انتقل إلى المحتوى الرئيسي

طلب عرض سعر

قائمة طلباتك فارغة

[ قائمة طلباتك فارغة ]
اختيار المواد لمنتجات الإحكام: دليل الكربون وSiC والإيلاستومرات وPTFE

اختيار المواد لمنتجات الإحكام: دليل الكربون وSiC والإيلاستومرات وPTFE

مكتبة الكفاءة
اختيار المواد لمنتجات الإحكام: دليل الكربون وSiC والإيلاستومرات وPTFE
علم المواد٥ مارس ٢٠٢٦16 دقيقة قراءةبقلم Meccanotecnica Umbra

ما المقصود باختيار المواد لمنتجات الإحكام؟

اختيار المواد لمنتجات الإحكام هو تحديد المادة التي تحقق في آنٍ واحد التوافق الكيميائي وحدود الحرارة والضغط وسلوك التآكل المطلوب لكل جزء من الختم يلامس المائع. وفي الختم الميكانيكي يشمل هذا القرار ثلاث مجموعات: زوج أسطح الاحتكاك، وعناصر الختم الثانوي من الإيلاستومر أو PTFE، والأجزاء المعدنية؛ أما في الحشوات والجوانات فتُختار مادة الجدل أو الصفيحة.

هذه المجموعات ليست مستقلة بعضها عن بعض. فسطح من كربيد السيليكون اختير اختيارًا صحيحًا قد يبدأ بالتسرّب خلال أسابيع بسبب حلقة O غير متوافقة مع المائع، والإيلاستومر المتين لا ينقذ نابضًا يتشقّق في ماء يحتوي على الكلوريدات. وغالبًا ما تحدّد أضعف مادة في الختم عمره. ولدور كل مكوّن داخل الختم انظر مقال ما هو الختم الميكانيكي.

يعرض هذا الدليل أولًا العوامل التي تحدّد الاختيار، ثم يتناول كلًّا على حدة أزواج الأسطح والإيلاستومرات وPTFE والأجزاء المعدنية ومواد الحشوات والجوانات. ويُختتم بجدول للاختيار حسب وسط التشغيل وبالأعطال النموذجية الناتجة عن عدم توافق المواد. والتقييمات الواردة في الجداول أداة فرز أولي نوعية؛ أما الاختيار النهائي فيتم بتحليل المائع وبيانات المواد من الشركة المصنّعة.

العوامل التي تحدّد اختيار المادة

يُتخذ قرار المادة بناءً على مجمل ظروف التشغيل لا على اسم المائع. فالمضخة نفسها قد تضخّ في اليوم الواحد مائع العملية وماء الشطف ومواد التنظيف الكيميائية؛ ويتم الاختيار وفق أشدّ بند في هذه القائمة.

تقيّد العوامل بعضها بعضًا: فالإيلاستومر المتوافق مع مائع ما في درجة حرارة الغرفة قد ينتفخ في المائع نفسه عند درجة حرارة عالية، ودرجة الكربون التي تعمل طويلًا في ماء نظيف قد تتآكل سريعًا حين يدخل الرمل إلى الماء نفسه. لذلك تُقرأ جداول التوافق دائمًا مع درجة الحرارة ومحتوى الجسيمات. وتُقيَّم العوامل الواردة في قائمة هذا القسم عادةً بهذا الترتيب.

  • وسط التشغيل (المائع): التركيب الكيميائي والرقم الهيدروجيني ومحتوى المذيبات والخاصية المؤكسدة والقدرة على التزييت. وهذا أول معيار فرز للإيلاستومر ولمادة تشريب الكربون.
  • درجة الحرارة: لا درجة حرارة التشغيل المستمر وحدها، بل أيضًا أدنى درجة حرارة والقيمة القصوى أثناء دورات التنظيف أو التعقيم بالبخار أو التشغيل الجاف القصير. ويُتحقَّق من ملاءمة فئة الإيلاستومر حراريًا وفق هذه القيمة القصوى لا وفق درجة حرارة التشغيل المستمر.
  • الضغط: يزيد الحمل على الأسطح ومن ثمّ حرارة الاحتكاك؛ ويرفع في الإيلاستومر خطر البثق إلى الخلوص. وقد يتطلب الضغط العالي درجة إيلاستومر أكثر صلادة أو حلقة دعم.
  • السرعة: تشكّل السرعة المحيطية مع الضغط قيمة PV. وكلما ارتفعت قيمة PV برزت مواد الأسطح ذات التوصيل الحراري العالي.
  • الجسيمات والمحتوى الكاشط: مع ازدياد حمل المواد الصلبة يتآكل سطح الكربون اللين بسرعة؛ ويلزم زوج أسطح صلب/صلب وآلية محمية. وللتفاصيل انظر دليل الأختام الميكانيكية للموائع الكاشطة.
  • متطلبات الأغذية والأدوية ومياه الشرب: تضع FDA في الولايات المتحدة القواعد التي تنظّم تركيبة المواد الملامسة للأغذية؛ أما WRAS فهو برنامج اعتماد في المملكة المتحدة للمنتجات والمواد الملامسة لمياه الشرب. وهذه المتطلبات لا تحدّد فئة المادة، بل الدرجة المناسبة داخل الفئة.
  • التوازن بين الكلفة والعمر: استخدام FFKM أو زوج أسطح صلب/صلب حيث لا حاجة إليهما يضيف كلفة دون إطالة العمر، أما المادة الرخيصة التي تعمل عند حدّها فتسترد الوفر بعطل مبكر.

