مکانیکال سیل یا سیل مکانیکی پمپ آب چیست؟

مکانیکال سیل

مکانیکال سیل یا آب بند مکانیکی وسیله‌ای است که به اتصال قطعات و تجهیزات به هم در یک سیستم آبرسان کمک می‌کند و از نشت سیال جاری بر اثر وجود اختلاف فشار در مرز قطعات و دور شافت در الکتروموتور و محفظه جلوگیری می‌کند تا پمپاژ به شکل صحیح انجام پذیرد. مکانیکال سیل به نام‌های دیگری چون، سیل مکانیکی، نافی یا آب‌بند مکانیکی نیز معروف است.

نافی یا مکانیکال سیل یک قطعه‌ی بسیار حساس و یکی از اصلی‌ترین و پر مصرف‌ترین قطعات استهلاکی درصنعت سیالات و گازها می‌باشد و همچنین از ایمن‌ترین قطعات صنعتی است که برای جلوگیری از نشت مایعات و گازها به بیرون از سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرد و در صورت بروز مشکل، پمپ کارایی خود را از دست می‌دهد و کاملا از دور خارج می‌شود. کارایی سیل‌ها به طور عمده به مقدار چسبندگی میان قطعات، واشرها و درزبندهای به کار رفته در سیستم بستگی دارد.

مکانیکال سیل یا آب بند شامل دو سطح صاف است که یکی ثابت و بر روی کاسه‌ی پمپ و دیگری متحرک و بر روی محور چرخی پمپ قرار می‌گیرد. روش کار این دو سطح به این صورت است که لایه‌ی نازکی از مایع بر روی سطوح سیل قرار گرفته و عملکرد آن را بهبود می‌بخشد. جهت کسب اطلاعات بیشتر می توانید به مقاله کاربردهای مکانیکال سیل مراجعه کنید.

اجزای اصلی سیل مکانیکی

هر یک از مدل‌های نافی یا سیل بسته به نوع مصرف دارای قطعات خاصی هستند ولی به طور کلی قطعاتی که همه‌ سیل‌ها به صورت مشترک دارا می باشند شامل این قطعات است.

کفه‌ی ثابت

این قسمت بر روی محفظه‌ی پمپ با اورینگ به صورت محکم قرار می‌گیرد. جنس این قطعه به طور معمول از استیل است. البته بسته به نوع مصرف، استیل آن قابل تغییر می‌باشد.

کفه‌ی متحرک

این بخش بر روی شفت بسته می‌شود و همراه با شفت همواره در حال چرخش است و جنس این قطعه با توجه به نوع مصرف می تواند کربن و یا در مواردی سیلیکون کارباید باشد که بیشترین مصرف را دارد و یا در مواردی دیگر از موادی با جنس سخت‌تر به نام تنگستن باشد.

فنر مخروطی

این فنر باعث می‌شود که کفه‌ی متحرک به طور کامل به قسمت ثابت چسبیده و جلوی عبور هرگونه موادی را بگیرد. البته این فنر در مدل‌ها و اشکال مختلفی ساخته می‌شود. این قطعات بنا به نوع ساخت فیبر و فنرها دارای اشکال و جنس‌های متفاوتی هستند. ولی در همگی آن‌ها این اجزاء وجود دارند.

عملکرد مکانیکال سیل

مکانیکال سیل‌ها در فشار و دمای بالا و همچنین سرعت دورانی بالا قابل استفاده هستند و بدون نیاز به تعمیر و تنظیم به بهترین شکل عمل می‌کنند. کارکرد نافی یا همان آب بند در شرایط خشک منجر به صدمه دیدن سطوح حساس آن می‌شود.

طبقه بندی سیل‌های مکانیکی

نافی‌‌ها یا آب بندها در شرایط عملیاتی بسیار متعدد از قبیل فشارهای بالا، درجه حرارت بالا، نوع سیالات اعم از مایعات خورنده، سمی و خطرناک، مایعات رسوبی و کثیف و… مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته سیل‌های مکانیکی ساختمان کلی و اصول کاری یکسانی دارند ولی از نظر شکل ظاهری و نوع طراحی بسته به عملیاتی که در آن آب‌بندی می‌کنند، باهم فرق دارند.

