يتم فحص الحرارة عندما ختم آلي تتشقق الوجوه بشكل شعاعي نتيجةً للتغيرات الشديدة في درجات الحرارة والإجهاد الحراري. تبدو هذه الشقوق كأسلاك عجلة، تبدأ من المركز وتمتد إلى الخارج، مما يؤدي في النهاية إلى تلف الختم قبل أوانه.
تمنع الأختام الميكانيكية تسرب السوائل عند مرور عمود دوار عبر غلاف المضخة. تعمل هذه الأختام بالضغط على وجهين ناعمين للغاية معًا - أحدهما يدور مع العمود والآخر ثابت. توفر طبقة رقيقة جدًا من السائل بين هذين الوجهين التزييت والتبريد.
عندما يختفي هذا الفيلم السائل الواقي أو ترتفع درجات الحرارة، وجوه الفقمة تتمدد وتنكمش بمعدلات مختلفة. المواد الصلبة، مثل كربيد التنغستن والسيراميك، لا تتحمل هذه التقلبات السريعة في درجات الحرارة، فتتشقق تحت تأثير الضغط.
كيف تتطور الضغوط الحرارية في واجهات الفقمة
تتراكم الضغوط الحرارية عندما تسخن أسطح الختم بشكل غير متساوٍ ثم تبرد بسرعة كبيرة. تُولّد فروق درجات الحرارة عبر مادة السطح قوى داخلية تتجاوز في النهاية قدرة المادة على التحمل.
- التسخين الاحتكاكيعندما تحتك أسطح الختم ببعضها دون تزييت مناسب، يُولّد الاحتكاك حرارة شديدة عند نقاط التلامس. وتزيد قوة الزنبرك والضغط الهيدروليكي اللذان يضغطان على الأوجه من سوء الوضع. فبدون طبقة سائلة كافية بين الأوجه، قد ترتفع درجات الحرارة إلى مئات الدرجات في ثوانٍ.
- القص اللزج وديناميكيات السوائل:يُولّد الدوران عالي السرعة مع السوائل الكثيفة قوى قصّ هائلة في الغشاء الرقيق. يُولّد هذا القصّ حرارةً تُشبه فرك اليدين. عندما يرتفع الضغط والسرعة بشكل كبير، يسخن الغشاء السائل بما يكفي لتشويه سطح الختم ليتخذ شكلًا مخروطيًا.
- التوسع التفاضلي: مختلف أجزاء من الختم يتمدد السطح بمعدلات مختلفة عند تسخينه. يصبح القطر الداخلي بالقرب من العمود أكثر سخونة بكثير من حافته الخارجية. ولأن مواد مثل كربيد التنغستن تتمتع بصلابة عالية ومقاومة ضعيفة للصدمات الحرارية، فإنها لا تنثني لتتكيف مع هذه الاختلافات، ما يؤدي إلى تشققها.
- صدمة حراريةيحدث السيناريو الأكثر ضررًا عندما يصطدم سطح مانع التسرب الساخن فجأةً بسائل بارد. تخيّل سقوط طبق زجاجي ساخن في ماء بارد - سينكسر. ويحدث الشيء نفسه لسطح مانع التسرب عندما يكون ساخنًا وجافًا، ثم يُغمر فجأةً بسائل بارد. يُولّد الانكماش السريع إجهادات شد تُنتج نمط التشقق الشعاعي المميز.
الأسباب وظروف التشغيل التي تؤدي إلى فحص الحرارة
يمكن أن تؤدي العديد من ظروف التشغيل إلى تشغيل فحص الحرارة، لكنها جميعًا تشترك في شيء واحد - فهي تخلق ظروفًا قاسية لدرجة الحرارة تجعل مادة الختم لا استطيع التعامل.
التشغيل الجاف وفقدان التزييت
يعد التشغيل الجاف السبب الأول لفحص الحرارة لأنه يزيل طبقة سائل التبريد والتشحيم بين الوجوه.
- نقص الفيلم السائلتشغيل المضخة بدون سائل أو فقدان تدفق التدفق يؤدي إلى احتكاك أسطح الختم المعدنية ببعضها. بدون سائل لسحب الحرارة، ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير في ثوانٍ. وعندما يعود السائل أخيرًا، تُسبب الصدمة الحرارية تشققات في الأسطح الساخنة على الفور.
- التشحيم غير الكافيالسوائل عالية اللزوجة أو سوائل الحاجز غير المناسبة لا تتدفق بشكل صحيح بين الأسطح. يمكن أن يؤدي الطقس البارد إلى تكثيف السوائل لدرجة أنها لا تستطيع الحفاظ على الطبقة الواقية. قد لا تكون الأسطح جافة تمامًا، لكنها لا تحصل على ما يكفي من التزييت لمنع ارتفاع درجة حرارتها.
- التشغيل الجاف بسبب التبخر أو الوميض: يؤدي التشغيل بالقرب من درجة غليان السائل إلى تحوله إلى بخار عند سطح الختم. تفقد أسطح الختم غشاءها السائل فجأةً وتجف. يحدث هذا كثيرًا مع تطبيقات الماء الساخن أو عندما تتجاويف المضخات، مما يُنشئ مناطق ضغط منخفض موضعية يتحول فيها السائل إلى بخار.
سوء التبريد ودرجة الحرارة المرتفعة
حتى مع التزييت الكافي، فإن التبريد غير الكافي يسمح بتراكم الحرارة حتى يواجه الختم التشقق.
