تعتمد الأختام الميكانيكية على سوائل مخصصة (غالبًا زيوت أو سوائل تعتمد على الزيت) لتزييت وتبريد وجوه الفقمة، مما يمنع الاحتكاك المفرط والتآكل. تؤدي هذه السوائل أدوارًا مختلفة في أنظمة دعم الختممن السوائل الحاجزة والعازلة المستخدمة في ترتيبات الختم المزدوج إلى زيوت التشحيم/التوزيع العامة في خطط التنظيف أو الدعم المختلفة.
أنواع سوائل الختم الميكانيكية
ختم آلي يمكن تصنيف السوائل الداعمة حسب وظيفتها في نظام الختم:
سوائل الحاجز (زيوت الختم)
في نظام الختم المزدوج المضغوط (يُسمى عادةً الختم المزدوج)، يُحفظ سائل خارجي تحت ضغط أعلى من ضغط سائل العملية. يعزل هذا السائل الحاجز سائل العملية المضخوخ تمامًا عن البيئة المحيطة، ويُزيت أسطح الختم الداخلية والخارجية، ويُبعد الحرارة. تُستخدم السوائل الحاجزة في أنظمة API Plan 53/54 (مثل Plan 53A المزودة بخزان مضغوط، وPlan 54 المزودة بنظام تدوير خارجي).
سائل الحاجز هو عادةً زيت نظيف ومستقر (أو خليط قائم على الزيت) مُختار لتحمل ظروف التشغيل. يجب أن يكون متوافقًا مع العملية و مواد الختميوفر تزييتًا وتبريدًا جيدين، ولا يُشكل أي مخاطر على السلامة أو البيئة. ولأنه مُضغوط فوق ضغط العملية، فلا يتسرب سائل العملية عبر الختم الداخلي؛ وأي تسرب يكون عادةً خارج الختم الخارجي.
السوائل العازلة
في نظام ثنائي الختم غير مضغوط (مزدوج الختم)، يُحافظ على السائل الخارجي عند ضغط العملية أو أقل منه. يوفر هذا السائل العازل التزييت والتبريد بين الختمين، ولكنه غير مصمم لاحتواء سائل العملية بالكامل. أنظمة السوائل العازلة (مثل: خطة API 52 مع خزان غير مضغوط، يسمح بتسرب كمية صغيرة من العملية إلى سائل التخزين المؤقت، أو العكس. لذلك، يجب أن يكون سائل التخزين المؤقت متوافقًا مع سائل العملية لتجنب حدوث اختلاط.
كما هو الحال مع سوائل الحاجز، يجب أن تكون سوائل العازلة آمنة ومستقرة، وأن تكون وسيطًا جيدًا لنقل الحرارة والتشحيم. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض ضغط سوائل العازلة، فإنها لا تعزل العملية؛ بل تعمل بشكل أساسي على تقليل التسرب إلى الغلاف الجوي وتزييت أسطح الختم. غالبًا ما تتطلب سوائل العازلة صيانة دورية نظرًا لاحتمالية تلوثها بالعملية.
زيوت التشحيم
لا تستخدم جميع الأختام الميكانيكية خزانًا خارجيًا مخصصًا؛ إذ يتم تشحيم العديد من الأختام المفردة بسائل المعالجة أو بسائل التنظيف. في الحالات التي يكون فيها سائل المعالجة سائل تشحيم رديء الجودة أو يحتوي على مواد كاشطة، يمكن إضافة زيت تشحيم خارجي أو سائل تنظيف (مثل: خطة API 32 يحقن سائلًا نظيفًا، والذي يمكن أن يكون زيتًا، في حجرة الختم).
تُستخدم زيوت التشحيم هذه في تنظيف وتزييت أسطح الأختام الفردية أو يطفئ الجانب الجوي للختم (المخطط 62)، مما يُحسّن الموثوقية. تُزوَّد عادةً من نظام منفصل، وقد تُعاد تدويرها أو لا.
أنواع الزيوت المستخدمة في الأختام الميكانيكية
هناك مجموعة واسعة من أنواع الزيوت المستخدمة في أنظمة مانعات التسرب، من الزيوت المعدنية التقليدية إلى الزيوت الصناعية المتطورة. يتميز كل نوع بخصائص أداء مختلفة:
الزيوت المعدنية
هذه زيوت مشتقة من البترول، تُستخدم تقليديًا في العديد من أنظمة منع التسرب. الزيوت المعدنية متوفرة بسهولة وفعّالة من حيث التكلفة، وتوفر تزييتًا جيدًا في الظروف المعتدلة. ومع ذلك، فإن قدرتها على تحمل درجات الحرارة محدودة - ففي درجات الحرارة المرتفعة، تتأكسد وتتحلل، مما قد يترك رواسب ويفقدها قدرتها على التزييت.
