كيفية اختيار الأختام الميكانيكية لدرجات الحرارة العالية

ما هو الختم الميكانيكي لدرجات الحرارة العالية

A ختم آلي تُعد مقاومة درجات الحرارة العالية عنصرًا أساسيًا في المعدات الدوارة التي تعمل في ظروف حرارة شديدة. صُممت هذه الأختام المتخصصة لتحمل درجات الحرارة المرتفعة مع الحفاظ على كفاءتها في الختم، ومنع التسرب، وضمان موثوقية التشغيل. تُستخدم الأختام الميكانيكية عالية الحرارة في العديد من الصناعات، بما في ذلك النفط والغاز، والمعالجة الكيميائية، وتوليد الطاقة، والفضاء الجوي.

صُممت الأختام الميكانيكية عالية الحرارة لمواجهة التحديات الفريدة التي تفرضها بيئات درجات الحرارة المرتفعة. يجب أن تتعامل مع التمدد الحراري، وتدهور المواد، وتبخر السوائل، واحتمالية التكويك أو التلوث. مكونات الختم. ولمعالجة هذه المشكلات، تتضمن الأختام عالية الحرارة ميزات مثل التوازن وجوه الفقمةوالمكونات العائمة ومجموعات المواد المتقدمة التي يمكنها تحمل الحرارة الشديدة والحفاظ على ثبات أبعادها.

تحديات البيئات ذات درجات الحرارة العالية على الأختام الميكانيكية

تدهور المواد

ارتفاع درجات الحرارة يمكن أن يسبب مواد الختم تتحلل، وتفقد خصائصها الميكانيكية، وتتلف قبل الأوان. البوليمرات، والإيلاستومرات، وحتى المعادن، قد تلين، أو تصبح هشة، أو تخضع لتغيرات كيميائية عند درجات الحرارة العالية، مما يؤثر سلبًا على أداء العزل.

التمدد الحراري والتشوه الميكانيكي

قد تؤدي تقلبات درجات الحرارة وتدرجاتها إلى تمدد حراري تفاضلي بين مكونات الختم والمعدات المجاورة. وقد يؤدي ذلك إلى تشوه ميكانيكي، وفقدان اتصال الختم، ومسارات تسرب.

تبخر السوائل والتشغيل الجاف

السوائل عالية الحرارة معرضة للتبخر، خاصةً عند واجهة الختم. قد يؤدي التبخر إلى جفاف التشغيل، وزيادة التآكل، و فشل الختم. إن الحفاظ على طبقة سائلة مستقرة أمر بالغ الأهمية لـ تشحيم الختم وتبديد الحرارة.

التفحم وتراكم الأوساخ على مكونات الختم

بعض السوائل عالية الحرارة، مثل الهيدروكربونات، قد تتعرض للتكوير أو تترك رواسب على أسطح ومكونات مانعات التسرب. يؤدي التكوير والتلوث إلى تعطل واجهة مانعات التسرب، ويسببان تآكلًا كاشطًا، ويضعفان من أدائها.

العوامل الرئيسية في اختيار الأختام الميكانيكية للخدمة في درجات الحرارة العالية

خصائص سوائل العملية

تلعب خصائص سائل العملية دورًا حاسمًا في تحديد الختم الميكانيكي المناسب للخدمة في درجات الحرارة العالية. وتشمل الاعتبارات الرئيسية التركيب الكيميائي للسائل، ودرجة لزوجته، واحتمالية تغير طوره عند درجات الحرارة المرتفعة.

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

حدود درجة حرارة مواد الختم

قد تؤدي البيئات عالية الحرارة إلى دفع مواد الختم إلى أقصى حدودها، مما يجعل من الضروري اختيار مكونات قادرة على تحمل ظروف التشغيل المتوقعة. يجب تقييم الحد الأقصى لدرجة حرارة مواد سطح الختم، مثل كربيد السيليكون وكربيد التنغستن والجرافيت الكربوني، بعناية لضمان الحفاظ على سلامتها وخصائصها الاحتكاكية عند درجة حرارة التشغيل المطلوبة.

وبالمثل، الإيلاستومرات المستخدمة في الأختام الثانويةيجب اختيار المواد العازلة للحرارة مثل FKM وFFKM وPTFE على أساس استقرارها في درجة الحرارة وقدرتها على الاحتفاظ بخصائص الختم في ظل ظروف درجات الحرارة العالية.

قدرات الضغط لتصاميم الختم

يُعدّ تصنيف ضغط الختم الميكانيكي عاملاً حاسماً آخر في التطبيقات عالية الحرارة. يجب أن تكون تصاميم الختم قادرة على تحمّل ضغوط التشغيل المتوقعة دون المساس بسلامة واجهة الختم أو السماح بتسريب مفرط.

غالبًا ما تُستخدم ترتيبات الختم المتتالية والمتتالية في الخدمات عالية الضغط ودرجة الحرارة لتوفير مانع تسرب إضافي وتعزيز قدرات الضغط. اختيار الختم إن استخدام مواد الواجهة ذات قوة الضغط العالية واستخدام تصميمات غلاف الختم القوية يمكن أن يحسن بشكل أكبر من أداء الضغط للأختام الميكانيكية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والصعبة.

سرعة العمود وديناميكيات المعدات

يمكن لسرعة دوران المعدات وديناميكيات الأعمدة المرتبطة بها أن تؤثر بشكل كبير على أداء الأختام الميكانيكية في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. يمكن أن تُولّد السرعات العالية للأعمدة حرارة متزايدة عند واجهة الختم بسبب الاحتكاك، مما يؤدي إلى تسارع التآكل واحتمالية حدوث تشوه حراري لمكونات الختم.