مواد أسطح الختم الميكانيكي: الكربون الجرافيتي وSiC وكربيد التنغستن

يتكوّن الختم الابتدائي من سطحين، أحدهما دوّار والآخر ثابت، وهذه هي المجموعة الأكثر تحمّلًا للأحمال بين مواد الختم. والممارسة المستقرة أن يكون أحد السطحين أليَن من الآخر: فيتكيّف السطح اللين مع مقابله ويتقدّم التآكل بصورة محكومة. أما الأزواج التي يعمل فيها سطحان صلبان معًا فتُخصَّص عادةً للأوساط الكاشطة أو الأحمال السطحية العالية أو الموائع التي لا يلائمها الكربون كيميائيًا.

في جانب السطح اللين يكاد الاختيار يكون دائمًا الكربون الجرافيتي. والمهم في الاختيار هو مادة التشريب التي يُطلب بها الكربون: فالدرجات المشرّبة بالراتنج تُفضَّل للمياه والمواد الكيميائية العامة، والدرجات المشرّبة بالأنتيمون للضغوط ودرجات الحرارة الأعلى ولمقاومة الفقاعات (blistering) التي تظهر في الزيوت عالية اللزوجة؛ وفي خدمة المحاليل الكاوية والأحماض القوية يُشترط أيضًا أن يقاوم التشريب ذلك الوسط. ويحمي التزييت الذاتي للكربون الختم في لحظات التشغيل الجاف القصيرة؛ أما في الموائع المحمّلة بالمواد الصلبة فليونته أكبر نقاط ضعفه، فيتآكل بسرعة.

في جانب السطح الصلب يبدأ الاختيار عادةً بكربيد السيليكون (SiC)؛ إذ تجعله صلادته وتوصيله الحراري ومقاومته الكيميائية أكثر الأسطح الصلبة شيوعًا. وما يحسم الاختيار حسب الوسط هو أيّ النوعين من SiC يُحدَّد. فكربيد السيليكون الملبّد (SSiC) الخالي من السيليكون الحر هو الخيار الآمن لخدمة المحاليل الكاوية والأحماض القوية والتطبيقات عالية النقاء؛ أما كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل (RBSiC) الأكثر اقتصادية فيكفي في الموائع المتعادلة والمياه النظيفة، لكن السيليكون الحر فيه قد يذوب في القلويات القوية وحمض الهيدروفلوريك. لذلك فإن كتابة SiC وحده دون تحديد النوع في مواصفة خط للمحاليل الكاوية تعريف ناقص. وكلا النوعين هشّ.

كربيد التنغستن (WC) هو البديل عن SiC حيث تكون المتانة أهم من الصلادة: ففي المضخات التي تتعرض للاهتزاز والتكهّف وأحمال الصدم تتشظّى حافة السطح أقل. والتفصيل الذي ينبغي الانتباه إليه عند الاختيار هو الرابط؛ ففي الأوساط الحمضية أو المحتوية على مياه البحر تُحدَّد درجة برابط النيكل بدلًا من الكوبالت. أما سيراميك الألومينا فهو السطح الصلب لتطبيقات المياه النظيفة حيث تكون الكلفة حاسمة؛ ولأن توصيله الحراري منخفض فهو حسّاس للصدمة الحرارية ولا يُختار عادةً للخطوط المعرّضة لخطر التشغيل الجاف.

في بيانات المنتج يُدرج MS-7 بخيارات أسطح من SiC وكربيد التنغستن والكربون. وللمقارنة التفصيلية للصلادة والتوصيل الحراري ورموز المواد انظر دليل كربيد السيليكون مقابل كربيد التنغستن.

أزواج الأسطح: التشغيل الجاف والأوساط الكاشطة والحدود الكيميائية

يقارن الجدول في هذا القسم بين أكثر أزواج الأسطح شيوعًا وفق ثلاثة معايير هي الأكثر حسمًا في اختيار المادة: سلوك التشغيل الجاف والصدمة الحرارية، والملاءمة للأوساط الكاشطة، والحدود أمام الأحماض والقلويات. ولا تتوقف ملاءمة الزوج على المادة وحدها، بل أيضًا على تصميم الختم وترتيب الشطف ونقطة التشغيل.

في الموائع النظيفة تُحلّ معظم التطبيقات بزوج يحتوي على الكربون الجرافيتي؛ أما أزواج صلب/صلب فتدخل حين توجد جسيمات كاشطة أو أحمال ميكانيكية عالية. وتحمّل أزواج صلب/صلب للتشغيل الجاف منخفض، لذلك تُركَّب مع ضمان إمداد متواصل بالتزييت أو الشطف أو مائع الحاجز.