مؤشر اللزوجة معتدل (أي أن اللزوجة تتغير بشكل ملحوظ مع درجة الحرارة). تُعد الزيوت المعدنية مناسبة للأغراض العامة. تشحيم الختم عندما لا تكون درجات حرارة التشغيل شديدة وتكون فترات الصيانة قصيرة نسبيًا.
زيوت اصطناعية
فئة واسعة تشمل الزيوت المُصنّعة من مواد كيميائية أساسية بدلاً من تكريرها مباشرةً من النفط الخام. تُصمّم الزيوت الصناعية لتوفير خصائص فائقة، مثل نطاق درجات حرارة أوسع، وثبات أكسدة أعلى، وقدرة تزييت مُحسّنة مقارنةً بالزيوت المعدنية. تشمل الأنواع الفرعية العديدة ذات الصلة بالأختام الميكانيكية ما يلي:
- زيوت PAO (بولي ألفا أوليفين): مركبات ثنائي أوكسيد البوليفينول (PAOs) هي هيدروكربونات اصطناعية تحاكي بنية الزيوت المعدنية عالية التكرير، ولكن بجزيئات متجانسة وخالية من المركبات غير المرغوب فيها. تتميز هذه المركبات بثبات حراري ممتاز، وتقلب منخفض، ومؤشر لزوجة مرتفع، وتوافق جيد مع المواد.
- زيوت PAG (بولي ألكيلين جليكول): بوليمرات البولي أكريلونيتريل بوتادين جلايكول (PAGs) هي بوليمرات من أكسيد الإيثيلين أو البروبيلين (أو كليهما). تتميز بمؤشرات لزوجة عالية جدًا، مما يعني أنها تحافظ على لزوجتها مع تغيرات درجة الحرارة بكفاءة عالية، ويمكن صياغتها لتكون قابلة للذوبان في الماء أو غير قابلة للذوبان.
- زيوت السيليكون: السوائل القائمة على السيليكون (عادةً بولي دايميثيل سيلوكسان أو ما شابه) خاملة للغاية ومستقرة في نطاقات درجات حرارة واسعة جدًا. تبقى سائلة في درجات حرارة منخفضة للغاية، وتتحمل درجات حرارة عالية (بعضها يصل إلى حوالي ٢٥٠-٣٠٠ درجة مئوية) دون أن تتأكسد كما تتأكسد الهيدروكربونات.
- المواد التركيبية القائمة على الإستر: تشمل هذه الفئة ثنائيات الإستر وإسترات البوليول، وهي زيوت اصطناعية تُصنع بتفاعل الكحول مع الأحماض الكربوكسيلية. استُخدمت زيوت الإستر لعقود في التزييت عالي الحرارة (مثل زيوت محركات الطائرات وزيوت الضاغط) بفضل قوة غشاء التزييت الممتازة وثباتها الحراري. كما أنها تتحلل بيولوجيًا بسرعة أكبر من زيوت البولي أوليفينات متعددة الحلقات، مما يجعلها مناسبة للاستخدامات الحساسة بيئيًا.
- الزيوت المفلورة (PFPE): في ظل الظروف الكيميائية ودرجات الحرارة القصوى، تُستخدم زيوت البولي إيثر المفلور (PFPE) أو سوائل مفلورة مماثلة. هذه الزيوت مفلورة بالكامل، مما يجعلها خاملة كيميائيًا تجاه جميع المواد الكيميائية والبيئات المؤكسدة تقريبًا.
- سوائل متخصصة أخرى: في بعض الحالات، استُخدمت الهيدروكربونات الخفيفة، مثل الكيروسين والديزل، كزيوت مانعة للتسرب. تتميز هذه السوائل بلزوجة منخفضة (حوالي 2 سنتيستوك) وتشحيم جيد، مما يجعلها مناسبة لأسطح مانعات التسرب. ومع ذلك، فهي قابلة للاشتعال بشكل واضح ولها نقاط وميض منخفضة نسبيًا، لذا يقتصر استخدامها على الأنظمة التي تُستخدم فيها هذه السوائل بالفعل مع تطبيق إجراءات السلامة اللازمة.
