متریال شفت سیل

1- مقدمه

تنها تعداد کمی از جنس‌ها برای سطوح شفت سیل مناسب هستند. برای اینکه نشتی تا حد امکان کاهش یابد، فاصله‌ی بین سطوح شفت سیل باید بسیار نزدیک باشد. در نتیجه، لایه‌ی روان‌کار نیز بسیار نازک خواهد بود. بنابراین، جنس سطح شفت سیل باید توانایی تحمل سایش ناشی از تماس و اصطکاک در شرایط بار و سرعت بالا را داشته باشد. در این مقاله، جنس‌های پرکاربرد برای بخش‌های مختلف شفت سیل مکانیکی پمپ‌های گراندفوس معرفی می‌شوند.

2- جنس‌های سطح شفت سیل گراندفوس (Seal Face Materials)

انتخاب جنس سطح شفت سیل نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد و طول عمر شفت سیل مکانیکی شفت دارد.
در ادامه، جنس‌های پرکاربرد برای سطوح شفت سیل معرفی خواهند شد.

1-2 گرافیت کربن

گرافیت کربن یکی از پرکاربردترین جنس‌های سطح شفت سیل گراندفوس است که دلیل اصلی آن ویژگی‌های ضد اصطکاکی این ماده می‌باشد. این جنس به‌عنوان سطح مقابل (Counter Face) برای بسیاری از جنس‌های دیگر مناسب است. گرافیت کربن ترکیبی از کربن سخت و گرافیت است.

2-1-1 گرافیت کربن غنی شده (Impregnated Carbon Graphite)

هر تولیدکننده‌ی گرافیت کربن، گریدهای مخصوص به خود را عرضه می‌کند که این تفاوت‌ها ناشی از منبع کربن سخت، میزان گرافیت، اندازه‌ی دانه‌ها، روش‌های مخلوط‌سازی و حرارت دادن هستند. پس از فشرده سازی و حرارت دادن، گرافیت کربن معمولاً دارای ۵ تا ۲۰ درصد تخلخل است. برای به‌دست آوردن محصولی غیرقابل‌نشت – (Leak-proof)، لازم است که این جنس با استفاده از فلزات یا رزین‌ها به‌عنوان مواد آغشته‌ساز غنی شود.

فلزاتی که برای غنی سازی فلزی (Metal-impregnation) استفاده می‌شوند، فلزات با نقطه ذوب پایین هستند؛ مانند آنتیموان  (Sb)، قلع  (Sn)، سرب (Pb) یا آلیاژهای حاصل از این فلزات. (مطابق شکل 2-2). آغشته‌سازی با رزین (Resin-impregnation) معمولاً با استفاده از رزین فنولیک انجام می‌شود. (مطابق شکل 2-1).

ویژگی‌های گرافیت کربن غنی شده:

در شرایط خلأ  (Vacuum)، اصطکاک گرافیت بالا است، در حالی که در شرایط فشار جو معمولی، اصطکاک آن پایین می‌باشد. در کاربردهای آب داغ (یش از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد)، گرافیت کربن آغشته‌شده با فلز دارای اصطکاک کمتر و مقاومت سایش بالاتری نسبت به انواع مشابه گرافیت کربن آغشته‌شده با رزین است. عیب آغشته‌سازی فلزی، محدودیت مقاومت در برابر خوردگی است. علاوه بر این، با گرافیت کربن آغشته‌شده با فلز، تاییدیه آب آشامیدنی قابل دریافت نیست. در آب تمیز و سرد، شفت سیل مکانیکی با سطح گرافیت کربن می‌تواند چندین سال عمر مفید داشته باشد. اما اگر شفت سیل در آب داغ یا آب حاوی ذرات جامد استفاده شود، لازم است شفت سیل در فواصل زمانی منظم تعویض گردد.

2-2 آلومینیوم اکسید

اکسید آلومینیوم یک ماده‌ی سرامیکی است که با نام آلومینا (Alumina) نیز شناخته می‌شود.
آلومینا به دلیل مقاومت سایش خوب و قیمت مناسب، به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان جنس سطح شفت سیل استفاده می‌شود. هر تأمین‌کننده، گریدهای خاص خود از آلومینا را با ترکیبات متفاوت فاز شیشه‌ای و اندازه‌های مختلف دانه ارائه می‌دهد. (مطابق شکل‌های 2-3 و 2-4) مطابق با استاندارد EN 12756.

