مکانیکال سیل چیست؟

برای خرید مکانیکال سیل مناسب و اطمینان از عملکرد صحیح پمپ‌های آب، شرکت‌هایی مانند نوین پمپ گزینه‌های مختلفی را برای انتخاب فراهم کرده‌اند تا نیازهای مختلف صنایع را پوشش دهند.

عملکرد مکانیکال سیل

مکانیکال سیل در سیستم‌هایی استفاده می‌شود که نیاز به محدود کردن سیال درون یک محفظه دارند، که معمولاً این محفظه مربوط به پمپ‌ها و میکسرها است. به‌عنوان مثال، در سیستم آب‌بندی پمپ‌های گریز از مرکز، چالش اصلی در ناحیه اتصال شفت دوار به بخش تر پمپ است، به‌طوری‌که باید از خروج حجم زیادی از آب پرفشار از محفظه جلوگیری شود.

برای حل این مشکل، یک سیستم آب‌بندی بین شفت و بدنه پمپ لازم است که در برابر فشار سیال مقاومت کند و همچنین اصطکاک ناشی از دوران شفت را تحمل نماید.

پیش از آنکه مکانیسم عملکرد مکانیکال سیل به‌طور دقیق توضیح داده شود، بهتر است سایر روش‌های آب‌بندی را نیز بررسی کنیم. یکی از روش‌های رایج در این زمینه، پکینگ گلند است. در این روش، از یک ماده بافته‌شده و طناب‌مانند استفاده می‌شود که برای پر کردن فضای خالی بین شفت و بدنه به کار می‌رود.

انواع سیل مکانیکی

سیل‌های مکانیکی به دسته‌بندی‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که به‌طور کلی می‌توان آنها را به انواع زیر تقسیم کرد:

مکانیکال سیل فشاری

سیل مکانیکی فشاری از یک یا چند فنر و یک سیل ثانویه تشکیل شده است. سیل ثانویه به‌صورت محوری و در امتداد شفت یا بوش شفت حرکت می‌کند تا فشار روی سطوح آب‌بندی را حفظ کند. این نوع سیل توانایی جبران سایش و ناترازی شفت را دارد. از مزایای این نوع می‌توان به ارزان بودن آن اشاره کرد، اما عیب اصلی آن وجود سیل ثانویه است که در صورت وجود سیال ساینده در پمپ، ممکن است دچار سایش و خرابی شود.

مکانیکال سیل غیر فشاری

سیل مکانیکی غیر فشاری از یک واشر الاستومری یا دم فلزی برای ایجاد نیروی بسته شدن روی شفت استفاده می‌کند. این نوع سیل به دلیل نداشتن سیل ثانویه، در برابر سایش و خرابی مقاوم‌تر است و برای سیالات ساینده بسیار مناسب می‌باشد. همچنین در کاربردهایی که آلایندگی زیاد یا دماهای بالا وجود دارد، این نوع سیل بیشتر استفاده می‌شود. عیب این نوع سیل در این است که برای سیالات خورنده نیاز به استفاده از سیل‌های بزرگتر وجود دارد.

مکانیکال سیل متعادل و نامتعادل

در سیل مکانیکی متعادل، نیروهای اعمالی بر سطوح به‌صورت یکنواخت توزیع می‌شود. این طراحی موجب روغن‌کاری یکنواخت سطوح و در نتیجه افزایش طول عمر سیل می‌شود. سیل‌های متعادل برای کاربردهایی با فشار بالاتر از 250 Psig مناسب هستند. از سوی دیگر، سیل مکانیکی نامتعادل برای فشارهای پایین‌تر مناسب است و معمولاً هزینه کمتری دارد.

مکانیکال سیل کارتریجی

سیل مکانیکی کارتریجی به‌صورت پیش‌نصب طراحی و ساخته می‌شود و تمامی قطعات و متعلقات آن بر روی یک بوش قرار دارند. نصب این نوع سیل به‌راحتی انجام می‌شود، زیرا کل مجموعه به‌سادگی بر روی شفت نصب می‌شود. این نوع سیل مشکل نصب ناصحیح و خرابی ناشی از آن را ندارد و در مقایسه با انواع دیگر، قیمت بالاتری دارد، اما هزینه تعمیر و نگهداری کمتری خواهد داشت.

