FFKM وKalrez®: اختيار الإيلاستومر في الختم الميكانيكي

FFKM هو مطاط الفلور الكامل، أي بيرفلورو إيلاستومر ذو سلسلة أساسية مفلورة بالكامل، ويُستخدم مادةً للملاذ الأخير في عناصر الختم الثانوي داخل الختم الميكانيكي. ويتمتع بأوسع مقاومة كيميائية وأعلى حد حراري بين الإيلاستومرات، ويُبقي الختم عاملاً في الوسائط العدوانية أو المختلطة التي ينتفخ فيها NBR وEPDM ومطاط الفلور (FKM) أو يتصلّب أو يتشقّق.

جزء معتبر من الأعطال المبكرة للأختام في الموقع لا ينشأ من زوج أسطح الاحتكاك، بل من تلف عنصر الختم الثانوي: حلقة O أو المنفاخ أو الحشوة الإسفينية. وحتى مع اختيار مادة السطح اختيارًا صحيحًا، فإن حلقة O غير المتوافقة مع الوسط تنتفخ وتتصلّب خلال أسابيع وتوقف الختم.

يوضّح هذا الدليل موضع الاختلاف الكيميائي بين FFKM وFKM، وعلاقة الأسماء التجارية مثل Kalrez® بالاسم العام للمادة، والأسئلة التي تجيب عنها قائمة تدقيق الاختيار. لتصنيف الأنواع راجع أنواع الأختام الميكانيكية، وللنظرة العامة على المواد راجع اختيار المواد في منتجات الإحكام.

يقوم مطاط الفلور (FKM) على فلوريد الفينيليدين، ولذلك تبقى في سلسلته روابط كربون-هيدروجين. تمنح هذه الروابط مقاومة جيدة للزيوت والهيدروكربونات، لكن الكيتونات والإسترات والأمينات والبخار الساخن تهاجم البوليمر عند هذه المواضع بالذات.

أما في FFKM فالسلسلة الأساسية مفلورة بالكامل. إذ يُبلمَر رباعي فلورو الإيثيلين مع بيرفلورو ميثيل فينيل الإيثر ومونومر ثالث يوفّر مواقع التشابك، فلا تبقى في السلسلة رابطة كربون-هيدروجين قابلة للهجوم. عندئذ تقترب المقاومة الكيميائية من مقاومة PTFE مع احتفاظ المادة بمرونة الإيلاستومر وقدرته على الارتداد.

تتوزّع الكلفة على ثلاثة بنود: سعر الوحدة أعلى بوضوح من بقية الإيلاستومرات؛ ومرونة الأنواع القياسية عند درجات الحرارة المنخفضة محدودة، ما يستدعي أنواعًا مخصّصة للخدمة الباردة؛ وفي خدمة الغاز المضغوط يسبّب الانخفاض المفاجئ للضغط تمدّدًا انفجاريًا، ولذلك تُحدَّد أنواع مقاومة له على حدة.

Kalrez® علامة تجارية مسجّلة لشركة DuPont تدلّ على أحد منتجاتها من فئة FFKM، وليست الاسم العام للمادة. فالاسم العام هو FFKM أو البيرفلورو إيلاستومر. والمهندس الذي يكتب «kalrez» في محرك البحث يبحث غالبًا عن عنصر ختم ثانوي من فئة FFKM لا عن علامة بعينها.

وينطبق التمييز نفسه في جانب FKM: فـ Viton® علامة تجارية مسجّلة لشركة The Chemours Company تخصّ مطاط الفلور FKM، والعبارة «viton salmastra» الشائعة في البحث باللغة التركية تعني عمليًا ختمًا ميكانيكيًا مزوّدًا بإيلاستومرات FKM.

