أنواع الأختام الميكانيكية: التصنيف حسب البنية والتركيب ومبدأ العمل

تُصنَّف أنواع الأختام الميكانيكية حسب بنية الختم (مكوّنات منفصلة أو خرطوشة)، وحسب طريقة التركيب (ختم فردي أو ختم مزدوج)، وحسب مبدأ العمل (متوازن أو غير متوازن، بحلقة O أو بمنفاخ، ونوع النابض واتجاه الدوران). تغطي هذه المحاور الثلاثة كل أنواع الأختام الموجودة في الميدان، وهي نقطة البداية لأي اختيار صحيح.

محاور التصنيف متكاملة وليست بدائل لبعضها: قد يجمع منتج واحد بين بنية الخرطوشة والتركيب المزدوج والتصميم المتوازن ومجموعة نوابض متعددة في آن واحد. لذلك فالسؤال المفيد ليس كم نوعاً هناك، بل أي خيار هو الصحيح على كل محور في هذا التطبيق. لمراجعة مبدأ العمل الأساسي انظر مقال ما هو الختم الميكانيكي.

تتناول الأقسام التالية كل محور بالترتيب، وتنتهي بجدولين للمقارنة: أحدهما حسب التطبيقات والآخر حسب كتالوج المنتجات.

الختم بمكوّنات منفصلة هو التصميم التقليدي الذي تُركَّب فيه الوحدة الدوارة والحلقة الثابتة والحشيات المطاطية على المضخة قطعةً قطعة. تكلفة الوحدة منخفضة ويقبل الجسم نفسه تركيبات مواد مختلفة. في المقابل يجب ضبط طول النابض العامل بدقة والحفاظ على نظافة أسطح الاحتكاك؛ وينشأ جزء كبير من الأعطال المبكرة من هذين الإجراءين.

أما ختم الخرطوشة الميكانيكي فيُسلَّم كوحدة واحدة مجمَّعة ومضبوطة مسبقاً في المصنع تضم الوجه الدوار والوجه الثابت ومجموعة النوابض وكُمّ العمود والشفة. ولا يبقى في الموقع سوى إدخال الخرطوشة على العمود وربط الشفة ونزع مشابك التركيب. وبما أن ضبط طول النابض لم يعد قراراً بشرياً، يصبح الأداء قابلاً للتكرار.

يُفضَّل نوع الخرطوشة في خطوط الإنتاج المستمر حيث يكون التوقف مكلفاً، وفي التركيبات المزدوجة ذات سائل الحاجز. وتمثّل أختام سلسلة HUHNSEAL بنسختيها الفردية والمزدوجة نموذجاً لهذه المجموعة. أما تصاميم المكوّنات المنفصلة فتحافظ على مكانتها في الإنتاج الكمي لقطاعي السيارات والأجهزة المنزلية حيث تكون التكلفة هي الفيصل.

يفصل الختم الميكانيكي الفردي سائل العملية عن الجو بزوج واحد من أسطح الاحتكاك. وهو الحل الأكثر اقتصادية للسوائل النظيفة المزلِّقة ذات الخطورة المنخفضة، وهو الأكثر شيوعاً بين أنواع أختام المضخات. ولأن زوج الأسطح هو خط الدفاع الوحيد، فإن قدرة السائل على التزليق تحدد العمر التشغيلي مباشرة.

أما الختم الميكانيكي المزدوج فيعمل بزوجي أسطح متتاليين يدور بينهما سائل حاجز أو سائل عازل. وفي السوائل السامة أو المتطايرة أو المتبلورة أو عديمة التزليق يقوم بتزليق الأسطح وضبط التسرب إلى الجو في آن واحد. وتمنح فئات API 682 لغة مشتركة لوصف هذه التركيبات.

تُبنى الأختام المزدوجة بثلاث طرق. في التركيب الترادفي يتجه الختمان في الاتجاه نفسه، ويُغذّى الحيز البيني بسائل عازل تحت ضغط العملية. وفي تركيب ظهراً لظهر يتجه الوجهان في اتجاهين متعاكسين ويُملأ الحيز بسائل حاجز فوق ضغط العملية، فلا يخرج سائل العملية إلى الخارج. وفي تركيب وجهاً لوجه يوضع وجهان ثابتان متقابلان.

وفي تشكيلتنا يُدرَج DR1-D كختم صناعي مزدوج يعمل حتى 25 بار و200 °م، بينما يقدّم HUHNSEAL الوظيفة نفسها كوحدة خرطوشة مزدوجة مضبوطة مسبقاً.

• الترادفي: سائل عازل تحت ضغط العملية، ويُجمَع تسرب الختم الأول ويُراقَب.
• ظهراً لظهر: سائل حاجز فوق ضغط العملية، والتسرب إلى الجو عند حده الأدنى.
• وجهاً لوجه: طول تركيب قصير وتحمّل أفضل للسوائل المحمّلة بالجسيمات.