| نوع الزيت / السائل | التكوين/القاعدة | الخصائص الرئيسية | الاستخدامات النموذجية / الملاحظات |
|---|---|---|---|
| زيوت معدنية | مشتق من البترول (مكرر للغاية) | قدرة تشحيم جيدة، مؤشر اللزوجة معتدل، اقتصادي. استقرار محدود في درجات الحرارة العالية (يتأكسد ويشكل الورنيش)؛ قد يحتوي على إضافات (تجنب إضافات EP). | زيت مانع تسرب متعدد الأغراض في ظروف معتدلة. يُستخدم عندما تكون درجات الحرارة معتدلة، ويُعتبر زيت التشحيم الاقتصادي مقبولاً. يتطلب تغييره بشكل متكرر في درجات الحرارة المرتفعة. |
| PAO الاصطناعية | بولي ألفا أوليفين (هيدروكربون صناعي) | استقرار حراري ممتاز ومقاومة للأكسدة؛ مؤشر لزوجة مرتفع (لزوجة مسطحة مقابل T)؛ منخفض جدًا نقطة الصب. لا يحتوي على مكونات قطبية - لا يحتاج إلى إضافات (غالبًا ما يستخدم نقيًا)؛ متوافق مع مواد الختم الشائعة. | سائل حاجز/عازل يُستخدم على نطاق واسع في الأنظمة الحديثة. متوفر بدرجات خفيفة (ISO VG 5–20)، مثالي للأختام. مُصمم أيضًا بإصدارات صالحة للطعام* (NSF H1). مناسب لصناعات النفط والغاز، والكيميائيات، والصناعات العامة - الخيار الأمثل للموثوقية وعمر الخدمة الطويل. |
| PAG الاصطناعية | بولي ألكيلين جليكول (بوليمر إيثيري) | مؤشر لزوجة مرتفع للغاية (ممتاز لنطاق واسع من درجات الحرارة)؛ قدرة تزييت ممتازة (احتكاك منخفض)؛ يمكن صياغته قابلاً للذوبان في الماء أو غير قابل للذوبان. مادة ماصة للرطوبة (تمتص الماء) في كثير من الحالات؛ غير متوافقة مع الزيوت المعدنية؛ يمكن أن تؤدي إلى تليين بعض الدهانات أو البوليمرات. | يُستخدم في التطبيقات المتخصصة التي تتطلب نطاقًا حراريًا شديدًا أو قوة غشاء عالية جدًا. بعض السوائل المقاومة للحرائق والصالحة للاستخدام الغذائي مصنوعة من البولي إيثيلين جلايكول (PAG). أقل شيوعًا مثل وعاء الفقمة السوائل بسبب مشاكل الخلط، ولكن يمكن أن تتفوق على غيرها في درجة حرارة عالية أو درجات حرارة منخفضة متطرفة إذا تم اختيارها بعناية. |
| زيت السيليكون | بولي دايميثيل السيلوكسان أو ما شابه | إمكانية قياس درجة الحرارة على نطاق واسع للغاية (مستقر من البرودة العميقة إلى حوالي 250 درجة مئوية)؛ خامل كيميائيًا لمعظم المواد؛ نقطة وميض عالية؛ تقلب منخفض. انخفاض قابلية التشحيم تحت الحمل؛ يمكن أن تشكل جزيئات السيليكا الصلبة التي تسبب تآكل الأختام؛ قابلية عالية لذوبان الغاز. | نادرًا ما يُستخدم لتزييت مانعات التسرب نظرًا لخطر التلوث والتآكل. يُمكن استخدامه في بعض وظائف نقل الحرارة عالية الحرارة أو حيث يكون الخمول الكيميائي حرجًا (مثل خدمة الأكسجين)، ولكن يُتجنب عادةً كزيت مانع تسرب مباشر إلا في حال عدم وجود بديل. |
| مادة اصطناعية قائمة على الإستر | ثنائيات الإستر أو إسترات البوليول (العضوية) | فيلم تشحيم قوي؛ استقرار حراري عالي (يقاوم الكوك)؛ قابلية التحلل البيولوجي أعلى من PAO؛ مذيب جيد للمواد المضافة إذا لزم الأمر. يمكن أن يتحلل بالماء (يشكل أحماضًا)؛ قد يسبب تورمًا لبعض الإيلاستومرات إذا لم يكن متوافقًا؛ نقاط صب عالية إلى حد ما لبعضها. | يُستخدم في بعض الآلات عالية الحرارة أو السرعة حيث تتعطل زيوت المعادن/أكسيد البوليفينول (PAOs) (مثل بعض أنظمة ختم الضاغط أو مضخة التفريغ). يُمزج أحيانًا مع أكسيد البوليفينول في السوائل التجارية لتحسين الخواص العامة. كما يُؤخذ في الاعتبار في المناطق الحساسة بيئيًا إذا صُمم ليكون قابلًا للتحلل الحيوي. |