انواع مکانیکال سیل

• مکانیکال سیل ایستا یا ثابت
• مکانیکال سیل پویا یا داینامیک

انواع سیل از نظر طراحی

• سیل مکانیکی با فنر موجی
• سیل مکانیکی کارتریجی یک و دو مرحله‌ای
• سیل مکانیکی آکاردئونی
• سیل مکانیکی یک و چند فنره

انتخاب صحیح سیل یا آب بند

به دلیل اهمیت بالای سیل مکانیکی یا نافی در پمپ، باید در انتخاب آن دقت لازم به عمل آید و همچنین شرایط لازم برای استفاده از آن در نظر گرفته شود تا موجب افزایش بهره‌وری در فرایند تولید گردد و از صرف هزینه‌هایی اضافی جهت تعمیر و خرید سیل جدید جلوگیری شود.

برای انتخاب درست یک سیل مکانیکی باید ابتدا به قسمت چرخشی آن توجه کرده و سپس نوع سطوح ثابت آن را مورد ارزیابی قرار داد. عواملی از قبیل شفت، اندازه قطر محور دوار و اندازه مونتاژی مکانیکال سیل ، سرعت محور دوار ماشین بر حسب دور بر دقیقه، نوع پمپ، نوع و جنس سیال، درجه حرارت سیال عبوری و مقدار دمایی سیل قادر به تحمل آن است، شرایط و ماکزیمم فشار کاری یعنی فشار سیستم پمپاژ و میزان استفاده از پمپ در شبانه روز، خورندگی و شیمیایی بودن مواد و در نهایت ویسکوزیته یا مقاومت در برابر جریان سیال، اشاره کرد.

مزایای مکانیکال سیل

• جلوگیری از نشت موادی با ارزش بالا، مواد خطرناک و خورنده، مایعات سمی و مواد قابل اشتعال
• کمک کننده‌ی نیروی گریز از مرکز درجهت کاهش نشتی
• کاهش خرابی یاتاقان‌ها به دلیل آلودگی ناشی از روغن
• کاهش خوردگی به دلیل نشت فواره‌ای
• عدم نیاز به تعمیر و تنظیم مداوم
• قابل استفاده برای انواع مایعات
• نشتی کم و کاهش اتلاف سیال
• کاهش آلودگی زیست محیطی
• خاصیت خود تمیز کنندگی
• تحمل فشار و سرعت بالا
• هزینه‌ی نگهداری پایین
• توانایی سیل کردن بالا

معایب مکانیکال سیل

• هزینه‌های تهیه‌ی اولیه‌ی مکانیکال سیل بسیار بالاست.
• مکانیکال سیلها تحمل حرکت‌های محوری زیاد را ندارند.
• مونتاژ و دمونتاژ آن‌ها دشوار و نیازمند افراد متخصص است.
• خرابی آن‌ها منجر به نشتی سریع و اختلال در عملکرد پمپ می‌گردد.

جنس سیل مکانیکی

جنس سطح سیل‌ها با توجه به دور پمپ ، فشار و نوع سیال متفاوت می‌باشد. سیل‌های مکانیکی معمولا از جنس سرامیک/ کربن، سلیکن و سلیکن/ وایتون هستند. برای سیالاتی که ذرات ریز در آن وجود دارد، بهترین گزینه سیلیکون کارباید است و برای سیالاتی که ذرات ریز در آن موجود نمی‌باشد و دور نرمال دارد بهتر است از جنس کربن استفاده شود. برای سیالات با ضریب حساسیت بالا و بدون نشتی حداقل، از تنگستن کارباید استفاده گردد و برای پمپ‌هایی که مشکل گرم شدن سیل دارند بهتر است از جنس سرامیک استفاده گردد. البته این نکته‌ی مهم را باید در نظر گرفت که مکانیکال سیل به هیچ عنوان نباید خشک کار کند زیرا ترک خورده و به سرعت دچار استهلاک می‌شود.

قابلیت تعمیر و ترمیم نافی

سیل‌ها یا نافی‌ها در سایزهای کوچک به دلیل قیمت بسیار کم و به صرفه نبودن قابل تعمیر نمی‌باشند ولی در بعضی مدل‌های سیل که سایزهای بالایی دارند و در بازار یافت نمی‌شوند، امکان تعمیر و ترمیم آن وجود دارد.

