ما هو الفرق بين الأختام الميكانيكية المفردة والمزدوجة؟

اختيار المناسب ختم آلي يُعدّ اختيار نوع الختم المناسب أمرًا بالغ الأهمية لضمان تشغيل موثوق وآمن لمعدات الضخ. قد يؤدي عدم اختيار نوع الختم المناسب إلى تسرب وتلف المعدات ووقوع مخاطر. تُقدّم هذه الوثيقة مقارنة مُعمّقة بين أنواع الختم الفردية و الأختام الميكانيكية المزدوجة، من خلال دراسة تصميمها ومبادئ عملها وتطبيقاتها لتسهيل اتخاذ القرارات المستنيرة لمختلف السيناريوهات الصناعية.

الأختام الميكانيكية الفردية

يتميز مانع التسرب الميكانيكي المفرد بتصميمه البسيط نسبيًا، إذ يتكون من مكونين رئيسيين: حلقة دوارة مثبتة على عمود دوران المعدة، وحلقة ثابتة مثبتة بإحكام على هيكل المعدة. تُصنع هذه الحلقات بأسطح مسطحة للغاية ومُصقولة بدقة، وتتلامس لتشكل واجهة الختم الرئيسية.

للحفاظ على اتصال ثابت بين هذه الوجوه، يتم استخدام آلية زنبركية (أو منفاخ في بعض التصاميم، يُطبّق الزنبرك قوةً لضغط الحلقات الدوارة والثابتة معًا. عادةً ما يكون الزنبرك موجودًا على الجانب الجوي من الختم، محميًا من سائل العملية. تُستخدم عناصر مانعة للتسرب ثانوية، مثل الحلقات الدائرية أو الحشيات، لإغلاق الأجزاء الثابتة وغطاء الختم.

كيف تعمل الأختام الميكانيكية الفردية

يعتمد مبدأ عمل مانع التسرب الميكانيكي المفرد على تكوين طبقة رقيقة للغاية من سائل المعالجة بين أسطح الختم المطحونة بدقة، وعادةً ما يكون سمكها بضعة ميكرونات فقط. أثناء تشغيل الجهاز، تدور الحلقة الدوارة مع العمود، بينما تبقى الحلقة الثابتة مثبتة على الهيكل.

ينتج تأثير الختم عن توازن بين قوة الإغلاق التي يوفرها الزنبرك وهيدروليكا السوائل، وقوة الفتح الناتجة عن ضغط غشاء السائل نفسه. تضغط قوة الزنبرك على السطحين معًا، بينما يحاول ضغط السائل في الغشاء الرقيق دفعهما بعيدًا عن بعضهما. يتحقق التوازن عند تكوين غشاء سائل مستقر.

عند انتقال السائل من جانب الضغط العالي إلى جانب الضغط الجوي المنخفض، عادةً ما يكون هناك تسرب بخاري ضئيل عند أسطح العزل. هذا التسرب البسيط طبيعي وضروري لتزييت وتبريد الأسطح. فشل الختم يمكن أن يحدث ذلك إذا أصبحت الوجوه ساخنة وجافة للغاية أو إذا انهار الفيلم بسبب التلوث أو فقدان خصائص السوائل.

تطبيقات الأختام الميكانيكية الفردية

تُستخدم الأختام الميكانيكية المفردة بشكل أساسي في الحالات التي يُشكل فيها السائل المُضخّ خطرًا ضئيلًا على البيئة أو على العاملين في تشغيل المعدات. وهي مناسبة تمامًا للتطبيقات الصناعية العامة التي تتضمن سوائل متوافقة مع مواد الختم، نظيفة نسبيًا، ولا تعتبر خطيرة بشكل جدي.

تتضمن بعض التطبيقات النموذجية للأختام الميكانيكية الفردية ما يلي:

• مضخات المياه والصرف الصحي
• معالجة الأغذية (الحليب والمشروبات والدهون الحيوانية)
• مضخات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وأبراج التبريد
• النقل الكيميائي العام مع السوائل الحميدة
• خدمات الهيدروكربونات منخفضة الضغط

في صناعات المعالجة الكيميائية والبترول والبتروكيماويات، تُستخدم الأختام الميكانيكية المفردة بكثرة في مجموعة واسعة من تطبيقات المرافق العامة، حيث تكون السوائل المُعالجة أقل خطورة من حيث المخاطر المحتملة أو التأثير البيئي. أما في المهام الأكثر تطلبًا التي تتضمن سوائل خطرة أو قابلة للاشتعال أو حساسة للبيئة، فغالبًا ما تُستخدم الأختام الميكانيكية المزدوجة لتوفير طبقة إضافية من الحماية والتكرار.