| الزيت المفلور (PFPE) | بولي إيثر مفلور بالكامل (مفلور بالكامل) | خامل كيميائيًا تجاه جميع المواد تقريبًا؛ غير قابل للاشتعال؛ يتحمل درجات حرارة تشغيل واسعة للغاية (من -40 درجة مئوية إلى 250 درجة مئوية أو أكثر)؛ لا يتأكسد أو يتكون صمغ. كثافة عالية جدًا (~1.8 جم/مل)؛ غالي الثمن؛ قدرة تزييت أقل من زيوت الهيدروكربون (ولكنها كافية لمعظم الأختام)؛ غير قابلة للخلط مع زيوت أخرى. | الخيار الأمثل للمواد الكيميائية العدوانية والبيئات الغنية بالأكسجين. يُستخدم في أختام المعالجة الكيميائية، والمستحضرات الصيدلانية، والطيران، حيث يتفاعل أي زيت عضوي أو يُشكل خطر حريق. على سبيل المثال، سوائل MSHV من Halocarbon لمضخات المواد الكيميائية التفاعلية. نظرًا لارتفاع تكلفتها، تُستخدم فقط عند الحاجة الماسة. |
| الماء/الجليكول (50/50) | الماء + الإيثيلين أو البروبيلين جليكول | ليس زيتًا، بل سائل مانع تسرب شائع: قدرة تبريد ممتازة (الحرارة النوعية العالية للماء)؛ لزوجة منخفضة لسهولة الدوران؛ يمنع الجليكول التجمد والتآكل (مع مثبطات). غير سام (خاصةً مخاليط البروبيلين جليكول)؛ غير قابل للاشتعال. قد يُشكل الغليان/التبخر مشكلةً في درجات الحرارة العالية؛ قدرة تزييت ضعيفة مقارنةً بالزيوت (ولكنها كافية للعديد من الأختام المزدوجة). | شائع الاستخدام في الأختام المزدوجة (الخطتان ٥٢ و٥٣) للمضخات متوسطة الحرارة. يُفضل استخدامه في الأغذية/الأدوية عند وجود خطر تلوث الزيت (استخدم درجة البروبيلين جليكول). تجنب استخدام مانع التجمد في السيارات (مثبطات السيليكات تُسبب تآكل الأختام). تأكد من استخدام جليكول صناعي غير مُثبط أو مُثبط بشكل صحيح لحماية معادن الأختام. لا يُستخدم في درجات حرارة أعلى من ٨٠ درجة مئوية تقريبًا بسبب خطر التبخر. |
| الكيروسين/الديزل | كسور البترول الخفيفة | لزوجة منخفضة للغاية (~1–3 cSt) - تتدفق وتبرد بسهولة؛ تزييت طبيعي جيد على أسطح الكربون؛ متوفرة بسهولة. ملتهب (نقطة وميض منخفضة)؛ سمية متوسطة؛ يتبخر أو يتحول إلى دخان عند درجات حرارة أعلى (مما يخلق خطرًا). | استُخدم تاريخيًا كسائل حاجز سهل الاستخدام في مصافي التكرير أو المناطق النائية (إذا توفرت هذه الوقود). يُزيّت أسطح الختم بفعالية، ولكن نظرًا لخطر الحريق، فإنه يُستخدم عادةً غير مفضل إذا كانت هناك سوائل أخرى أكثر أمانًا متاحة. |
| الزيوت النباتية | الزيوت الطبيعية (مثل زيت الكانولا وزيت الصويا) | قابلة للتحلل الحيوي، قابلة للتجديد؛ قدرة تشحيم جيدة (خاصة بعض الدهون الثلاثية المعدلة)؛ خصائص EP خفيفة. عرضة للأكسدة في درجات الحرارة العالية (تتحول إلى صمغ)؛ نطاق درجة حرارة محدود (يمكن أن تتحول إلى عكر أو تتصلب عند البرودة ما لم يتم تجميدها في الشتاء)؛ يمكن أن تدعم نمو الميكروبات في وجود الماء. | يُستخدم أحيانًا في التطبيقات الحساسة بيئيًا (مثلًا، بالقرب من المجاري المائية) حيث يجب ألا يُسبب أي تسرب أي تلوث. عادةً ما يكون مناسبًا فقط للسدادات ذات درجات الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة. أداؤه أقل من الزيوت الاصطناعية؛ لذلك، غالبًا ما تُفضل الإسترات الاصطناعية المشتقة بيولوجيًا على الزيوت النباتية الخام في خدمة السدادات. |