كتابة اسم تجاري في المواصفة تضيّق سلسلة التوريد بلا مكسب تقني. والصواب ذكر الفئة العامة والمتطلّب: فئة الإيلاستومر FFKM، ودرجة حرارة التشغيل، وقائمة الوسائط الملامِسة، وعند الاقتضاء ملاحظة عن التلامس الغذائي أو مقاومة التمدّد الانفجاري.

يتكوّن الختم الابتدائي من زوج أسطح الاحتكاك الدوّار والثابت. أما الإيلاستومر فهو عنصر الختم الثانوي: يُحكم الحلقة الدوّارة على العمود أو الجلبة، والحلقة الثابتة داخل الجسم. ويأتي بحسب التصميم على هيئة حلقة O أو منفاخ إيلاستومري أو حشوة إسفينية؛ والتركيب بحلقة O وحشوة إسفينية مُدرج في بيانات المنتج لسلاسل مثل IS-1 Istanbul. للتعرف على مبدأ العمل الأساسي، راجع ما هو الختم الميكانيكي.

يبدو هذا العنصر ساكنًا وهو ليس كذلك: إذ يجب أن تتحرك الحلقة الدوّارة محوريًا بضعة مليمترات كي يتتبع السطحان التآكل وحركة العمود. والإيلاستومر المتصلّب أو المنتفخ يُقفل هذه الحركة، فيفقد السطحان التلامس، ويبدأ التسرّب من الإيلاستومر نفسه.

تظهر أعطال الإيلاستومر في خمس صور: الانتفاخ وزيادة الأبعاد عند نفاذ الوسط إلى البوليمر؛ والتصلّب والتشقّق بفعل الحرارة أو الأكسدة؛ والبثق تحت الضغط العالي عبر خلوص واسع؛ والتمدّد الانفجاري بعد تفريغ سريع في خدمة الغاز المضغوط؛ وفقدان الارتداد تحت الانضغاط المستمر، أي التشوّه الدائم.

القيم أدناه نطاقات تقريبية تعتمد على نوع الخلطة، وتصلح للفرز الأولي النوعي؛ أما الحدود الدقيقة فتُؤكَّد من وثائق المادة لدى المصنّع. ويعرّف معيارا DIN 24960 وEN 12756 فئات الإيلاستومر برمز حرفي: P = NBR، E = EPDM، V = FKM، K = FFKM، T = PTFE.

يُتخذ قرار FFKM بحسب ظرف التشغيل كاملاً لا بحسب مادة كيميائية واحدة. المجموعة الأولى هي الخطوط التي يجتمع فيها وسط عدواني مع حرارة مرتفعة: فعمليات الصناعة الكيميائية التي تقترب من الحد الحراري لـ FKM وتحمل في الوقت نفسه أمينات أو كيتونات أو قلويات لا تعمل بإيلاستومرات قياسية.

المجموعة الثانية هي الوسائط المختلطة والمتغيّرة. فحين تنقل المضخة نفسها حمضًا ثم مذيبًا ثم ماء غسيل، يجب أن يتوافق إيلاستومر واحد مع القائمة كلها، وFFKM هو الفئة القادرة على تغطية هذه القائمة وحدها.

المجموعة الثالثة هي متطلّبات التنظيف والانبعاث. فدورات CIP بالقلوي الساخن ودورات SIP بالبخار تُعرّض الإيلاستومر للقلوي الساخن والبخار في كل دفعة، كما تتوفّر أنواع للتلامس الغذائي مطابقة لمتطلّبات FDA. وحيث تُقاس الانبعاثات الهاربة وتُصنَّف وفق ISO 15848-1، تكون مقاومة الإيلاستومر للتشوّه الدائم إحدى الخصائص التي يتوقف عليها الحفاظ على فئة الإحكام المطلوبة.

استخدام FFKM حيث لا يلزم يستهلك الميزانية دون أي مكسب في العمر التشغيلي. ففي الماء النظيف وماء تغذية الغلايات والوسائط الصناعية المتعادلة يعمل NBR أو EPDM بعيدًا داخل حدوده. وفي خطوط الأغذية والمشروبات التي يغلب عليها الماء الساخن والبخار والتنظيف القلوي، يكون EPDM هو الفئة الصحيحة أصلاً ويتصرّف فيها أفضل من FKM.