الأختام الميكانيكية المزدوجة

تُعدّ الأختام الميكانيكية المزدوجة حلاً أكثر تطورًا ومتانة للإغلاق مقارنةً بالأختام المفردة. فهي تتكون من مانعي تسرب ميكانيكيين مفردين مُرتّبين على التوالي، مما يوفر طبقة حماية إضافية ضد التسرب والتلف.

المكونان الرئيسيان للمانع التسرب المزدوج هما المانع الداخلي (الأساسي) والمانع الخارجي (الثانوي). يقع المانع الداخلي بالقرب من سائل العملية المراد سدّه، بينما يقع المانع الخارجي على الجانب الجوي من الوحدة. بين هذين المانعين، يوجد تجويف مملوء إما بسائل عازل أو بسائل حاجز.

يُعد وجود هذا التجويف المملوء بالسوائل سمة مميزة للأختام الميكانيكية المزدوجة. فهو يؤدي عدة وظائف مهمة، مثل تشحيم وجوه الفقمة، مما يُبدد الحرارة ويمنع دخول الملوثات. عادةً ما يتم تدوير السائل وصيانته باستخدام نظام دعم خارجي، قد يشمل خزانًا ومضخات ومبادلات حرارية وأجهزة مراقبة.

كيف تعمل الأختام الميكانيكية المزدوجة

يعتمد تشغيل الأختام الميكانيكية المزدوجة على آلية إحكام ثنائية المراحل. يتمثل الدور الرئيسي للختم الداخلي في احتواء سائل العملية داخل غلاف المضخة أو المعدات، ومنع تسربه. وهو بمثابة خط الدفاع الأول ضد التسرب، وهو مصمم لتحمل الضغط الكامل ودرجة حرارة سائل العملية.

من ناحية أخرى، للسدادة الخارجية وظيفتان رئيسيتان. أولًا، تعمل على احتواء السائل العازل أو الحاجز داخل التجويف بين السدادات. ثانيًا، تعمل كسدادة احتياطية، حيث تلتقط أي تسرب طفيف قد يحدث بعد السدادة الداخلية وتمنعه ​​من التسرب إلى الغلاف الجوي.

يلعب ضغط السائل في التجويف دورًا حاسمًا في أداء مانعات التسرب المزدوجة. عند استخدام سائل عازل، يُحافظ عادةً على ضغطه عند مستوى أقل من ضغط سائل العملية. في هذا التكوين، يلتقط السائل العازل أي تسرب من المانع الداخلي ويمنعه من الوصول إلى المانع الخارجي أو البيئة المحيطة.

بدلاً من ذلك، عند استخدام سائل حاجز، يُحافظ عادةً على ضغطه أعلى من ضغط سائل العملية. هذا يُنشئ حاجزًا ماديًا كاملاً بين سائل العملية والجو. في حال حدوث أي تسرب عبر الختم الداخلي، يُعاد توجيهه إلى سائل العملية بدلاً من تسربه إلى الخارج.

أنواع ترتيبات الأختام الميكانيكية المزدوجة

ترتيب ظهر لظهر

في ترتيب متقابل، تكون الوجوه الدوارة للختمين متباعدة. هذا يُنشئ تجويفًا بين الختمين حيث يتدفق سائل حاجز، بضغط أعلى من حجرة الختم الضغط، يمكن أن تدور.

يُوفر سائل الحاجز تزييتًا لأسطح الختم ويمتص أي تسرب قد يحدث. يُعد هذا التركيب مناسبًا تمامًا للتطبيقات التي تتضمن سوائل معالجة متطايرة أو خطرة أو باهظة الثمن، إذ يحتوي بفعالية أي تسرب داخل نظام سائل الحاجز.