يصف التمييز بين المتوازن وغير المتوازن مقدار ضغط العملية الذي يتحول إلى ضغط على أسطح الاحتكاك. والمقياس هو نسبة المساحة المعرّضة للتحميل الهيدروليكي إلى مساحة الاحتكاك؛ وفي التصميم المتوازن تقل هذه النسبة عن واحد. وفي التصميم غير المتوازن يضغط الضغط كاملاً تقريباً على الأسطح، فترتفع حرارة الاحتكاك والتآكل بسرعة مع ازدياد الضغط.

وفي الختم الميكانيكي المتوازن تقلّل درجة على العمود أو الكُمّ المساحة المعرّضة للتحميل الهيدروليكي. والنتيجة عند ضغط العملية نفسه هي حمل أقل على الأسطح وحرارة احتكاك أقل وقدرة PV أعلى. وعند الضغوط العالية والسرعات المحيطية الكبيرة والسوائل منخفضة اللزوجة أو القريبة من درجة الغليان يصبح النوع المتوازن إلزامياً عملياً.

التصاميم غير المتوازنة أبسط وأقصر وأقل كلفة، وتبقى كافية في مضخات الماء منخفض الضغط ومياه التبريد والمضخات العامة. وفي بيانات المنتجات يُدرَج MS-7 كختم فردي غير متوازن، ويتوفر IS-1 Istanbul بخياري المتوازن وغير المتوازن حتى 40 بار، بينما يبلغ DR2-S حد 30 بار بتصميمه المتوازن ذي النوابض المحمية.

يتحقق الختم الأولي دائماً بين سطحي الاحتكاك، أما الختم الثانوي فيعزل الوحدة الدوارة عن العمود والوحدة الثابتة عن الجسم؛ ونوع هذا العنصر هو ما يحدد الحد الحراري وقدرة التحمّل أمام السوائل المتسخة.

في الختم بحلقة O (الدافع) ينزلق العنصر الثانوي محورياً على العمود أو الكُمّ لتعويض تآكل الأسطح. وميزته تنوع خيارات المطاط وقدرته العالية على تحمّل الضغط. لكن إذا حدث تبلور أو تراكم للجسيمات في منطقة الانزلاق فستعلق الحلقة ولن يتمكن الوجه من ملاحقة التآكل؛ وعند هذه النقطة يبدأ التسرب. ويمثل DRM1-S وEuropa تصميم النابض المخروطي مع حلقة O في الكتالوج.

وفي الختم الميكانيكي ذي المنفاخ يوفّر منفاخ مرن الختم الثانوي ويعوّض التآكل بمرونته؛ ولانعدام العنصر المنزلق يزول خطر التعلّق. وتتميز التصاميم ذات المنفاخ المطاطي بالحجم الصغير والاقتصادية، وهي الحل القياسي في مضخات مياه السيارات ومضخات الحدائق والمسابح والأجهزة المنزلية. ويمثل هذه المجموعة FA (صناعي) و6A.

أما الختم ذو المنفاخ المعدني فيُخرِج المطاط كلياً من وظيفة المرونة، فلا يحدد الحد الحراري سوى مادتي سطح الاحتكاك والحشية الساكنة. وتنتمي إلى مجاله زيوت النقل الحراري والماء الساخن والسوائل التي تسبب انتفاخ المطاط. وتضم تشكيلة MEGASEAL أختاماً فردية متوازنة بمنفاخ معدني مطابقة لمعيار EN 12756 بقدرة حرارية تصل إلى 220 °م.

ينتج النابض قوة التحميل الأولي التي تبقي الأسطح متلامسة عند بدء التشغيل وعند انخفاض الضغط. ويحدد نوع النابض كلاً من طول التركيب المحوري وقدرة التحمّل أمام السوائل الملوثة.

في التصميم ذي النابض الواحد يوجد نابض حلزوني قوي واحد؛ ويمنحه مقطع السلك الكبير مقاومة للانسداد والتآكل الكيميائي، وهو ما يناسب السوائل اللزجة والمحمّلة بالجسيمات. وفي التصميم متعدد النوابض تُوزَّع نوابض صغيرة على المحيط فتمنح ضغطاً متجانساً على الوجه وتوزيعاً أفضل للحمل عند أقطار الأعمدة الكبيرة؛ في المقابل يجب أن تبقى النوابض نظيفة أو محمية خارج مسار السائل. ويستخدم DR2-S نوابض متعددة محمية، بينما DPS تصميم متوازن متعدد النوابض لتطبيقات الأغذية.

تنتج النوابض الموجية التحميل الأولي نفسه بطول محوري أقصر بكثير، وتُستخدم في غرف الأختام الضيقة والخراطيش المدمجة. أما النوابض المخروطية فتجمع بين تحمّل النابض الواحد للاتساخ وقصر طول التركيب؛ وينتمي إلى هذه المجموعة DRM1-S وEuropa وSimplex. وتستخدم سلسلة MEGASEAL MS نوابض صفائحية في أختام فردية غير متوازنة مطابقة لـ EN 12756، ويغطي MS-7 أقطار أعمدة من 14 إلى 200 مم.