3-2 تنگستن کاربید (WC)

تنگستن کاربید (WC) نام نوعی فلز سخت است که بر پایه‌ی فاز سخت تنگستن کاربید و معمولاً یک فاز فلزی نرم‌تر به‌عنوان چسباننده ساخته می‌شود. اصطلاح فنی صحیح آن Cemented Tungsten Carbide است؛ با این حال، برای سهولت، اغلب از عبارت کوتاه Tungsten Carbide استفاده می‌شود.(مطابق شکل 2-5) براساس استانداردEN 12756.

4-2 سیلیکون کاربید (SiC)

سرامیک‌های SiC می‌توانند به روش‌های مختلف تولید شوند که هر کدام ویژگی‌های متفاوتی ارائه می‌دهند.
مطابق با استاندارد EN 12756 ، کد متریال این گروه با حرف Q مشخص می‌شود. (مطابق تصویر 2-6 و 2-7) انواع اصلی SiC به شرح زیر هستند:

• سینتر مستقیم (Direct-Sintered): این نوع  SiC، متداول‌ترین نوع برای سطوح آب‌بند است.
• پیوند واکنشی (Reaction-Bounded): این نوع SiC به دلیل وجود سیلیکون آزاد، مقاومت محدودی در برابر خوردگی در آب قلیایی دارد.
• سینتر فاز مایع (Liquid-phase sintered): این نوع SiC به دلیل وجود فاز شیشه‌ای، مقاومت محدودی در برابر خوردگی در آب قلیایی دارد.
• گرافیت کربن تغییر یافته: این نوع SiC از کربن گرافیت ساخته می‌شود و می‌توان آن را به صورت لایه‌ی نازک SiC روی سطح کربن گرافیت ایجاد کرد.

3- سیل مکانیکی ثانویه

همان‌طور که گفته شد، انتخاب متریال مناسب برای سطوح شفت سیل برای دستیابی به بیشترین عمر شفت سیل بسیار مهم است. به همین ترتیب، متریال سیل مکانیکی ثانویه مانند اورینگ‌ها و پوشش لاستیکی زیر فنر که از الاستومر ساخته می‌شوند، برای عملکرد صحیح و عمر کلی شفت سیل مکانیکی ضروری هستند.

الاستومرها به پلیمرهایی با خاصیت کشسانی بالا گفته می‌شود. این مواد با نام عمومی لاستیک نیز شناخته می‌شوند. الاستومرها به دلیل خواص الاستیکی خود، انتخاب خوبی برای سیل‌های مکانیکی‌ ثانویه هستند. این مواد در بازه‌ی دمای کاریِ سیل مکانیکی انتخاب‌شده، انعطاف‌پذیری خود را حفظ می‌کنند. انتخاب نوع الاستومر عمدتاً بر اساس ترکیب شیمیایی سیال پمپ‌شونده و دمای آن انجام می‌شود. علاوه بر این، باید تأییدیه‌های کاربردی/استانداردی محصول نیز در نظر گرفته شوند.

1-3 NBR

الاستومر اکریلونیتریل-بوتادین (NBR) در گروه کوپلیمرهای غیراشباع قرار می‌گیرد. با افزایش مقدار اکریلونیتریل در ترکیب، مقاومت در برابر روغن افزایش می‌یابد، اما انعطاف‌پذیری کاهش پیدا می‌کند. در مقایسه با الاستومر طبیعی، NBR در برابر روغن‌ها و اسیدها مقاوم‌تر است.

2-3 HNBR

الاستومر هیدروژنه اکریلونیتریل-بوتادین (HNBR) همان مقاومت مناسب NBR در برابر روغن را دارد و علاوه بر آن، در برابر ازن، قلیاها و آمین‌ها نیز مقاومت خوبی نشان می‌دهد. HNBR همچنین در مقایسه با NBR، حد دمایی بالاتری در آب دارد.

3-3 MVQ

الاستومر سیلیکونی مجموعه‌ی بزرگی از مواد را شامل می‌شود که در آن‌ها متیل‌وینیل‌سیلیکون ماده‌ی اصلی است. الاستومرهای سیلیکونی به‌طور کلی استحکام کششی نسبتاً پایین و مقاومت ضعیف در برابر سایش و پارگی دارند. با این حال، این مواد دارای خواص ویژه‌ی متعددی هستند.

سیلیکون به‌طور کلی مقاومت حرارتی خوبی تا 230 ℃ دارد، همچنین انعطاف‌پذیری خوبی در دمای پایین تا 60- ℃ و مقاومت مناسبی در برابر شرایط جوی از خود نشان می‌دهد.