أزواج الأسطح: التشغيل الجاف والأوساط الكاشطة والسلوك أمام الأحماض والقلويات (نوعي)
زوج الأسطحيُختار عادةً فيالتشغيل الجاف والصدمة الحراريةالأوساط الكاشطةملاحظة الأحماض والقلويات
الكربون الجرافيتي / SiCالمياه النظيفة والهيدروكربونات والعمليات الكيميائية العامةيتحمّل الانقطاعات القصيرة بفضل الكربون؛ وسلوكه جيد أمام الصدمة الحراريةغير ملائم؛ يتآكل الكربون بسرعةحدّ الكربون مرتبط بالتشريب؛ والكربون ضعيف أمام المؤكسدات القوية؛ ويُختار SSiC في القلويات القوية
الكربون الجرافيتي / كربيد التنغستنالمضخات الثقيلة المعرّضة للاهتزاز والصدمات، والموائع اللزجةيتحمّل الانقطاعات القصيرة بفضل الكربونمحدود؛ يتآكل الكربونيذوب رابط الكوبالت في الأحماض؛ ويُختار WC برابط النيكل
الكربون الجرافيتي / سيراميك الألوميناالمياه النظيفة والضغط المنخفض والحمل المنخفضمحدود؛ قد تتشقّق الألومينا عند التسخين المفاجئغير ملائمنافذة التشغيل في الأحماض والقلويات القوية أضيق من SiC
SiC / SiCالجسيمات الكاشطة والحمأة والموائع المتبلورة؛ تطبيقات التعدينمنخفض؛ يلزم تزييت أو شطف متواصلملائم جدًاSSiC مستقر عمليًا في كامل نطاق الرقم الهيدروجيني؛ وRBSiC ضعيف في القلويات القوية وHF
كربيد التنغستن / SiCالضغط والحمل السطحي العاليان، والخدمة الكاشطة مع الصدماتمنخفضملائمWC برابط الكوبالت ضعيف في الأحماض؛ ويُختار جانب SiC من نوع SSiC أو RBSiC حسب الرقم الهيدروجيني للوسط

الإيلاستومرات: NBR وEPDM وFKM وFFKM

الإيلاستومرات هي عناصر الختم الثانوي في الختم الميكانيكي: فهي تُحكم السطح الدوّار على العمود أو الجلبة والسطح الثابت داخل الجسم، وتُستخدم على هيئة حلقات O أو منافيخ إيلاستومرية. وفي التصاميم ذات حلقة O (الدافعة) تنزلق حلقة O الديناميكية محوريًا كي يتتبع السطحان التآكل؛ والإيلاستومر المنتفخ أو المتصلّب يُقفل هذه الحركة، فينفتح السطحان ويظهر التسرّب عند الأسطح مع أن سببه الجذري هو الإيلاستومر.

NBR (مطاط النتريل) إيلاستومر اقتصادي متعدد الأغراض يتوافق جيدًا مع الزيوت المعدنية والوقود والماء ومياه التبريد؛ لكنه محدود أمام الأوزون والعوامل الجوية والماء الساخن. ومشتقّه المهدرج HNBR يحسّن مقاومة الحرارة والأوزون. أما EPDM فيعمل جيدًا في الماء الساخن والبخار وسوائل التبريد الغليكولية والأحماض والقلويات المخففة والكيتونات؛ لكنه ينتفخ عند ملامسة الزيت المعدني والهيدروكربونات. لذلك يُستخدم عند تركيب عناصر EPDM مزلّق متوافق بدلًا من الشحم ذي الأساس المعدني.

FKM (مطاط الفلوروكربون) يقدّم مقاومة جيدة جدًا للهيدروكربونات والزيوت والوقود والمذيبات العطرية ومقاومة جيدة لمعظم الأحماض المعدنية، وهو شائع في مضخات العمليات بفضل قدرته على تحمّل درجات الحرارة العالية. ونقاط ضعفه الكيتونات والإسترات والأمينات والقلويات القوية والماء الساخن والبخار؛ كما أن مرونة الدرجات القياسية في درجات الحرارة المنخفضة محدودة. ولـ FKM وEPDM ملفّا توافق متعاكسان تقريبًا، لذلك يُحسم الاختيار بينهما عادةً بحسب ما إذا كان المائع هيدروكربونًا أو ماءً ومذيبًا قطبيًا.

FFKM (مطاط الفلور الكامل) يقدّم بفضل سلسلته الرئيسية المفلورة بالكامل أوسع مقاومة كيميائية وأعلى قدرة حرارية بين الإيلاستومرات؛ ويُستخدم في العمليات الكيميائية التي تجتمع فيها المواد العدوانية مع درجات الحرارة العالية أو تكون فيها قائمة الموائع واسعة جدًا. وثمن ذلك كلفة مرتفعة. وKalrez® علامة تجارية مسجّلة لشركة DuPont؛ والاسم العام للمادة هو FFKM. وللتفاصيل انظر دليل FFKM وKalrez®. أما السيليكون (VMQ) فيوفّر نطاقًا حراريًا واسعًا، لكن ضعف مقاومته للتمزّق والتآكل يحدّ من استخدامه في الإحكام الديناميكي.

PTFE: أين يُستخدم في الأختام الميكانيكية والحشوات والجوانات؟

يظهر PTFE (بولي تترافلوروإيثيلين) في منتجات الإحكام في ثلاثة مواضع: عنصرًا للختم الثانوي في الختم الميكانيكي، وخيطًا للجدل أو مادة تشريب في الحشوة، ومادة صفائح في جوانات الشفاه. والختم الميكانيكي ذو حلقات الإحكام من PTFE هو الختم الذي يستخدم حلقة إسفينية أو حلقة V أو منفاخًا من PTFE بدلًا من حلقة O الإيلاستومرية؛ ويُفضَّل في قوائم المواد الكيميائية الواسعة التي لا تتوافق معها الإيلاستومرات.