اجزاء مکانیکال سیل طبق استاندارد بین‌المللی 

تمامی مدل های آب بند مکانیکی فارغ از نوع و برند سازنده دارای اجزا و قطعات خاصی هستند ولی بعضی از قطعات به صورت مشترک در تمامی آب بند ها وجود دارد. به صورت کلی در ساختار آب بند مکانیکی یا سیل مکانیکی از سه جز در بخش ها و نوع های گوناگون استفاده شده است که عبارتند از :

کفه ثابت (Seat)

این قسمت به صورت ثابت بر روی محفظه یا پوسته پمپ می‌نشیند و با اورینگ به قسمت داخلی کاسه پمپ محکم چفت می‌شود. جنس این قطعه به طور معمول از استیل و یا ذغال کربن و یا مواد مقاوم به خوردگی مانند سیلیکون می باشد. البته بنا به نوع مصرف استیل آن قابل تغییر است.

کفه متحرک (Face seal)

بر روی شفت سوار می‌شود و همراه با شفت دوار در حال چرخش می‌باشد. جنس این قطعه را با توجه به نوع مصرف می توان از کربن و یا در مواردی از سیلیکون کاربید که بیشترین نوع مصرف را نیز دارد. یا مواد با جنس محکم تر به نام تنگستن استفاده نمود.

فنر مخروطی

وظیفه تامین نیروی چسبندگی برای متصل کردن دو کفه ثابت و متحرک را دارد. این فنر باعث می‌شود که کفه متحرک به طور کامل به قسمت ثابت چسبیده و مانع عبور هرگونه موادی می‌شود. البته این فنر در مدل ها مختلف با اشکال مختلفی و متریال گوناگون ساخته می‌شود.

چرا از سیل‌های مکانیکی استفاده می‌کنیم؟

سیل‌های مکانیکی برای جلوگیری از نشت سیالات و حفاظت از تجهیزات در برابر آسیب‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سیل‌ها به دلیل ویژگی‌های خاص خود، مزایای زیادی دارند:

• عدم نشت قابل مشاهده: سیل‌های مکانیکی به‌طور معمول سیال را به صورت بخار از روی سطوح نشت می‌دهند و نشت آن‌ها به‌طور مستقیم قابل مشاهده نیست.
• حفاظت از شفت پمپ: طراحی‌های مدرن مانند سیل‌های کارتریجی به گونه‌ای هستند که به شفت پمپ یا بوش آسیب نمی‌زنند.
• کاهش نیاز به نگهداری روزانه: سیل‌های مکانیکی دارای فنرهای داخلی هستند که به‌طور خودکار تنظیم می‌شوند، بنابراین نیاز به نگهداری مداوم کمتری دارند.
• صرفه‌جویی در انرژی: این سیل‌ها به دلیل داشتن سطوح سبکی که نسبت به گلند پکینگ‌ها نیروی کمتری مصرف می‌کنند، کارایی بهتری دارند.
• کاهش آلودگی بلبرینگ‌ها: به دلیل اینکه روان‌کننده تحت تأثیر نشت سیل قرار نمی‌گیرد و از شستشوی آن جلوگیری می‌شود، آلودگی بلبرینگ‌ها کاهش می‌یابد.
• کاهش خوردگی تجهیزات: در صورتی که محصول در پمپ موجود باشد، سیل‌های مکانیکی کمک می‌کنند تا تجهیزات کارخانه کمتر دچار خوردگی شوند.
• آب‌بندی خلا: این نوع سیل‌ها توانایی آب‌بندی خلا را نیز دارند، بر خلاف پکینگ‌ها که ممکن است هوا را به پمپ جذب کنند.
• صرفه‌جویی در هزینه‌ها: به دلیل کاهش هدررفت محصول و بهینه‌سازی مصرف سیالات، هزینه‌ها کاهش یافته و حتی در مواردی که آب گران است، هزینه‌ها صرفه‌جویی می‌شود. همچنین نیاز به تمیز کردن سطوح به حداقل می‌رسد.

اهداف طراحی مکانیکال سیل:

هدف اصلی در طراحی سیل مکانیکی، حفظ تمیزی و خنکی محل تماس المان‌ها است تا عملکرد صحیح آب‌بندی انجام شود و طول عمر آن افزایش یابد. این کار می‌تواند به‌واسطه تنظیم نیرومندی بین المان‌های آب‌بندی و تنظیم ضخامت لایه سیال بین آن‌ها برای جلوگیری از افزایش دمای محل تماس انجام شود. یکی دیگر از روش‌ها برای تنظیم ضخامت لایه سیال، تغییر طراحی و نوع المان‌های در تماس است تا نیروی عمودی بین آن‌ها بهبود یابد.