يعني الارتباط باتجاه الدوران أن الختم يعمل بشكل صحيح في اتجاه واحد فقط، بسبب اتجاه لف النابض أو هندسة قطعة الإدارة. وعند تشغيله في الاتجاه المعاكس قد يرتخي النابض ويبدأ التسرب في الساعات الأولى. ويُدرَج DRM1-S في بيانات المنتج كختم تابع لاتجاه الدوران، وتُستثمَر هذه الخاصية عمداً لمنع انسداده بالسوائل اللزجة.

أما التصاميم المستقلة عن اتجاه الدوران فتعمل بأمان في الاتجاهين. وحيث يكون الدوران العكسي ممكناً أو يتعذر ضمان اتجاه التركيب في الموقع، تمثل هذه الخاصية هامش أمان حقيقياً. والجزء الأكبر من الكتالوج - DPS وDR2-S وUWP2 وHUHNSEAL وFUGESCO - مستقل عن اتجاه الدوران.

إن تحديد اتجاه دوران العمود قبل الطلب فحص صغير لكنه مكلف عند التشغيل الأولي. وفي حالات التسرب المبكر يُعد عدم توافق اتجاه الدوران من الأسباب الشائعة؛ والتفاصيل في دليل أعطال الأختام الميكانيكية وصيانتها.

في الختم المجزأ تُصنَّع جميع المكوّنات على هيئة نصفين، فيمكن تركيبه دون فك المضخة أو القارنة. ويُفضَّل في مضخات مياه الصرف الكبيرة والخلاطات والمعدات التي يستغرق فكها وقتاً طويلاً لأنه يقصّر زمن التوقف.

يعمل ختم الغاز الجاف دون تلامس: إذ تولّد أخاديد دقيقة محفورة على الأسطح طبقة غازية رقيقة. ولأن الطبقة الغازية تحل محل الطبقة السائلة تكون حرارة الاحتكاك وفقد القدرة منخفضين جداً؛ وقد طُوِّر هذا النوع لضواغط الغاز. ونظافة غاز الإحكام والتحكم في ضغطه أمران حاسمان في هذا النوع.

كثيراً ما يُخلَط بين الوصلة الدوارة والختم الميكانيكي، لكن وظيفتها مختلفة: فهي تنقل سائلاً من خط ثابت إلى أسطوانة أو طبل دوّار. ورغم وجود زوج أسطح إحكام داخلها، فالغرض نقل السائل لا إحكام العمود. وتنتمي إلى هذه الفئة وصلات HERO الدوارة وRotary Joint Series 100 لخطوط الماء والبخار والزيت الساخن.

أما الحشوة فليست نوعاً من الختم الميكانيكي بل تقنية بديلة له: إذ تُضغط حلقات مجدولة بواسطة غدة وتعمل بتقطير محكوم. وتُستخدم الحشوات المتميزة المطابقة لـ API 622 مثل GR8800 في التطبيقات التي تستهدف انبعاثات منخفضة. وللمقارنة التفصيلية بين التقنيتين انظر مقال الختم الميكانيكي مقابل الحشوة.

بعد اختيار نوع الختم يأتي القرار الثاني المحدد للأداء وهو تركيبة زوج الأسطح والمطاط. فكون أحد السطحين أكثر ليونة من الآخر يجعل التآكل يتقدم بصورة محكومة، أما التركيبات التي يعمل فيها سطحان صلبان معاً فتُخصَّص للأوساط الكاشطة.

• SiC/SiC: السوائل الكاشطة المحمّلة بالجسيمات والعدوانية كيميائياً؛ صلادة عالية وتوصيل حراري جيد.
• SiC/الجرافيت الكربوني: الماء النظيف والعمليات الكيميائية والاستخدام العام؛ احتكاك وتسرب منخفضان.
• WC (كربيد التنجستن)/الجرافيت الكربوني: التطبيقات ذات الأحمال الميكانيكية العالية وخطر الصدمة الحرارية.
• سيراميك الألومينا/الجرافيت الكربوني: حل اقتصادي للماء النظيف والأحمال الخفيفة.
• المطاط: NBR للزيوت المعدنية ومياه التبريد، وEPDM للماء الساخن والقلويات، وFKM للهيدروكربونات والزيوت، وFFKM لمقاومة كيميائية واسعة، وPTFE للأوساط العدوانية.

الجدول أدناه أداة فرز أولي؛ أما الاختيار النهائي فيتم مع تحليل السائل وأبعاد غرفة الختم ونقطة التشغيل. وللتفاصيل المتعلقة بالمواد يكمّله دليل اختيار المواد في منتجات الإحكام.

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. ويضع الجدول أدناه السلاسل الرئيسية من كتالوج 189 منتجاً على محاور التصنيف السابقة.

للاطلاع على القائمة الكاملة والرسومات التقنية وملفات STEP/DWG تصفّح كتالوج المنتجات، وللاختيار الخاص بتطبيقك تواصل مع فريقنا الهندسي.