كيفية اختيار المادة المناسبة لمانع تسرب عمود ميكانيكي

يُعد اختيار مادة مانع التسرب أمرًا بالغ الأهمية، إذ يؤثر بشكل مباشر على جودة المنتج وعمره الافتراضي وأدائه، ويقلل من المشاكل المستقبلية. نستعرض هنا تأثير البيئة على اختيار مادة مانع التسرب، بالإضافة إلى بعض المواد الأكثر شيوعًا والتطبيقات الأنسب لها.

العوامل البيئية

تُعدّ البيئة التي سيتعرض لها مانع التسرب عاملاً حاسماً عند اختيار التصميم والمادة. هناك عدد من الخصائص الأساسية التي يجب أن تتمتع بها مواد منع التسرب في جميع البيئات، بما في ذلك توفير سطح مانع تسرب مستقر، والقدرة على توصيل الحرارة، ومقاومة المواد الكيميائية، ومقاومة التآكل الجيدة.

في بعض البيئات، ستكون هذه الخصائص أكثر أهمية من غيرها. تشمل خصائص المواد الأخرى التي يجب مراعاتها عند دراسة البيئة: الصلابة، والمتانة، والتمدد الحراري، ومقاومة التآكل، والمقاومة الكيميائية. سيساعدك أخذ هذه الخصائص في الاعتبار على إيجاد المادة المثالية لمانع التسرب.

يمكن أن تحدد الظروف البيئية أيضًا ما إذا كان ينبغي إعطاء الأولوية لتكلفة أو جودة مانع التسرب. ففي البيئات القاسية والمليئة بالتآكل، قد تكون موانع التسرب أغلى ثمنًا نظرًا لضرورة أن تكون المواد المستخدمة قوية بما يكفي لتحمل هذه الظروف.

في مثل هذه البيئات، سيُعوّض إنفاق المال على مانع تسرب عالي الجودة نفسه بمرور الوقت، حيث سيساعد ذلك على تجنب عمليات الإغلاق المكلفة والإصلاحات والتجديد أو استبدال مانع التسرب الذي ينتج عن استخدام مانع تسرب منخفض الجودة. ومع ذلك، في تطبيقات الضخ التي تستخدم سوائل نظيفة للغاية ذات خصائص تشحيم، يمكن شراء مانع تسرب أرخص بدلاً من محامل عالية الجودة.

مواد مانعة للتسرب شائعة الاستخدام

الكربون

الكربون المستخدم في أسطح موانع التسرب هو مزيج من الكربون غير المتبلور والجرافيت، وتحدد نسب كل منهما الخصائص الفيزيائية للكربون النهائي. وهو مادة خاملة ومستقرة، ويمكن أن تكون ذاتية التشحيم.

يُستخدم هذا المزيج على نطاق واسع كأحد وجهي نهاية الأختام الميكانيكية، كما أنه مادة شائعة الاستخدام في صناعة الأختام المحيطية المجزأة وحلقات المكابس في ظروف التشحيم الجاف أو بكميات قليلة. ويمكن أيضًا تشريب هذا المزيج من الكربون والجرافيت بمواد أخرى لإكسابه خصائص مختلفة، مثل تقليل المسامية، وتحسين مقاومة التآكل، وزيادة المتانة.

يُعدّ مانع التسرب الكربوني المشبع براتنج حراري من أكثر أنواع موانع التسرب الميكانيكية شيوعًا، حيث تتميز معظم أنواع الكربون المشبع بالراتنج بقدرتها على العمل في نطاق واسع من المواد الكيميائية، بدءًا من القواعد القوية وصولًا إلى الأحماض القوية. كما تتمتع هذه الأنواع بخصائص احتكاك جيدة ومعامل مرونة مناسب للمساعدة في التحكم في تشوهات الضغط. يُناسب هذا النوع من المواد الاستخدام العام حتى درجة حرارة 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) في الماء، والمبردات، والوقود، والزيوت، والمحاليل الكيميائية الخفيفة، بالإضافة إلى تطبيقات الأغذية والأدوية.

أثبتت موانع التسرب الكربونية المشبعة بالأنتيمون نجاحها بفضل قوة الأنتيمون ومعامل مرونته، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الضغط العالي التي تتطلب مادة أقوى وأكثر صلابة. كما تتميز هذه الموانع بمقاومتها العالية للتقشر في التطبيقات التي تستخدم سوائل عالية اللزوجة أو هيدروكربونات خفيفة، مما يجعلها المعيار القياسي للعديد من تطبيقات المصافي.

يمكن أيضًا تشريب الكربون بمواد تشكيل الأغشية مثل الفلوريدات لتطبيقات التشغيل الجاف والتبريد الفائق والفراغ، أو مثبطات الأكسدة مثل الفوسفات لتطبيقات درجات الحرارة العالية والسرعات العالية والتوربينات حتى 800 قدم/ثانية وحوالي 537 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت).

