كيفية اختيار الأختام الميكانيكية لدرجات الحرارة المرتفعة

ما هو الختم الميكانيكي لدرجات الحرارة المرتفعة

تُعد الأختام الميكانيكية المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة مكونًا بالغ الأهمية في المعدات الدوارة التي تعمل في ظروف حرارة شديدة. تم تصميم هذه الأختام المتخصصة لتحمل درجات الحرارة المرتفعة مع الحفاظ على فعالية الختم ومنع التسرب وضمان التشغيل الموثوق. تجد الأختام الميكانيكية المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة تطبيقات في صناعات مختلفة، بما في ذلك النفط والغاز والمعالجة الكيميائية وتوليد الطاقة والفضاء الجوي.

تم تصميم الأختام الميكانيكية عالية الحرارة لمواجهة التحديات الفريدة التي تفرضها البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة. يجب أن تتعامل مع التمدد الحراري وتدهور المواد وتبخر السوائل والتكلس المحتمل أو تلوث مكونات الختم. لمعالجة هذه المشكلات، تتضمن الأختام عالية الحرارة ميزات مثل أسطح الختم المتوازنة والمكونات العائمة ومجموعات المواد المتقدمة التي يمكنها تحمل الحرارة الشديدة والحفاظ على استقرارها البعدي.

تحديات البيئات ذات درجات الحرارة العالية على الأختام الميكانيكية

تدهور المواد

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور مواد الختم وفقدان الخصائص الميكانيكية والفشل قبل الأوان. يمكن أن تلين البوليمرات والإيلاستومرات وحتى المعادن أو تصبح هشة أو تخضع لتغيرات كيميائية عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يؤثر سلبًا على أداء الختم.

التمدد الحراري والتشوه الميكانيكي

يمكن أن تؤدي التقلبات والتدرجات في درجات الحرارة إلى تمدد حراري تفاضلي بين مكونات الختم والمعدات المجاورة. وقد يؤدي هذا إلى تشوه ميكانيكي وفقدان اتصال الختم ومسارات التسرب.

تبخر السوائل والتشغيل الجاف

تكون السوائل ذات درجات الحرارة المرتفعة عرضة للتبخر، وخاصة عند واجهة الختم. ويمكن أن يؤدي التبخر إلى ظروف التشغيل الجاف وزيادة التآكل وفشل الختم. يعد الحفاظ على طبقة سائل مستقرة أمرًا بالغ الأهمية لتزييت الختم وتبديد الحرارة.

التفحم وتراكم الأوساخ على مكونات الختم

يمكن لبعض السوائل عالية الحرارة، مثل الهيدروكربونات، أن تتعرض للتكسير أو تترك رواسب على أسطح ومكونات الختم. يؤدي التكسير والتلوث إلى تعطيل واجهة الختم، والتسبب في التآكل الكاشط، وإضعاف أداء الختم.

العوامل الرئيسية في اختيار الأختام الميكانيكية للخدمة في درجات الحرارة العالية

خصائص السوائل العملية

تلعب خصائص سائل العملية دورًا حاسمًا في تحديد الختم الميكانيكي المناسب للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة. تشمل الاعتبارات الرئيسية التركيب الكيميائي للسائل، واللزوجة، وإمكانية تغير الطور عند درجات الحرارة المرتفعة.

على سبيل المثال، قد تتطلب السوائل ذات ضغوط البخار العالية تصميمات مانعة للتسرب متخصصة لمنع التبخر والحفاظ على السائل عند واجهة المانعة للتسرب. بالإضافة إلى ذلك، قد تتطلب السوائل المسببة للتآكل أو العدوانية استخدام مواد مانعة للتسرب مقاومة للمواد الكيميائية ومواد مرنة لمنع الفشل المبكر.

حدود درجة حرارة مواد الختم

يمكن أن تؤدي البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة إلى دفع مواد الختم إلى حدودها القصوى، مما يجعل من الضروري اختيار المكونات التي يمكنها تحمل ظروف التشغيل المتوقعة. يجب تقييم تصنيف درجة الحرارة القصوى لمواد سطح الختم، مثل كربيد السيليكون وكربيد التنغستن وجرافيت الكربون، بعناية لضمان قدرتها على الحفاظ على سلامتها وخصائصها الاحتكاكية عند درجة حرارة التشغيل المطلوبة.

على نحو مماثل، يجب اختيار الإيلاستومرات المستخدمة في الأختام الثانوية، مثل FKM وFFKM وPTFE، على أساس استقرارها في درجة الحرارة وقدرتها على الاحتفاظ بخصائص الختم الخاصة بها في ظل ظروف درجات الحرارة العالية.