وفي الزيوت المعدنية وسوائل الهيدروليك والوقود والخدمة الهيدروكربونية العامة يكون FKM كافيًا واقتصاديًا؛ وما دامت الحرارة دون الحد الأعلى التقريبي لـ FKM فلا مسوّغ تقنيًا للانتقال إلى FFKM. وما يميّز FFKM ليس وسطًا واحدًا، بل اتساع قائمة الوسائط مع ارتفاع الحرارة معًا.

بعد الإجابة عن الأسئلة السبعة أدناه تبقى عادةً فئة إيلاستومر واحدة. وإذا أشار بندان إلى فئتين مختلفتين، فالأشدّ تقييدًا هو الذي يُعتمد.

• هل كُتبت قائمة الوسائط كاملة؟ تلامس الإيلاستومرَ سوائلُ الغسيل والتنظيف والتشغيل الأول كما يلامسه وسط العملية؛ والبند الأشدّ عدوانية في القائمة هو الذي يحدّد الفئة.
• ما قيمة الحرارة القصوى؟ المعتمد هو الذروة أثناء دورة CIP/SIP أو تشغيل جاف قصير، لا درجة حرارة التشغيل المستمرة.
• ما أدنى درجة حرارة؟ مرونة أنواع FFKM القياسية في البرد محدودة، لذا يجب طلب نوع منخفض الحرارة صراحةً.
• هيدروكربونات أم مذيبات قطبية؟ FKM حيث تغلب الهيدروكربونات، وEPDM حيث يغلب الماء الساخن والمذيبات القطبية، وFFKM حيث يجتمع النوعان على الخط نفسه.
• هل هناك تلامس مع الأغذية أو المشروبات أو المستحضرات الدوائية؟ توجد أنواع مطابقة لمتطلّبات FDA في عائلتي EPDM وFFKM معًا، ولذلك يظل الوسط والحرارة هما المحدّدين للفئة.
• هل يوجد غاز مضغوط أو انخفاض مفاجئ للضغط؟ عندئذ يلزم نوع مقاوم للتمدّد الانفجاري وهندسة مجرى مناسبة، وإلا تشقّق الإيلاستومر من الداخل.
• ماذا لو تعارضت البنود؟ إذا أشارت الحرارة إلى FKM وأشارت كيمياء التنظيف إلى EPDM، فلا تكفي أي فئة وحدها؛ عندئذ يبقى FFKM الحل المشترك الوحيد، ويُقيَّم فرق الكلفة على مدى العمر التشغيلي.

Meccanotecnica Umbra Turkey هي الشركة التركية للمصنّع الإيطالي للأختام الميكانيكية Meccanotecnica Umbra S.p.A. ومن المنطقة الصناعية إيكيتيلي في إسطنبول، تُصنّع وتورّد الأختام الميكانيكية والحشوات والجوانات والوصلات الدوارة لتطبيقات السيارات والأجهزة المنزلية والمضخات الصناعية.

في بيانات المنتج يظهر خيار FFKM في حلقة Valgasket من علامة Carrara، بينما الإيلاستومرات المدرجة لسلاسل الأختام الميكانيكية هي NBR وEPDM وFKM. ويعرض الجدول أدناه هذه الخيارات مع الحدود الخاصة بكل منتج. ولمقارنة جانب أسطح الاحتكاك راجع مقال كربيد السيليكون وكربيد التنغستن.

خيارات الإيلاستومر وأسطح الاحتكاك بحسب السلسلة، إضافةً إلى ملفات PDF التقنية، متاحة في كتالوج المنتجات؛ وبعد مشاركة قائمة الوسائط والحرارة القصوى والضغط تُحدَّد فئة الإيلاستومر ونوعه معًا.