السيراميك

السيراميك مواد غير عضوية وغير معدنية مصنوعة من مركبات طبيعية أو اصطناعية، وأكثرها شيوعاً أكسيد الألومينا أو الألومينا. يتميز السيراميك بارتفاع درجة انصهاره وصلابته ومقاومته العالية للتآكل والأكسدة، مما يجعله واسع الاستخدام في صناعات متنوعة كالآلات والكيماويات والبترول والأدوية والسيارات.

كما يتميز الألومينا بخصائص عازلة ممتازة، ويُستخدم عادةً في العوازل الكهربائية، والمكونات المقاومة للتآكل، ووسائط الطحن، والمكونات التي تتحمل درجات الحرارة العالية. وفي حالته النقية العالية، يتمتع الألومينا بمقاومة كيميائية ممتازة لمعظم سوائل العمليات باستثناء بعض الأحماض القوية، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في العديد من تطبيقات منع التسرب الميكانيكي. إلا أن الألومينا قد ينكسر بسهولة تحت تأثير الصدمات الحرارية، مما حدّ من استخدامه في بعض التطبيقات التي قد يُشكل فيها ذلك مشكلة.

كربيد السيليكون

يُصنع كربيد السيليكون عن طريق صهر السيليكا وفحم الكوك. وهو مشابه كيميائياً للسيراميك، ولكنه يتمتع بخصائص تزييت أفضل وصلابة أكبر، مما يجعله حلاً جيداً ومتيناً للبيئات القاسية.

كما يمكن إعادة صقله وتلميعه، مما يسمح بتجديد مانع التسرب عدة مرات خلال عمره الافتراضي. ويُستخدم عادةً في التطبيقات الميكانيكية، مثل موانع التسرب الميكانيكية، نظرًا لمقاومته الجيدة للتآكل الكيميائي، وقوته العالية، وصلابته العالية، ومقاومته الجيدة للتآكل، ومعامل احتكاكه المنخفض، ومقاومته العالية لدرجات الحرارة.

عند استخدام كربيد السيليكون في أسطح موانع التسرب الميكانيكية، فإنه يُحسّن الأداء، ويُطيل عمر مانع التسرب، ويُقلل تكاليف الصيانة والتشغيل للمعدات الدوارة مثل التوربينات والضواغط والمضخات الطاردة المركزية. تختلف خصائص كربيد السيليكون باختلاف طريقة تصنيعه. يتكون كربيد السيليكون المُرتبط بالتفاعل من خلال ربط جزيئات كربيد السيليكون ببعضها البعض في عملية تفاعل.

لا تؤثر هذه العملية بشكل ملحوظ على معظم الخصائص الفيزيائية والحرارية للمادة، إلا أنها تحد من مقاومتها الكيميائية. ومن أكثر المواد الكيميائية شيوعًا التي تُسبب مشاكل هي المواد الكاوية (وغيرها من المواد الكيميائية ذات الرقم الهيدروجيني العالي) والأحماض القوية، ولذلك لا يُنصح باستخدام كربيد السيليكون المُرتبط بالتفاعل في هذه التطبيقات.

يُصنع كربيد السيليكون ذاتي التلبيد عن طريق تلبيد جزيئات كربيد السيليكون معًا مباشرةً باستخدام مواد مساعدة للتلبيد غير أكسيدية في بيئة خاملة عند درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية. ونظرًا لعدم وجود مادة ثانوية (مثل السيليكون)، فإن المادة الملبدة مباشرةً مقاومة كيميائيًا لأي سائل أو ظروف تشغيلية تقريبًا يُحتمل وجودها في مضخة طرد مركزي.

كربيد التنجستن

يُعدّ كربيد التنجستن مادة متعددة الاستخدامات للغاية، مثل كربيد السيليكون، ولكنه أكثر ملاءمةً للتطبيقات التي تتطلب ضغطًا عاليًا نظرًا لمرونته العالية التي تسمح له بالانثناء بشكل طفيف جدًا وتمنع تشوه السطح. ومثل كربيد السيليكون، يمكن إعادة صقله وتلميعه.

تُصنع كربيدات التنجستن في أغلب الأحيان على شكل كربيدات ملتحمة، لذا لا تُبذل أي محاولة لربط جزيئات كربيد التنجستن ببعضها. يُضاف معدن ثانوي لربط جزيئات كربيد التنجستن معًا، مما ينتج عنه مادة تجمع بين خصائص كل من كربيد التنجستن والمادة المعدنية الرابطة.