قدرات الضغط لتصاميم الختم

إن تصنيف الضغط للختم الميكانيكي هو عامل حاسم آخر في التطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة. يجب أن تكون تصميمات الختم قادرة على تحمل ضغوط التشغيل المتوقعة دون المساس بسلامة واجهة الختم أو السماح بالتسرب المفرط.

غالبًا ما يتم استخدام ترتيبات الختم المتتالية والمتتالية في الخدمات ذات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية لتوفير قدر إضافي من التكرار في الختم وتعزيز قدرات الضغط. يمكن أن يؤدي اختيار مواد سطح الختم ذات قوة الضغط العالية واستخدام تصميمات غلاف الختم القوية إلى تحسين أداء الضغط للأختام الميكانيكية في البيئات الصعبة ذات درجات الحرارة العالية.

سرعة العمود وديناميكيات المعدات

يمكن أن تؤثر سرعة دوران المعدات وديناميكيات العمود المرتبطة بها بشكل كبير على أداء الأختام الميكانيكية في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. يمكن أن تولد سرعات العمود العالية حرارة متزايدة عند واجهة الختم بسبب الاحتكاك، مما يؤدي إلى تسارع التآكل والتشوه الحراري المحتمل لمكونات الختم.

لتخفيف هذه المشكلات، يمكن استخدام تصميمات الأختام ذات ميزات التشحيم المعززة، مثل الأخاديد الحلزونية أو أنماط الوجه المحفورة بالليزر، لتحسين تبديد الحرارة والحفاظ على طبقة سائلة مستقرة بين أسطح الأختام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يستوعب استخدام الأختام الثانوية المرنة المصنوعة من الجرافيت أو الجرافويل عدم محاذاة العمود وتقليل تأثير ديناميكيات المعدات على أداء الأختام في الخدمة في درجات الحرارة العالية.

أنواع وترتيبات الأختام الميكانيكية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية

ترتيب ظهر لظهر

في ترتيب الختم المتقابل، يتم تثبيت ختمين ميكانيكيين بحيث تكون لوحاتهما الخلفية متقابلة. يسمح هذا التكوين بتداول سائل التبريد أو السائل الحاجز بين الختمين، مما يؤدي إلى إدارة تبديد الحرارة بشكل فعال.

تُعد الأختام المتتالية مثالية للتطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة حيث يكون سائل العملية ساخنًا بشكل خاص أو حيث يكون التمدد الحراري للمكونات أمرًا مثيرًا للقلق. يساعد السائل الحاجز في الحفاظ على بيئة مستقرة لأوجه الختم، مما يمنع تدهور المواد ويضمن الأداء الأمثل.

ترتيبات وجها لوجه

تتميز ترتيبات الختم المتقابلة بوجود ختمين ميكانيكيين مثبتين بحيث تكون وجوه الختم الخاصة بهما موجهة نحو بعضها البعض. هذا الإعداد مفيد في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية حيث يكون سائل العملية نظيفًا ولا يشكل خطر انسداد أو تلويث مكونات الختم.

تسمح الأختام المتقابلة بتبديد الحرارة بكفاءة من خلال أسطح الأختام، حيث يمكن لسائل التبريد الاتصال بشكل مباشر بكلا مجموعتي الأوجه. غالبًا ما يتم استخدام هذا الترتيب جنبًا إلى جنب مع خطة أنابيب مناسبة لضمان التبريد والتزييت المناسبين لأسطح الأختام.

ترتيبات الترادف

تتكون ترتيبات الأختام المترادفة من أختام ميكانيكية مثبتة في سلسلة، مع سائل عازل بينهما. يوفر هذا التكوين مستوى إضافيًا من الحماية ضد التسرب ويُستخدم عادةً في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية حيث يكون سائل العملية خطيرًا أو حساسًا للبيئة.

يعمل سائل التخزين المؤقت على تشحيم وتبريد أسطح الختم، كما يعمل كحاجز بين سائل العملية والجو. تعتبر الأختام المترادفة فعالة بشكل خاص في منع تبخر السائل والتشغيل الجاف، حيث يحافظ سائل التخزين المؤقت على الحالة السائلة حتى في درجات الحرارة المرتفعة.