توفر الأختام المتتالية أداءً ممتازًا في الختم وقدرة على تحمل الضغط الكامل ضمن طول محوري صغير نسبيًا. ومع ذلك، قد تكون أكثر تكلفة مقارنةً بالأختام المفردة أو أختام مترادفة وتتطلب مساحة محورية أكبر في بعض التركيبات.

من المهم ملاحظة أنه بينما يُبقي فقدان سائل الحاجز كلا الختمين مغلقين، فإن تلف الختم الداخلي قد يؤدي إلى تلوث سائل العملية به. إضافةً إلى ذلك، عادةً ما يكون ضغط أسطح الختم الخارجية، في وضعية الالتصاق، أقل مقارنةً بأسطح الختم الداخلية.

ترتيبات ثنائية (وجهاً لوجه)

في التركيبات الترادفية، المعروفة أيضًا بالتركيبات المتقابلة، يكون كلا الختمين موجهين في نفس الاتجاه، ومثبتين على التوالي. يتحمل الختم الداخلي (الأساسي) الضغط الكامل لسائل العملية، بينما يعمل الختم الخارجي (الثانوي) كختم احتياطي.

في هذا التكوين، يدور سائل عازل، يُحافظ على ضغط أقل من ضغط سائل العملية، بين السدادتين. تُفضّل السدادات المترادفة لعزل السوائل والغازات السامة والخطرة، بالإضافة إلى معالجة المواد الصلبة والوسائط الملوثة. كما أنها تُظهر أداءً أفضل. التسامح مع العمود عدم التوافق مقارنة بالترتيبات الأخرى.

مع ذلك، تتطلب أختام الختم المزدوجة عادةً مساحة محورية أكبر، مما يزيد من تعقيد النظام وتكلفته الإجمالية. في حال تعطل الختم الداخلي، يصبح الختم الخارجي الحاجز الوحيد الذي يمنع التسرب، وقد يكون أداء ختمه أقل جودة مقارنةً بالترتيب المزدوج.

ترتيبات وجهاً لوجه

يُوجِّه هذا الترتيب المتقابل وجهي الختمين الدوارين نحو بعضهما البعض، مُشكِّلاً حجرة محكمة الغلق بينهما. يُمكن لهذا التصميم استخدام سائل عازل أو حاجز، وغالبًا ما يستخدم مُكوِّنًا ثابتًا مشتركًا لكلا الختمين.

أختام وجهاً لوجه تُعدّ هذه المواد مفيدةً بشكل خاص في المعدات ذات المساحة المحدودة، حيث يمكنها التعامل بفعالية مع المواد الصلبة والوسائط الملوثة. كما أنها قادرة على تحمل ظروف الضغط العكسي. يسمح تصميمها المدمج والبسيط بحركة محورية أكبر، وفي بعض الحالات، يمكن استخدام سائل الحاجز كمبرد.

من أهم عيوب مانعات التسرب المتقابلة عدم قدرة المانع الخارجي على توفير دعم كامل للضغط. علاوة على ذلك، فإن الاعتماد على مكون ثابت مشترك يعني أن عطل هذا المكون قد يؤدي إلى عطل كلا المانعين.

الفرق بين الأختام الميكانيكية المفردة والمزدوجة

الميزات	ختم ميكانيكي واحد	ختم ميكانيكي مزدوج
عدد الأختام	واحد	المستوى الثاني⁧⁩
عدد وجوه الختم	المستوى الثاني⁧⁩	أربعة
تعقيد	بساطة	أكثر تعقيدا
التشحيم والتبريد	يعتمد عادة على سائل العملية	سائل عازل أو حاجز مخصص
الحاجة إلى نظام الدعم	عموما غير مطلوب	مطلوب عادة للسائل العازل/الحاجز
التطبيقات الأولية	سوائل أقل تطلبًا وغير خطرة	التطبيقات الخطرة والسامة وعالية الضغط والحرجة
التكلفة (الأولي)	أقل	أكثر
احتمالية التسرب	أكثر	أقل
الملاءمة للسوائل الخطرة	محدود	مرتفع
التكوينات المشتركة	دافع، غير دافع	ظهرًا لظهر، ترادفيًا (وجهًا لظهر)، وجهًا لوجه