تقف وراء اختيار PTFE خاصيتان. الأولى المقاومة الكيميائية: فلأن سلسلته الكربونية محاطة بالكامل بذرات الفلور، فهو خامل تجاه الأحماض والقلويات والغالبية العظمى من المذيبات؛ والاستثناءات المعروفة مواد شديدة التفاعل مثل الفلزات القلوية المنصهرة والفلور العنصري. والثانية الاحتكاك المنخفض: فمعامل احتكاكه من أدنى المعاملات بين المواد الصلبة، ويوفّر سطحًا مانعًا للالتصاق. وتصل درجة حرارة الاستخدام المستمر النموذجية إلى نحو 260 °C، كما يحتفظ بمتانته في درجات الحرارة المنخفضة جدًا.

أما حدوده فتشكّل التصميم مباشرة. ينساب PTFE مع الزمن تحت حمل ثابت حتى في درجة حرارة الغرفة؛ ويزداد هذا الانسياب البارد (الزحف) مع الحرارة، فيؤدي إلى فقدان إحكام الحلقة الإسفينية وفقدان حمل البراغي في جوان الشفة. ومرونته منخفضة جدًا: فبعد انضغاطه لا يرتدّ كما يرتدّ الإيلاستومر. ومعامل تمدّده الحراري أعلى بأضعاف من المعادن، لذلك تتغيّر أبعاده في دورات التسخين والتبريد على نحو مختلف عن الأجزاء المعدنية المحيطة. كما أن توصيله الحراري ومقاومته للتآكل في حالته النقية منخفضان.

لهذا تُحمَّل عناصر PTFE في الأختام الميكانيكية عادةً بنابض: إذ تُدفع الحلقة الإسفينية إلى مقعدها بقوة النابض، ويعوّض النابض الارتخاء الناتج عن الانسياب البارد. وحيث تلزم المرونة تُستخدم حلقات O مغلّفة بالبوليمر الفلوري (FEP أو PFA)؛ فالغلاف يوفّر المقاومة الكيميائية، واللبّ الداخلي من FKM أو السيليكون يوفّر الارتداد. ومع ذلك تبقى هذه الحلقات أقل مرونة من الإيلاستومر، ويجب ألا يُخدش الغلاف أثناء التركيب. ودرجات PTFE المعبّأة بالزجاج أو الكربون أو الجرافيت تقلّل الانسياب البارد وتحسّن مقاومة التآكل. وفي بيانات المنتج يُدرج IS-1 Istanbul بتركيب بحلقة O وحلقة إسفينية وبخيار PTFE.

في الحشوات تُستخدم الحلقات المجدولة من خيوط PTFE النقي في الموائع العدوانية كيميائيًا وتطبيقات الأغذية؛ غير أنها تسخن عند السرعات المحيطية العالية لانخفاض توصيلها الحراري. وخيوط PTFE المعبّأة بالجرافيت تبدّد الحرارة على نحو أفضل، أما في الجدائل من الأراميد أو ألياف الكربون المشرّبة بـ PTFE فيعمل PTFE مزلّقًا ومادة حشو. وفي بيانات المنتج يوصف SQ5000 بأنه حشوة من PTFE النقي. وفي الجوانات تبقى صفيحة PTFE النقي محدودة بسبب الانسياب البارد؛ وصفائح PTFE المعبّأ (المعدّل) تقلّل الانسياب البارد، بينما يتكيّف PTFE الممدّد (ePTFE) جيدًا مع أسطح الشفاه غير المستوية.

جدول توافق الإيلاستومرات ومواد الختم الثانوي

يبيّن الجدول في هذا القسم الملاءمة العامة لخمس مواد للختم الثانوي حسب فئات الأوساط. وقيم الحرارة نطاقات تقريبية تتوقف على الدرجة؛ وقد تختلف التركيبات المختلفة ضمن الفئة الواحدة اختلافًا واضحًا. ويجب التحقق من التوافق الدقيق من بيانات المواد لدى الشركة المصنّعة مع مراعاة تركيز المائع ودرجة حرارته.

في رمز المواد وفق DIN 24960 وEN 12756 يُشار إلى هذه الفئات بحروف في خانة الختم الثانوي (الخانة الثالثة)؛ والمقابلات الشائعة هي P = NBR وE = EPDM وV = FKM وK = FFKM وT = PTFE. والحروف نفسها تدل على مواد أخرى في خانات الأسطح؛ فمثلًا يعني V في خانة السطح سيراميك الألومينا. والنطاق المذكور لـ PTFE هو حدّ المادة نفسها؛ وقد يضيّقه تصميم الحلقة الإسفينية أو المنفاخ والضغط.

الملاءمة العامة لمواد الختم الثانوي حسب فئات الأوساط (نوعية، تقريبية)
المادةالنطاق الحراري النموذجي (تقريبي)الماء والماء الساخن والبخارالزيت المعدني والهيدروكربوناتالأحماض والقلوياتالكيتونات والإسترات
NBR≈ -30…+100 °Cجيد في الماء؛ محدود في الماء الساخن والبخارجيدمحدودضعيف
EPDM≈ -50…+150 °Cجيد جدًاضعيف؛ ينتفخجيد في الأحماض والقلويات المخففةجيد
FKM≈ -20…+200 °Cجيد في الماء؛ ضعيف في الماء الساخن والبخارجيد جدًاجيد في معظم الأحماض المعدنية؛ ضعيف في القلويات والأميناتضعيف
FFKM≈ -15…+300 °C، بحسب الدرجةجيد، بحسب الدرجةجيد جدًاجيد جدًاجيد جدًا
PTFE (حلقة إسفينية، حلقة V، منفاخ، غلاف)≈ -200…+260 °C (حدّ المادة)جيد جدًاجيد جدًاجيد جدًا؛ باستثناء الفلزات القلوية المنصهرة والفلور العنصريجيد جدًا