4-3 EPDM

اتیلن-پروپیلن-دی‌ان مونومر (EPDM) را می‌توان با تغییر مقدار دی‌سیکلوپنتادین، اتیلیدن و وینیل نوربورنن به‌گونه‌ای فرمول‌بندی کرد که خواص ویژه‌ی متعددی به‌دست آید. از این دسته الاستومر در سری‌های متعددی از پمپ‌های گراندفوس استفاده شده است. در مقایسه با NBR، این ماده مقاومت بسیار ضعیفی در برابر روغن معدنی دارد، اما در برابر آب داغ مقاومت بسیار خوبی نشان می‌دهد. EPDM در برابر مایعات قطبی مقاومت خوبی دارد، اما در برابر مایعات غیرقطبی مقاومت ضعیفی از خود نشان می‌دهد.

5-3 FKM

فلوروکربن مونومر (FKM) به خانواده‌ای از الاستومر‌ها تعلق دارد که برای دماهای بسیار بالا و در سیالات مختلف طراحی شده‌اند؛ این ویژگی به دلیل درجه‌ی فلورینه‌شدن آن‌هاست. این ماده در برابر آب داغ مقاومت ضعیفی دارد، اما در برابر روغن‌ها و مواد شیمیایی مقاومت بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. FKM در برابر مایعات قطبی مقاومت ضعیفی دارد و در برابر مایعات غیرقطبی مقاوم است. به دلیل مقاومت بالا و تاب‌آوری خوب این ماده، در هر سری پمپ گراندفوس از این ماده استفاده شده است.

6-3 FXM

کوپلیمر فلورینه‌شده (FXM) دارای مقاومت شیمیایی خوب است و در کاربردهای مربوط به آب داغ، بازه‌ی دمایی وسیعی را تحمل می‌کند.

7-3 FFKM

پرفلوروالاستومر (FFKM) از نظر مقاومت شیمیایی، بهترین ماده در میان تمام مواد الاستومری شناخته‌شده است. مقاومت شیمیایی FFKM مشابه پلی‌تترافلوئورواتیلن (PTFE) است و خواص الاستیکی آن به لاستیک شباهت دارد. این ماده بسیاری از مسائل دشوار آب‌بندی را برطرف می‌کند. FFKM بسیار گران‌قیمت است و فقط در هندسه‌های نسبتاً ساده قابل ساخت می‌باشد.

8-3 جمع‌بندی متریال سیل ثانویه

در کاربردهای آب‌بند مکانیکی، انتخاب جنس الاستومر باید بر اساس نوع سیال، دمای کاری، و سازگاری شیمیایی انجام شود:

• MVQ: مناسب برای دماهای بالا و پایین، ولی با مقاومت مکانیکی ضعیف‌تر در برابر سایش و پارگی.

• EPDM: بسیار مناسب برای آب داغ و سیالات قطبی، اما نامناسب برای روغن‌های معدنی.
• FKM: گزینه‌ای عالی برای روغن‌ها و مواد شیمیایی، ولی ضعیف در برابر آب داغ.
• FXM: دارای مقاومت شیمیایی خوب و مناسب برای بازه‌ی دمایی وسیع در سرویس آب داغ.
• FFKM: بهترین انتخاب از نظر مقاومت شیمیایی، اما با هزینه‌ی بالا و محدودیت در شکل ساخت.

جمع بندی

پایداری و راندمان عملیاتی پمپ‌های گراندفوس (Grundfos) بیش از هر چیز به انتخاب هوشمندانه‌ی اجزای میکروسکوپی اما حیاتی، نظیر سیل‌های مکانیکی و متریال الاستومری (مانند EPDM، FKM  وFFKM ) بستگی دارد. درک صحیح از رفتارهای متالورژیکی در برابر انواع خوردگی و تطبیق دقیق ویژگی‌های شیمیایی شفت سیل‌ها با شرایط محیطی، تنها راه پیشگیری از مشکلات ناخواسته‌ی خط تولید است. مجموعه آبتین تهویه آسیا با تکیه بر دانش فنی روز و تخصص در تأمین تجهیزات اصلی، با ارائه‌ی مشاوره‌های مهندسی در انتخاب متریال و تأمین پمپ‌های گراندفوس، بالاترین سطح از قابلیت اطمینان و طول عمر سیستم‌های انتقال سیال را برای پروژه‌های صنعتی و ساختمانی شما تضمین کند.