استُغلّت هذه الخاصية لصالح كربيد التنجستن، إذ تُوفّر صلابةً ومقاومةً للصدمات أعلى مما يُمكن تحقيقه باستخدام كربيد التنجستن وحده. ومن نقاط ضعف كربيد التنجستن المُلبّد كثافته العالية. في الماضي، كان يُستخدم كربيد التنجستن المرتبط بالكوبالت، إلا أنه استُبدل تدريجيًا بكربيد التنجستن المرتبط بالنيكل نظرًا لافتقاره إلى نطاق التوافق الكيميائي المطلوب في الصناعة.

يستخدم كربيد التنجستن المرتبط بالنيكل على نطاق واسع في أسطح منع التسرب حيث تكون خصائص القوة العالية والمتانة العالية مطلوبة، كما أنه يتمتع بتوافق كيميائي جيد محدود بشكل عام بالنيكل الحر.

GFPTFE

يتميز GFPTFE بمقاومة كيميائية جيدة، ويقلل الزجاج المضاف من احتكاك أسطح منع التسرب. وهو مثالي للتطبيقات النظيفة نسبيًا وأقل تكلفة من المواد الأخرى. تتوفر منه أنواع فرعية لتحسين ملاءمة مانع التسرب مع المتطلبات والبيئة، مما يُحسّن أدائه العام.

بونا

مطاط البونا (المعروف أيضاً باسم مطاط النتريل) هو مطاط صناعي اقتصادي يُستخدم في صناعة الحلقات الدائرية، والمواد المانعة للتسرب، والمنتجات المقولبة. يتميز بأدائه الميكانيكي الممتاز، ويُستخدم بكفاءة عالية في التطبيقات النفطية والبتروكيماوية والكيميائية. كما يُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات النفط الخام، والماء، وأنواع مختلفة من الكحول، وشحوم السيليكون، والسوائل الهيدروليكية، وذلك بفضل صلابته.

بما أن مطاط بونا عبارة عن بوليمر مشترك من المطاط الصناعي، فإنه يؤدي أداءً ممتازًا في التطبيقات التي تتطلب التصاقًا قويًا بالمعادن ومقاومة عالية للتآكل، كما أن تركيبته الكيميائية تجعله مثاليًا أيضًا لتطبيقات منع التسرب. علاوة على ذلك، فهو يتحمل درجات الحرارة المنخفضة نظرًا لتصميمه الذي يتميز بمقاومة ضعيفة للأحماض والقلويات المعتدلة.

يُعد استخدام مادة بونا محدودًا في التطبيقات التي تنطوي على عوامل قاسية مثل درجات الحرارة العالية والطقس وأشعة الشمس وتطبيقات مقاومة البخار، وهي غير مناسبة مع عوامل التعقيم التي يتم تنظيفها في مكانها (CIP) والتي تحتوي على أحماض وبيروكسيدات.

EPDM

يُعدّ مطاط EPDM مطاطًا صناعيًا شائع الاستخدام في صناعات السيارات والبناء والتطبيقات الميكانيكية، حيث يُستخدم في صناعة موانع التسرب والحلقات الدائرية والأنابيب والصفائح. ورغم أنه أغلى ثمنًا من مطاط Buna، إلا أنه يتميز بقدرته على تحمّل مجموعة متنوعة من الظروف الحرارية والجوية والميكانيكية بفضل قوة شدّه العالية التي تدوم طويلًا. كما أنه متعدد الاستخدامات ومثالي للتطبيقات التي تتضمن الماء والكلور والمبيضات وغيرها من المواد القلوية.

بفضل خصائصه المرنة واللاصقة، يعود مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين (EPDM) إلى شكله الأصلي بعد شده بغض النظر عن درجة الحرارة. لا يُنصح باستخدام مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين (EPDM) مع زيوت البترول، أو السوائل، أو الهيدروكربونات المكلورة، أو المذيبات الهيدروكربونية.

فيتون

الفيتون منتج مطاطي هيدروكربوني مفلور عالي الأداء يدوم طويلاً، ويُستخدم بشكل شائع في حلقات منع التسرب. وهو أغلى ثمناً من أنواع المطاط الأخرى، ولكنه الخيار الأمثل لتلبية احتياجات منع التسرب الأكثر صعوبة وتطلباً.

وهو مقاوم للأوزون والأكسدة والظروف الجوية القاسية، بما في ذلك مواد مثل الهيدروكربونات الأليفاتية والعطرية والسوائل المهلجنة والمواد الحمضية القوية، وهو أحد أكثر أنواع الفلوروإيلاستومرات قوة.

يُعد اختيار المادة المناسبة للعزل أمرًا بالغ الأهمية لنجاح أي تطبيق. ورغم تشابه العديد من مواد العزل، إلا أن لكل منها استخدامات متنوعة تلبي احتياجات محددة.