الأجزاء المعدنية: النوابض والجسم ودرجات الفولاذ المقاوم للصدأ

الأجزاء المعدنية في الختم الميكانيكي هي النوابض وأجزاء الدفع والتثبيت والجلبة والشفة، وفي التصاميم المنفاخية المنفاخ المعدني. ولا توفّر هذه الأجزاء الإحكام مباشرة، لكن لأنها تلامس المائع فإن مقاومة التآكل الكيميائي هي التي تحدّد اختيارها. وفي معظم التطبيقات الصناعية العامة يُستخدم الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ من درجة AISI 316؛ والدرجة منخفضة الكربون 316L شائعة في الأجزاء الملحومة والتطبيقات الصحية. وفي تطبيقات المياه الأقل عدوانية يمكن استخدام الدرجة 304 أيضًا.

الأوساط المحتوية على الكلوريدات هي نقطة ضعف الفولاذ المقاوم للصدأ. فالموليبدنوم يمنح الدرجة 316 مقاومة أفضل للتآكل النقري من 304؛ لكن في مياه البحر والمحاليل الملحية ومحاليل الكلوريد الساخنة قد تتعرض 316 أيضًا للتآكل النقري والتشقّق بالتآكل الإجهادي. وفي هذه الأوساط تقدّم أنواع الفولاذ المزدوج (الدوبلكس) مقاومة ميكانيكية أعلى ومقاومة أفضل للكلوريدات؛ وفي الظروف الأشد تُدرس أنواع السوبر دوبلكس أو التيتانيوم أو السبائك ذات الأساس النيكلي.

النوابض هي الأجزاء الأكثر حساسية في هذا الشأن: فهي تعمل تحت إجهاد مستمر ومقاطع أسلاكها رفيعة، لذلك يكاد هامش التآكل فيها يكون معدومًا. والنوابض صغيرة المقطع في التصاميم متعددة النوابض أكثر حساسية للتآكل والانسداد من النابض السميك في التصاميم أحادية النابض. وللأحماض القوية وأوساط الكلوريد الساخنة يمكن تصنيع النوابض من سبائك النيكل والموليبدنوم والكروم مثل C-276. وفي المنافيخ المعدنية أيضًا تُختار المادة في الغالب أكثر مقاومة من مادة الجسم بسبب رقّة الجدار؛ ولموقع التصاميم المنفاخية انظر دليل أنواع الأختام الميكانيكية.

ولا ينبغي إغفال تفصيلين آخرين. فتلامس معادن مختلفة في المائع نفسه قد يسرّع التآكل الغلفاني. وفي المحاليل الكاوية عند درجات الحرارة والتراكيز العالية يوجد خطر التشقّق بالتآكل الإجهادي في أنواع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ؛ ويبرز في هذه الخدمات النيكل والسبائك ذات الأساس النيكلي.

مواد الحشوات والجوانات

تعمل الحشوات والجوانات بمبدأ مختلف عن الأختام الميكانيكية. ففي الحشوة تُضغط حلقات مجدولة حول العمود بواسطة غدة ويُترك تقطير محكوم للتبريد؛ أما في الجوان فتُضغط المادة بين شفتين ثابتتين لتوفير إحكام ساكن. وعلامة المجموعة للحشوات والجوانات هي Carrara. وللمقارنة بين التقنيتين انظر مقال الختم الميكانيكي مقابل الحشوة.

تُختار مادة الحشوة حسب المائع ودرجة الحرارة والضغط، وقبل كل شيء السرعة المحيطية للعمود. فمع ارتفاع السرعة تصبح القدرة على تبديد حرارة الاحتكاك حاسمة، ولهذا يبرز الجرافيت وألياف الكربون في السرعات العالية وPTFE النقي في السرعات الأدنى. وفي الموائع الكاشطة تقاوم الألياف الصلبة مثل الأراميد التآكل، لكنها قد تُتلف أيضًا سطح العمود أو الجلبة؛ وفي هذه الحالة تُفضَّل جلبة مقسّاة. وفي بيانات المنتج يُدرج GR8800 حشوة متميزة من خيوط الكربون PAN مع مسحوق الجرافيت، وN1706 حشوة من ألياف الأراميد. أما أداء حشوات سيقان الصمامات من حيث الانبعاثات الهاربة، وهو تطبيق منفصل عن المضخات، فيُقيَّم بمعايير اختبار النوع مثل API 622.

في اختيار الجوان يُعدّ نوع الشفة وحمل البراغي وفئة الضغط عوامل حاسمة إلى جانب المائع ودرجة الحرارة. ففي صفائح الألياف المضغوطة يحدّد الرابط الإيلاستومري إلى حدّ كبير الحدود الحرارية والكيميائية؛ وتُستخدم صفائح الجرافيت في درجات الحرارة العالية والبخار وكثيرًا ما تُقوّى بالمعدن؛ وتُفضَّل صفائح PTFE المعبّأ للشفاه الكيميائية. وفي بيانات المنتج يوصف Planiflon B13 بأنه صفيحة جوان من PTFE معدّل معبّأ بالسيليكا.

