرب، وكانت أبعادها بالبوصة.

حقق معيار DIN 24960، الذي تطور لاحقًا إلى EN 12756، فوائد جمة لمصنعي المضخات المُصنّعة وفقًا لمعايير ISO، وخاصةً للمستخدمين النهائيين، إذ لم يعودوا مُقيدين بموردي الأختام الذين يقدمون منتجات غير مُوحدة. وبالتالي، انخفض سعر الأختام وتكاليف صيانتها بشكل كبير.

معيار API

عادةً ما تُصنّع مضخات معدات النفط والغاز وفقًا لمعيار API 610، بينما تُصنّع الأختام الميكانيكية وفقًا لمعيار API 682. ووفقًا لهذا المعيار، يجب توفير الأختام على شكل مجموعات خراطيش، أي كاملة مع الشفة والكم، لتبسيط التركيب والسماح بالاختبار قبل التسليم. يقدم معيار API توصيات لتحديد أبعاد الأختام الميكانيكية بناءً على مواصفات صندوق التعبئة لمختلف مضخات API المتوفرة في السوق.

إن هذا التوحيد ليس ممكناً من الناحية الفنية فحسب، بل يسمح أيضاً بتوحيد الأبعاد الكلية للمكونات الموجودة في صندوق الحشو، وبالتالي تمكين الإنتاج على دفعات متوسطة الحجم وتقليل تكاليف التصنيع وإدارة المستودعات.

الأهم من ذلك، أن هذا التوحيد القياسي يسمح للمستخدمين النهائيين باختيار "مصنّعي أختام ميكانيكية مؤهلين" مختلفين، مما يُجنّبهم مشاكل التبديل. بهذه الطريقة، يتمتع المستخدمون بمرونة اختيار الختم المناسب وضمان إمكانية استبداله بسلاسة، مما يُقلّل من وقت التوقف عن العمل وتكاليف الصيانة الناتجة عن عدم تطابق الأختام.