- تدفق التبريد/التدفق غير الكافي:خطوط التنظيف المسدودة، أو المبادلات الحرارية المتقشرة، أو أعطال المضخة في نظام دعم الختم يمنع التبريد المناسب. الحرارة المتولدة عند الأسطح لا تجد مكانًا تذهب إليه. تستمر درجة الحرارة في الارتفاع حتى تتجاوز الضغوط الحرارية قوة المادة وتتشكل الشقوق.
- ارتفاع درجة حرارة المنتج:يُعرِّض ضخ الزيت الساخن، أو مُكثِّف البخار، أو غيرها من السوائل عالية الحرارة، أختام الزيت لحرارة ثابتة. تعمل أسطح الأختام عند درجات حرارة قريبة من الحد الأقصى المسموح به. أي حرارة إضافية ناتجة عن الاحتكاك أو اضطراب العملية تدفعها إلى حافة الخطر، مما يؤدي إلى إجهادها الحراري.
- ركوب الدراجات الحراريةدورات التسخين والبرودة المتكررة تُرهق مادة الختم. بدء العمل بمنتج ساخن ثم شطفه بالماء البارد يُسبب تقلبات حادة في درجات الحرارة. كل دورة تُضعف المادة حتى تظهر الشقوق في النهاية. الأمر أشبه بثني مشبك ورق ذهابًا وإيابًا حتى ينكسر.
حدود الضغط العالي والسرعة (PV)
لكل مادة مانعة للتسرب حد أقصى للقوة الكهروضوئية، وهو حاصل ضرب الضغط في سرعة السطح التي تتحملها. يؤدي تجاوز هذا الحد إلى توليد حرارة زائدة نتيجة الاحتكاك.
يؤدي التشغيل بضغط يزيد عن 200,000 رطل/بوصة مربعة/دقيقة إلى زيادة كبيرة في درجة حرارة السطح ومعدل التآكل. ويؤدي الجمع بين السرعة العالية والضغط العالي إلى احتكاك أكبر مما يمكن للطبقة السائلة تبديده. وتسخن الأسطح تدريجيًا حتى يحدث تشقق حراري.
التجويف
يُحدث التجويف انهيارات فقاعية عنيفة تُولّد بقعًا ساخنة موضعية على أسطح الفقمة. عندما ينخفض ضغط السائل عن ضغط البخار، تتشكل الفقاعات ثم تنفجر على أسطح الفقمة.
تُنشئ هذه الانفجارات مناطق مجهرية ذات حرارة وضغط شديدين. ويُنتج الضغط الحراري المتكرر الناتج عن انهيار آلاف الفقاعات في الثانية نمط التشقق الشعاعي المميز للفحص الحراري.
يُسبب التجويف أيضًا اهتزازًا يُمزّق الغشاء السائل بين الأسطح. وهذا يؤدي إلى ظروف تشغيل جافة متقطعة تُفاقم مشكلة الإجهاد الحراري.
دخول الهواء وارتفاع الضغط
تُعيق جيوب الهواء وارتفاعات الضغط استقرار حالة الأختام اللازمة للعمل بشكل صحيح. يُسبب الهواء المحبوس في صندوق الحشو بقعًا جافة عند تلامس الأسطح دون تزييت.
ارتفاع الضغط المفاجئ أثناء بدء التشغيل أو اضطرابات العملية يزيد الحمل على أسطح الختم. هذا الضغط الزائد يضغط على الغشاء السائل، مما يسبب تلامسًا مؤقتًا بين المعدنين وتسخينًا سريعًا.
يؤدي الجمع بين جيوب الهواء وتغيرات الضغط إلى ظهور بقع ساخنة غير متوقعة تُسبب ضغطًا على أسطح الختم. مع مرور الوقت، تُنتج هذه الصدمات الحرارية المتكررة شقوقًا شعاعية دالة على وجود خلل حراري.
الأسئلة الشائعة
هل يمكن إصلاح الأختام التي تم فحصها بالحرارة؟
لا، لا يمكن إصلاح أسطح الختم التي تم فحصها حراريًا، ويجب استبدالها. تُضعف الشقوق قدرة الختم على الحفاظ على طبقة سائلة مناسبة، وتُسبب تلفًا تدريجيًا للسطح المُتصل.
ما مدى سرعة إجراء فحص الحرارة؟
يمكن إجراء فحص الحرارة في ثوانٍ خلال التشغيل الجاف الشديد، أو خلال ساعات في ظروف تشغيلية غير مواتية. تعتمد السرعة على درجات الحرارة القصوى وسرعة تسخين وتبريد الختم.
ما هي مواد الختم الأكثر مقاومة لاختبارات الحرارة؟
يُوفر كربيد السيليكون عمومًا أفضل مقاومة للحرارة بفضل موصليته الحرارية الممتازة. كما تتميز مواد الكربون والجرافيت بأداء جيد نظرًا لقدرتها على تحمل الصدمات الحرارية بشكل أفضل من السيراميك الصلب.
كيف يمكنني منع فحص الحرارة في أختام المضخة الخاصة بي؟
تأكد من تدفق المياه بشكل صحيح، ولا تشغّل المضخات وهي جافة، وحافظ على درجات حرارة السوائل الصحيحة، وشغّلها ضمن حدود القدرة الكهروضوئية المسموح بها. يوفر تركيب أجهزة مراقبة درجة الحرارة وأنظمة الإغلاق التلقائي حماية إضافية من الظروف التي تسبب ارتفاع درجة الحرارة.