مواد الحشوات والجوانات: الاستخدام النموذجي والنقاط الواجب مراعاتها
المادةشكل المنتجالاستخدام النموذجينقطة تستوجب الانتباه
PTFE النقيحشوة مجدولة، صفيحة جوانالموائع العدوانية كيميائيًا وتطبيقات الأغذية والأدويةيسخن في السرعات العالية لانخفاض توصيله الحراري؛ انسياب بارد
PTFE المعبّأ بالجرافيتحشوة مجدولةالمضخات التي تجمع بين الخدمة الكيميائية وسرعة عمود أعلىيحسّن الجرافيت تبديد الحرارة؛ ويُتحقق من ملاءمته لملامسة الأغذية على حدة
الجرافيت الممدّد (المرن)حشوة مجدولة، حلقة مقولبة، صفيحة جواندرجات الحرارة العالية والبخار والماء الساخن وإحكام سيقان الصماماتحدّ للتأكسد في الأوساط المؤكسدة القوية وفي الهواء عند الحرارة العالية؛ ويُستخدم التقوية لضعف مقاومة الشد
ألياف الكربون (PAN)حشوة مجدولةالمضخات العاملة بسرعة وحرارة عاليتينتوصيل حراري ومتانة جيدان؛ كلفة أعلى
ألياف الأراميدحشوة مجدولة (مشرّبة غالبًا بـ PTFE)الجسيمات الكاشطة والحمأة ولبّ الورققد تُتلف سطح العمود والجلبة؛ ويوصى بجلبة مقسّاة
الألياف المضغوطة (أراميد أو سليلوز، برابط NBR)صفيحة جوانالمياه والزيوت والشفاه متعددة الأغراضيحدّد الرابط الإيلاستومري إلى حدّ كبير الحدود الحرارية والكيميائية
PTFE المعبّأ (المعدّل)صفيحة جوانالشفاه الكيميائية وخطوط الأغذية والأدويةيقلّل الحشو الانسياب البارد؛ ويُختار نوع الحشو بما يلائم المائع
الميكا والفيرميكوليتصفيحة جوان (مقوّاة بالمعدن غالبًا)العوادم والأفران والشفاه ذات الحرارة العالية جدًاتُفضَّل في درجات الحرارة التي تتجاوز حدّ تأكسد الجرافيت في الهواء

أي مادة لأي وسط تشغيل؟

يعرض الجدول في هذا القسم تركيبات تمثّل نقطة انطلاق في معظم التطبيقات لفئات الأوساط الشائعة. والجدول أداة فرز أولي: فالاختيار يتغيّر بتغيّر التركيز ودرجة الحرارة وحمل الجسيمات وكيمياء التنظيف؛ وفي الموائع المختلطة يكون المكوّن الأكثر تقييدًا هو الأساس.

حتى ضمن فئة الوسط الواحدة قد تغيّر الظروف الاختيار. فمثلًا قد لا يكفي FKM الملائم لحمض مخفف عندما يكون الحمض نفسه مركّزًا وساخنًا؛ وقد يضطر زوج الكربون الجرافيتي / SiC الذي يعطي عمرًا طويلًا في الماء النظيف إلى إفساح المجال لزوج SiC / SiC حين يدخل الرمل إلى الماء.

تركيبات المواد المفضّلة عادةً حسب وسط التشغيل
الوسطزوج الأسطح (في معظم التطبيقات)الإيلاستومر أو الختم الثانويالأجزاء المعدنية وملاحظات
المياه النظيفة ومياه التبريدالكربون الجرافيتي / SiC؛ والكربون الجرافيتي / الألومينا في الأحمال المنخفضةEPDM أو NBRفولاذ مقاوم للصدأ 304 أو 316؛ وتكفي التصاميم غير المتوازنة غالبًا عند الضغط المنخفض
الماء الساخن ومياه تغذية الغلايات والبخارالكربون الجرافيتي / SiCEPDM (حتى نحو 150 °C)؛ وFKM القياسي غير ملائم عادةً؛ وفوق ذلك يُدرس تبريد الختم أو FFKMقرب نقطة الغليان قد تتبخر الطبقة الرقيقة بين الأسطح؛ وترتيب التبريد والشطف لا يقل أهمية عن المواد
الزيت المعدني والوقود والهيدروكربوناتالكربون الجرافيتي / SiC؛ وفي الزيوت اللزجة كربون مشرّب بالأنتيمون أو WC / SiCFKM؛ وNBR في درجات الحرارة المعتدلةفولاذ مقاوم للصدأ 316؛ ولا يُستخدم EPDM
الأحماضSSiC / الكربون الجرافيتي (بتشريب متوافق مع الحمض) أو SSiC / SSiC؛ وفي الأحماض المؤكسدة القوية (مثل حمض النيتريك المركّز) يُستخدم عادةً SSiC / SSiC بدلًا من الكربونFKM في معظم الأحماض المعدنية (قد لا يكفي FKM في الأحماض العضوية مثل الأسيتيك والفورميك، فيُدرس EPDM أو FFKM)؛ وFFKM أو PTFE في الأحماض المركّزة أو الساخنة أو المختلطةقد لا تكفي 316، فتُدرس السبائك ذات الأساس النيكلي؛ ويُتجنّب WC ذو رابط الكوبالت
القلويات والمحاليل الكاويةSSiC / الكربون الجرافيتي (بتشريب مقاوم للقلويات) أو SSiC / SSiC؛ ويُتجنّب RBSiCEPDM؛ وFFKM في المحاليل الكاوية الساخنة والمركّزةخطر التشقّق بالتآكل الإجهادي في الفولاذ المقاوم للصدأ عند الحرارة والتركيز العاليين؛ وغسل خارجي (quench) ضد التبلور في الجانب الجوي
الحمأة الكاشطةSiC / SiC (عادةً SSiC)؛ وWC / SiC تحت أحمال الصدمEPDM للحمأة المائية، وFKM للحمأة المحتوية على هيدروكربوناتنوابض محمية وتصميم خرطوشي وAPI Plan 32 أو 53B؛ انظر دليل الموائع الكاشطة
الأغذية والمشروبات والأدويةالكربون الجرافيتي / SiC؛ وSiC / SiC عند وجود جسيمات أو بلوراتدرجات EPDM أو FKM أو FFKM الملائمة لملامسة الأغذية؛ وPTFE316L وتصميم صحي ومقاومة لدورات CIP/SIP؛ انظر الأغذية والمشروبات
الكيتونات والإسترات والمذيبات العضويةالكربون الجرافيتي / SiCEPDM في الكيتونات، وFKM في المذيبات العطرية والمكلورة؛ وFFKM أو PTFE لقائمة مختلطةيُدرس التصميم المتوازن والختم المزدوج للمذيبات المتطايرة منخفضة اللزوجة