دليل اختيار المواد للأختام الميكانيكية عالية الحرارة

مواد الوجه:

• كربيد السيليكون: موصلية حرارية عالية، ومقاومة للتآكل، وتوافق كيميائي، ومقاومة للصدمات الحرارية. مناسب لدرجات حرارة تصل إلى 1800 درجة فهرنهايت (982 درجة مئوية).
• كربيد التنغستن: مقاومة ممتازة للتآكل، مثالية للبيئات الكاشطة.
• جرافيت الكربون: ذاتي التشحيم، مستقر حرارياً، مناسب لظروف التشغيل الجافة ودرجات الحرارة التي تصل إلى 1000 درجة فهرنهايت (538 درجة مئوية).

الإيلاستومرات:

• الفلوروإيلاستومر (FKM): جيد لدرجات حرارة تصل إلى 400 درجة فهرنهايت (204 درجة مئوية)، ويوفر مقاومة جيدة للمواد الكيميائية.
• الإيلاستومرات المشبعة بالفلور (FFKM): يمكنها التعامل مع درجات حرارة تصل إلى 600 درجة فهرنهايت (316 درجة مئوية)، وتوفر مقاومة كيميائية استثنائية.
• بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE): ثبات حراري ممتاز، احتكاك منخفض، خمول كيميائي. مناسب لدرجات حرارة تصل إلى 500 درجة فهرنهايت (260 درجة مئوية).

علم المعادن:

• الفولاذ المقاوم للصدأ (على سبيل المثال، 316L، 17-4PH): القوة، والمتانة، ومقاومة الأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة.
• سبائك Hastelloy وInconel: مقاومة ممتازة للتآكل وأداء عالي في درجات الحرارة العالية. مثالية للبيئات الكيميائية العدوانية ودرجات الحرارة التي تتجاوز 1000 درجة فهرنهايت (538 درجة مئوية).

الأختام الثانوية:

• الجرافيت المرن: يتميز بقدرة ممتازة على الغلق والتوصيل الحراري والمقاومة الكيميائية. مناسب لدرجات حرارة تصل إلى 1200 درجة فهرنهايت (649 درجة مئوية).
• الجرافيت: له خصائص مماثلة للجرافيت المرن، ويمكنه تحمل درجات حرارة تصل إلى 850 درجة فهرنهايت (454 درجة مئوية).

أنظمة دعم الأختام الميكانيكية للخدمة في درجات الحرارة العالية

أنظمة السوائل الحاجزة والعازلة

يقدم نظام السائل الحاجز سائلاً متوافقاً بين أسطح الختم، مما يخلق حاجزًا ماديًا بين سائل العملية والجو. يتم الحفاظ على سائل الحاجز هذا عند ضغط أعلى من سائل العملية، مما يمنع سائل العملية من الوصول إلى أسطح الختم.

على النقيض من ذلك، يستخدم نظام السائل العازل سائلًا متوافقًا مع كل من سائل العملية ومواد الختم، ولكن عند ضغط أقل من سائل العملية. يساعد السائل العازل في تبريد وتزييت أسطح الختم، مما يقلل من توليد الحرارة ويطيل عمر الختم.

خطط الأنابيب

تُعد خطط الأنابيب ترتيبات موحدة للمعدات المساعدة والأنابيب التي تدعم الأختام الميكانيكية في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك الخدمة في درجات الحرارة المرتفعة. يتم تحديد هذه الخطط بأرقام وفقًا لمعيار معهد البترول الأمريكي (API) 682. تتضمن بعض خطط الأنابيب الشائعة للأختام الميكانيكية في درجات الحرارة المرتفعة ما يلي:

• الخطة 23: تستخدم هذه الخطة مبادلًا حراريًا لتبريد سائل الحاجز، والذي يتم تداوله بواسطة حلقة ضخ أو مضخة خارجية. يساعد سائل الحاجز المبرد في الحفاظ على درجات حرارة ثابتة عند أسطح الختم.
• الخطة 52: في هذا الترتيب، يقوم خزان خارجي بتزويد حجرة الختم بسائل عازل من خلال جلبة الخانق. يساعد سائل العازل في تبريد وتزييت أسطح الختم، بينما تتحكم جلبة الخانق في معدل التدفق وتحافظ على فرق الضغط المطلوب.
• الخطة 53أ: تجمع هذه الخطة بين ميزات الخطط 52 و23، باستخدام خزان خارجي مضغوط لتزويد غرفة الختم بالسائل الحاجز ومبادل حراري لتبريد السائل المتداول.
• الخطة 54: على غرار الخطة 53A، تستخدم هذه الخطة خزانًا مضغوطًا خارجيًا ومبادلًا حراريًا، ولكنها تتضمن أيضًا جلبة خانق ذات خلوص ضيق للتحكم في تدفق السائل الحاجز والحفاظ على فرق الضغط.