للتخفيف من هذه المشاكل، يُمكن استخدام تصميمات أختام مُحسّنة التزييت، مثل الأخاديد الحلزونية أو أنماط الأسطح المحفورة بالليزر، لتحسين تبديد الحرارة والحفاظ على طبقة سائلة مستقرة بين أسطح الأختام. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام أختام ثانوية مرنة من الجرافيت أو الجرافويل لاستيعاب عدم محاذاة العمود وتقليل تأثير ديناميكيات المعدات على أداء الأختام في درجات الحرارة العالية.

أنواع وترتيبات الأختام الميكانيكية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية

ترتيب ظهر لظهر

في نظام مانع التسرب المتقابل، يُركّب مانعان ميكانيكيان بحيث تكون لوحتاهما الخلفيتان متقابلتين. يسمح هذا النظام بتدوير سائل التبريد أو سائل الحاجز بين المانعين، مما يُحسّن تبديد الحرارة بفعالية.

تُعدّ الأختام المتتالية مثاليةً للتطبيقات عالية الحرارة، حيث يكون سائل المعالجة ساخنًا جدًا أو حيث يُشكّل التمدد الحراري للمكونات مصدر قلق. يُساعد السائل الحاجز على الحفاظ على بيئة مستقرة لأسطح الأختام، مما يمنع تدهور المواد ويضمن الأداء الأمثل.

ترتيبات وجهاً لوجه

تتميز أنظمة الختم المتقابلة بوجود مانعَي تسرب ميكانيكيين مثبتين بحيث تكون أسطحهما متقابلة. يُعد هذا النظام مفيدًا في التطبيقات عالية الحرارة، حيث يكون سائل المعالجة نظيفًا ولا يُشكل خطر انسداد أو تلويث مكونات الختم.

أختام وجهاً لوجه يسمح بتبديد الحرارة بكفاءة عبر أسطح الختم، حيث يلامس سائل التبريد كلا السطحين مباشرةً. يُستخدم هذا الترتيب عادةً مع تصميم أنابيب مناسب لضمان التبريد والتزييت المناسبين لأسطح الختم.

ترتيب ترادف

تتكون أنظمة الختم المترادفة من مانعي تسرب ميكانيكيين مُركَّبين على التوالي، مع وجود سائل عازل بينهما. يوفر هذا التكوين مستوى إضافيًا من الحماية ضد التسرب، ويُستخدم عادةً في التطبيقات عالية الحرارة حيث يكون سائل المعالجة خطرًا أو حساسًا للبيئة.

يعمل السائل العازل على تشحيم وتبريد أسطح الختم، بينما يعمل أيضًا كحاجز بين سائل العملية والجو. أختام الترادف وهي فعالة بشكل خاص في منع تبخر السوائل والتشغيل الجاف، حيث يحافظ السائل العازل على الحالة السائلة حتى في درجات الحرارة المرتفعة.

دليل اختيار المواد للأختام الميكانيكية عالية الحرارة

مواد الوجه:

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

اللدائن:

• 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): يتميز بثبات حراري ممتاز، واحتكاك منخفض، وخمول كيميائي. مناسب لدرجات حرارة تصل إلى ٢٦٠ درجة مئوية (٥٠٠ درجة فهرنهايت).

علم المعادن:

• الفولاذ المقاوم للصدأ (على سبيل المثال، 316L، 17-4PH): القوة، والمتانة، ومقاومة الأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة.
• سبائك هاستيلوي وإنكونيل: مقاومة فائقة للتآكل وأداء عالي في درجات الحرارة العالية. مثالية للبيئات الكيميائية القاسية ودرجات الحرارة التي تتجاوز ٥٣٨ درجة مئوية (١٠٠٠ درجة فهرنهايت).

الأختام الثانوية:

• جرافيت مرن: يتميز بعزل ممتاز، وموصلية حرارية، ومقاومة كيميائية. مناسب لدرجات حرارة تصل إلى ١٢٠٠ درجة فهرنهايت (٦٤٩ 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

يُدخل نظام سائل الحاجز سائلًا متوافقًا بين أسطح الختم، مما يُنشئ حاجزًا ماديًا بين سائل العملية والجو. يُحافظ على ضغط هذا السائل الحاجز أعلى من ضغط سائل العملية، مما يمنع وصوله إلى أسطح الختم.

في المقابل، يستخدم نظام السائل العازل سائلًا متوافقًا مع كلٍّ من سائل العملية ومواد الختم، ولكن بضغط أقل من سائل العملية. يساعد السائل العازل على تبريد وتزييت أسطح الختم، مما يقلل من توليد الحرارة ويطيل عمر الخدمة. حياة الفقمة.

خطط الأنابيب

مخططات الأنابيب هي ترتيبات موحدة للمعدات المساعدة والأنابيب التي تدعم الأختام الميكانيكية في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك الخدمة في درجات الحرارة العالية. تُحدد هذه المخططات بأرقام وفقًا لمعيار معهد البترول الأمريكي (API) رقم 682. تتضمن بعض مخططات الأنابيب الشائعة للأختام الميكانيكية في درجات الحرارة العالية ما يلي:

• الخطة 23: تستخدم هذه الخطة مبادلًا حراريًا لتبريد السائل الحاجز، والذي يتم تداوله بواسطة مضخة خاتم أو مضخة خارجية. يساعد سائل الحاجز المُبرَّد على الحفاظ على درجات حرارة ثابتة عند أسطح الختم.
• الخطة 52: في هذا الترتيب، يوفر خزان خارجي سائلًا عازلًا لـ حجرة الختم من خلال جلبة الخانق. يساعد سائل التخزين المؤقت على 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 حجرة 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 خنق ذات خلوص ضيق للتحكم في تدفق سائل الحاجز والحفاظ على فرق الضغط.