الأعطال النموذجية الناتجة عن عدم توافق المواد

تترك معظم الأعطال المرتبطة بالمواد أثرًا مقروءًا على الختم المفكوك. وتبيّن العلامات الواردة في قائمة هذا القسم في أي مادة وقع عدم التوافق، وتشير إلى ما ينبغي تغييره في الاختيار التالي. وللمنهج العام لتحليل الأعطال انظر دليل أعطال الأختام الميكانيكية وصيانتها.

  • انتفاخ الإيلاستومر: تكبر حلقة O وتلين وتفيض من مجراها؛ فلا تستطيع حلقة O الديناميكية الانزلاق ويفقد السطحان التلامس. والسبب عادةً مائع غير متوافق أو شحم غير متوافق استُخدم أثناء التركيب.
  • التصلّب والتشقّق والتشوّه الدائم: يكون الإيلاستومر عادةً قد عمل فوق حدّه الحراري أو سخن بشدة أثناء التشغيل الجاف أو تعرّض لهجوم كيميائي (مثل الأمينات على FKM)؛ وحلقة O ذات المقطع المسطّح والسطح المتشقّق لا ترتدّ.
  • تكوّن الفقاعات والتقشّر على سطح الكربون: يظهر في الزيوت اللزجة وفي ظروف التشغيل والإيقاف المتكررين؛ ويجب اختيار نوع التشريب بما يلائم التطبيق.
  • خشونة سطح SiC: في خدمة القلويات القوية أو المحاليل الكاوية الساخنة يذوب طور السيليكون الحر في كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل؛ ويُختار كربيد السيليكون الملبّد لهذه الخدمات.
  • انقلاع الحبيبات من سطح كربيد التنغستن: في الوسط الحمضي يذوب رابط الكوبالت انتقائيًا؛ وتُدرس الدرجة ذات رابط النيكل أو SiC.
  • ترقّق عنصر PTFE وفقدان الحمل: يغيّر الانسياب البارد شكل الحلقة الإسفينية أو الجوان مع الزمن؛ ويلزم التحميل بنابض أو درجة معبّأة أو إعادة الشد.
  • انكسار النابض والتآكل النقري: في أوساط الكلوريد يظهر التآكل النقري والتشقّق بالتآكل الإجهادي في نوابض الفولاذ المقاوم للصدأ؛ ويلزم سبيكة أكثر مقاومة أو ترتيب نوابض يبقى خارج مائع العملية.

تركيبة المواد الصحيحة مع Meccanotecnica Umbra Turkey

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.

تُدرج بيانات المنتج لكثير من السلاسل الصناعية أسطح SiC والكربون مع إيلاستومرات NBR وEPDM وFKM؛ ويُعدّ DR2-S وHUHNSEAL مثالين على هذه التركيبات. ولتقديم توصية بالمادة تُقيَّم معًا تسمية المائع وتركيزه، وسوائل التنظيف والشطف، والنطاق الحراري وقيمته القصوى، وضغط حجرة الختم، وقطر العمود وسرعته، ومحتوى الجسيمات، وأي متطلبات لملامسة الأغذية أو مياه الشرب. يمكنك مراجعة الخيارات حسب السلسلة في كتالوج المنتجات أو التواصل معنا ببيانات تطبيقك.

الأسئلة الشائعة

ما المواد المستخدمة في الختم الميكانيكي؟

يحتوي الختم الميكانيكي على ثلاث مجموعات من المواد. ففي زوج الأسطح يُستخدم الكربون الجرافيتي وكربيد السيليكون وكربيد التنغستن وسيراميك الألومينا؛ وفي عناصر الختم الثانوي إيلاستومرات مثل NBR وEPDM وFKM وFFKM إلى جانب PTFE؛ وفي النوابض والجلب وأجزاء التثبيت يُستخدم غالبًا الفولاذ المقاوم للصدأ 316، وفي الأوساط شديدة التآكل الفولاذ المزدوج أو السبائك ذات الأساس النيكلي. ويتم الاختيار حسب المائع ودرجة الحرارة والضغط والسرعة ومحتوى الجسيمات.