قابلیت تحمل فشار در نافی

مکانیکال سیل در مدل‌های سرامیکی، فشار کاری تا 12 بار و در مدل‌های سری وایتون، فشار کاری تا 16 بار را تحمل می‌کنند.

سطوح آب بندی مکانیکال سیل

در حالی که در طراحی سیل‌ها دو سطح آب بندی، سیل‌های استاتیک ساده‌ای هستند، اما باید توجه بیشتری به سیل بین قسمت‌های چرخشی و ثابت داشته باشید. این سیل اولیه، اساس طراحی همه سیل‌ها بوده و برای اثربخشی آن ضرورت دارد. معمولا سیل اولیه یک بلبرینگ عمودی است که از دو سطح ثابت و چرخشی تشکیل شده و در مقابل یکدیگر قرار گرفته‌اند. سطوح سیل به وسیله ترکیبی از نیروی هیدرولیک با سیال آب بندی شده و بخش فنری به خاطر طراحی سیل فشرده می‌شود. این گونه یک سیل جهت جلوگیری از فرایند نشت بین مناطق ثابت پمپ و شفت چرخشی به وجود می‌آید. در صورتی که بدون هیچ گونه روانکاری سطوح آب بندی در مقابل هم بچرخند، ساییده شده و به خاطر گرمای ایجاد شده و اصطکاک سطح خیلی سریع می‌شکنند. به همین علت بین سطح ثابت سیل و سطح چرخشی یک نوع روانکاری نیاز داریم که به عنوان فیلم سیال شناخته می‌شود.

فیلم سیال مکانیکال سیل

در اکثر سیل‌های مکانیکی، روانکاری با یک فیلم نازک در بین سطوح سیل انجام می‌شود. این فیلم می‌تواند یا به وسیله منبع خارجی یا از طریق سیال فرایند تامین شود. البته وجود یک فیلم مایع بین سطوح باعث ایجاد چالشی در طراحی شد: روانکاری اصولی جریان بین سطوح سیل بدون نشر کردن مقدار زیادی از سیال یا ورود آلاینده‌ها بین سطوح که باعث خراب شدن خود سیل می‌شوند ممکن نبود. راه حل ایجاد یک شکاف دقیق بین وجوه بود، به اندازه‌ای که امکان جریان پیدا کردن مقدار کمی از مایع روانکاری تمیز وجود داشته باشد اما برای جلوگیری از ورود آلاینده‌ها از این شکاف، نباید خیلی بزرگ در نظر گرفته می‌شد.

فاصله بین سطوح

در یک سیل معمولی فاصله بین سطوح به اندازه یک میکرون است که ۷۵ برابر باریک‌تر از موی انسان می‌باشد. با توجه به کوچک بودن این فاصله، ذاتی که باعث آسیب به سطوح سیل می‌شوند، امکان وارد شدن به آن را ندارند و مایع نشت شده از فضا آنقدر کم است که به شکل بخار ظاهر می‌شود. این میکرو شکاف به وسیله نیروی هیدرولیک و فنرها جهت فشرده کردن سطوح سیل به یکدیگر انجام می‌شود؛ از طرفی فشار سیال بین سطوح عملکردی برای جدا کردن آنها از هم دارد. در واقع اگر فیلم سیال حضور نداشته باشد، دو سطح آبندی کاملاً با هم در تماس خواهند بود که به عنوان دو جزء خشک، باعث شکست سریع سیل می‌شود.

اهمیت نیروی فنرها و فشار فرآیند

اگر بخواهیم بدون فشار فرآیند و نیروی فنرها، سطوح را به یکدیگر فشرده کنیم، این سطوح بیش از اندازه سیل را از هم جدا کرده و این گونه احتمال نشت سیال به بیرون بیشتر می‌شود. مهندسی سیل مکانیکی باید به گونه‌ای باشد که در کنار افزایش طول عمر سطوح آب بندی، با اطمینان از کیفیت بالای سیال روان کننده و استفاده از متریال مناسب برای سطوح آب بندی، فرایند پمپاژ آب بهترین شکل ممکن صورت گیرد.