انتخاب مواد و تأثیر آن بر طول عمر سیستم

انتخاب جنس المان‌های اصلی آب‌بند مکانیکی تأثیر زیادی بر طول عمر سیستم دارد. تطابق شیمیایی مواد یکی از معیارهای مهم انتخاب است. مواد سفت‌تر در برابر سیالات خورنده مقاوم‌تر هستند، اما اگر هر دو المان از جنس مواد سفت انتخاب شوند، سایش بین آن‌ها افزایش می‌یابد و برای سیالات بدون خاصیت خورندگی مناسب نخواهند بود. استفاده از المان‌های نرم‌تر یا مواد مناسب برای روان‌کاری مانند گرافیت می‌تواند اصطکاک را کاهش دهد.

همچنین استفاده از مواد کامپوزیتی سفت باعث کاهش اصطکاک از طریق فراهم آوردن سوراخ‌های میکروسکوپی در سطح تماس می‌شود.

رسانایی گرمایی مواد نیز یکی از ویژگی‌هایی است که در انتخاب مواد باید مد نظر قرار گیرد، زیرا این ویژگی به انتقال گرما به دور از سطح تماس کمک می‌کند.

در نهایت، سختی سطح المان‌ها و بافت درونی مواد نیز در طول عمر آب‌بندی نقش اساسی دارند. توجه به این نکات می‌تواند از خرابی‌های ناشی از شرایط نامناسب شیمیایی، فشار و دما جلوگیری کند و از خوردگی قطعات فلزی در تماس با سیال جلوگیری کند.

نحوه انتخاب مکانیکال سیل (آب‌بند):

انتخاب مکانیکال سیل مناسب به عوامل مختلفی بستگی دارد که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌کنیم:

• قطر شفت و اندازه‌های مونتاژی: اندازه قطر شفت و طول مکانیکال سیل باید به‌طور دقیق مشخص شود تا سیل به‌درستی در پمپ نصب شود.
• تعداد دور بر دقیقه (RPM) پمپ: سرعت چرخش پمپ (RPM) در انتخاب جنس و طراحی سیل تأثیر زیادی دارد، زیرا باید با شرایط کاری پمپ هماهنگ باشد.
• دمای کاری پمپ: مکانیکال سیل باید بتواند دمای کاری پمپ را تحمل کند. به‌عنوان مثال، برای سیالاتی که دمای آن‌ها تا ۸۰ درجه سانتیگراد است، جنس الاستومرهای NBR مناسب است. برای دمای بین ۸۰ تا ۱۸۰ درجه، الاستومرهای وایتون بهترین گزینه هستند و برای دماهای بالاتر از ۱۸۰ درجه سانتیگراد، از تفلون و الاستومرهای خاص استفاده می‌شود.
• فشار کاری و حداکثر فشار: فشار سیستم پمپاژ نیز یکی از فاکتورهای مهم در انتخاب سیل است. باید توجه داشت که فشار کاری و حداکثر فشار سیستم باید با ظرفیت سیل انتخابی همخوانی داشته باشد.
• نوع سیال: نوع سیال تأثیر زیادی بر انتخاب مواد و سطح سیل دارد. برای سیالاتی که دارای ذرات ریز هستند، سیلیکون کارباید مناسب‌ترین گزینه است. برای سیالات بدون ذرات ریز و در دور نرمال، کربن گزینه مناسبی است. برای سیالات حساس با ضریب حساسیت بالا و نیاز به جلوگیری از نشتی، تنگستن کارباید انتخاب بهتری است.
• مشکلات گرمایی در پمپ‌ها: در پمپ‌هایی که ممکن است مشکل گرم شدن سیل داشته باشند، سرامیک یکی از مواد مناسب برای استفاده است، البته به این شرط که سیل به‌هیچ‌عنوان در شرایط خشک کار نکند، زیرا در این صورت احتمال ترک‌خوردگی و خرابی آن بسیار زیاد است.

سخن پایانی

در پایان، انتخاب و استفاده از مکانیکال سیل مناسب برای هر پمپ و سیستم پمپاژ از اهمیت بالایی برخوردار است. این قطعه کوچک و حیاتی نقش بسیار مهمی در حفظ عملکرد بهینه و جلوگیری از نشت سیالات ایفا می‌کند. با در نظر گرفتن فاکتورهایی همچون دما، فشار، نوع سیال، جنس مواد و شرایط کاری پمپ، می‌توان عمر مفید تجهیزات را افزایش داد و از هزینه‌های اضافی تعمیر و نگهداری جلوگیری کرد.

توجه به جزئیات در انتخاب سیل مکانیکی نه تنها موجب افزایش کارایی سیستم، بلکه از بروز مشکلاتی همچون سایش، خوردگی و خرابی قطعات نیز جلوگیری می‌کند. بنابراین، انتخاب درست مکانیکال سیل و توجه به نگهداری صحیح آن، در تضمین عملکرد پایدار و موثر سیستم‌های پمپاژ بسیار تاثیرگذار است.