هل يُستخدم PTFE في الأختام الميكانيكية؟

نعم، لكن عادةً عنصرًا للختم الثانوي لا مادةً للأسطح. يُستخدم PTFE على هيئة حلقة إسفينية أو حلقة V أو منفاخ أو حلقة O مغلّفة بالبوليمر الفلوري، ويُفضَّل في قوائم المواد الكيميائية الواسعة التي لا تتوافق معها الإيلاستومرات. ولأن مرونة PTFE منخفضة جدًا وينساب مع الزمن تحت الحمل، تُحمَّل هذه العناصر غالبًا بنابض؛ كما يُؤخذ في الحسبان عند التصميم تمدّده الحراري الأعلى بكثير من المعادن.

متى يُختار زوج أسطح صلب/صلب بدلًا من الكربون الجرافيتي / SiC؟

زوج الكربون الجرافيتي / SiC هو الخيار الافتراضي في الموائع النظيفة: فالكربون اللين يوفّر احتكاكًا منخفضًا ويتحمّل لحظات التشغيل الجاف القصيرة، بينما يقاوم SiC الصلب التآكل ويوصل الحرارة جيدًا. ويُنتقل عادةً إلى زوج صلب/صلب (SiC / SiC أو كربيد التنغستن / SiC) في ثلاث حالات: إذا حمل المائع جسيمات كاشطة أو بلورات، أو كان الحمل السطحي عاليًا، أو كان المائع يهاجم الكربون كيميائيًا (مثل الأحماض المؤكسدة القوية). وثمن ذلك تحمّل منخفض للتشغيل الجاف، لذلك يُركَّب زوج صلب/صلب مع تزييت أو شطف أو مائع حاجز متواصل. أما المقارنة التفصيلية بين كربيد السيليكون وكربيد التنغستن فيتناولها دليل مستقل.

ما مواد الختم التي تُختار لخدمة المحاليل الكاوية (هيدروكسيد الصوديوم)؟

في زوج الأسطح يُفضَّل كربيد السيليكون الملبّد الخالي من السيليكون الحر، إذ قد يذوب السيليكون الحر في كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل في القلويات القوية. وإذا استُخدم الكربون يُختار تشريب مقاوم للقلويات، وعند وجود خطر التبلور يُدرس زوج SSiC / SSiC مع غسل خارجي (quench) في الجانب الجوي. والإيلاستومر في معظم التطبيقات هو EPDM، وفي المحاليل الكاوية الساخنة والمركّزة FFKM. وعند الحرارة والتركيز العاليين تبرز السبائك ذات الأساس النيكلي بسبب خطر التشقّق بالتآكل الإجهادي في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ.

ما الفرق بين FKM وFFKM؟

FKM مطاط فلوروكربوني تحتوي سلسلته على روابط كربون-هيدروجين. وهو جيد جدًا في الهيدروكربونات والزيوت وجيد في معظم الأحماض المعدنية، لكنه يضعف أمام الكيتونات والإسترات والأمينات والقلويات القوية والبخار الساخن. أما في FFKM فالسلسلة الرئيسية مفلورة بالكامل؛ ما يمنحه مقاومة كيميائية قريبة من PTFE وقدرة حرارية أعلى مع الاحتفاظ بمرونة الإيلاستومر. وثمن ذلك كلفة أعلى بوضوح.

هل يُختار EPDM أم FKM للماء الساخن والبخار؟

في الماء الساخن والبخار يكون EPDM الخيار الصحيح في معظم التطبيقات؛ أما درجات FKM القياسية فضعيفة في الماء الساخن والبخار. غير أن EPDM ينتفخ عند ملامسة الزيت المعدني والهيدروكربونات؛ فتظهر المشكلات إذا احتوى المائع على زيت أو استُخدم شحم ذو أساس معدني أثناء التركيب. وإذا وُجد البخار عالي الحرارة والهيدروكربونات على الخط نفسه يُدرس FFKM.

كيف تُختار مادة الختم لتطبيقات الأغذية ومياه الشرب؟

تُحدَّد أولًا فئة المادة حسب المائع ودرجة الحرارة وكيمياء التنظيف؛ ثم تُختار داخل تلك الفئة درجة ملائمة لملامسة الأغذية أو مياه الشرب. وتشير FDA إلى القواعد الأمريكية التي تنظّم تركيبة المواد الملامسة للأغذية؛ ويشير WRAS إلى برنامج الاعتماد في المملكة المتحدة للمنتجات والمواد الملامسة لمياه الشرب. وفي خطوط الأغذية تُستخدم عادةً أسطح الكربون الجرافيتي / SiC ودرجات ملائمة من EPDM أو FKM أو FFKM والفولاذ المقاوم للصدأ 316L.

كيف تُختار مادة الحشوة والجوان؟

في الحشوة يُقيَّم المائع ودرجة الحرارة والضغط والسرعة المحيطية للعمود معًا: فيبرز PTFE النقي في المواد الكيميائية العدوانية والسرعات المنخفضة، والجرافيت وألياف الكربون في درجات الحرارة والسرعات العالية، والأراميد في الموائع الكاشطة. وفي الجوان يُضاف نوع الشفة وحمل البراغي؛ والألياف المضغوطة للشفاه متعددة الأغراض، والجرافيت للحرارة العالية والبخار، وPTFE المعبّأ للشفاه الكيميائية نقاط انطلاق نموذجية.

هل تبحث عن حل الختم المناسب لمشروعك؟

فريقنا الفني جاهز لمساعدتك في اختيار الختم الميكانيكي الأنسب لتطبيقك.